太赫茲波的產(chǎn)生與檢測

1、,10.1 概述,自從20世紀(jì)60年代初激光問世以來，科學(xué)家一直對超短激光脈沖、超快 過程及各種超快現(xiàn)象有濃厚的興趣。如今，利用克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器 可產(chǎn)生短至5fs的激光脈沖。而超短激光脈沖的重要應(yīng)用價值，因1999年諾貝 爾化學(xué)獎授予科學(xué)家艾哈邁德澤維爾教授而得到人們更深切的關(guān)注。其實這 只是超短激光脈沖的成功應(yīng)用之一，因為超短激光脈沖在諸如物理、生物、 醫(yī)學(xué)、工業(yè)及軍事領(lǐng)域都有廣泛而現(xiàn)實的應(yīng)用。,另一方面，除了激光脈沖，人們很早就發(fā)現(xiàn)，最早從核爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)電 磁脈沖(脈寬在納秒量級)對電子設(shè)備有極強(qiáng)的破壞力，由此引發(fā)了人們對超 短電磁脈沖的研究興趣。,過去的幾年間，該領(lǐng)域的一門新興的

2、研究課題-THz電磁脈沖產(chǎn)生技術(shù)及應(yīng)用受到了人們極大的關(guān)注。這是因為THz電磁脈沖正是由超短激光脈沖選通半導(dǎo)體光導(dǎo)開關(guān)后產(chǎn)生的，而另外一個很重要的原因是這種電磁脈沖(或稱為太赫茲波、THz電磁輻射、T射線)在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域及軍事領(lǐng)域中有相當(dāng)重要的應(yīng)用。因此，世界上很多研究機(jī)構(gòu)相繼開展了該領(lǐng)域的深入研究，業(yè)已取得了很多重要成果。,第十章太赫茲波的產(chǎn)生與檢測,對本章的學(xué)習(xí)重點在于了解和理解太赫茲波基本名詞概念及應(yīng)用,缺少高功率、低造價和便攜式的室溫工作的太赫茲光源是限制現(xiàn)代太赫 茲應(yīng)用的最主要因素。但是，仍有很多光源可能成為太赫茲光源的潛在候選 者，在快速電子學(xué)、激光和材料研究中，

3、每一種光源都有其獨特的優(yōu)點。這 些光源可以被粗略地分為：不相干的熱輻射光源、寬波段脈沖(Tray)光源 及窄波段的連續(xù)波光源。,THz(1012Hz)輻射通常指的是頻率在0.110THz(波長在30m3mm)之間 的電磁波，其波段在微波和紅外光之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段，如下圖所示。,在20世紀(jì)80年代中期以前，由于缺乏有效的產(chǎn)生方法和檢測手段，科學(xué)家對于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限。近十幾年來，超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的產(chǎn)生和應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展。,窄頻帶的光源對于高頻譜分辨率測量的應(yīng)用是十分重要的，在通信和極 寬頻帶的衛(wèi)星通信上也有廣泛

4、的應(yīng)用前景。所以在過去的一個世紀(jì)里，很多 研究工作集中在開發(fā)窄波段的THz光源上。很多新的技術(shù)現(xiàn)在仍在發(fā)展中， 包括無線電波波源頻率上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換，THz激光和反向波管。主要用于發(fā) 射低功率(100)連續(xù)太赫茲輻射的是低頻微波振蕩器的升頻轉(zhuǎn)換技術(shù)， 這些振蕩器包括電壓控制的振蕩器和介電共振振蕩器。升頻轉(zhuǎn)換的方法通常 是使用一個平面肖特基二極管倍增器鏈來實現(xiàn)的。使用這種方法，頻率可以 高達(dá)2.7THz。氣體激光器是另一種常用的產(chǎn)生太赫茲的光源，在這種激光器 中，利用CO2激光器抽運(yùn)一個低氣壓腔，并在這種氣體的某些發(fā)射譜線處形 成受激發(fā)射。這種光源不是連續(xù)可調(diào)的，而且通常需要大的氣體腔和上千瓦 的

5、能量輸入，但這種方法可以得到高達(dá)30mW的輸出功率。,1) 窄頻帶的太赫茲光源,大多數(shù)的寬波段脈沖太赫茲光源是由超短的激光脈沖對不同材料的激 發(fā)引起的。有幾種不同的機(jī)制發(fā)射太赫茲電磁波，包括在光電導(dǎo)天線中光 生載流子的加速、電光晶體中的二階非線性效應(yīng)、等離子體振蕩和電子非 線性傳輸線。但是目前這些方法的轉(zhuǎn)換效率都很低，所以太赫茲光束的平 均功率只有納瓦到微瓦的數(shù)量級，而作為激發(fā)太赫茲輻射的飛秒光源的平 均功率卻有瓦的數(shù)量級。利用光電導(dǎo)天線和光整流是最常見的兩種產(chǎn)生寬 頻帶脈沖太赫茲輻射的方法。,2) 寬頻帶的太赫茲光源,10.1.1 光電導(dǎo)天線,光導(dǎo)體是產(chǎn)生THz電磁波的關(guān)鍵部件，性能良好的光

6、導(dǎo)體應(yīng)該具有盡可能短的載流子壽命、高的載流子遷移率和介質(zhì)耐擊穿強(qiáng)度。天線結(jié)構(gòu)通常有基本偶極子天線、共振偶極子天線、錐形天線、傳輸線及大孔徑光導(dǎo)天線等,THz電磁輻射發(fā)射系統(tǒng)的性能決定于3個因素:光導(dǎo)體、天線的幾何結(jié)構(gòu)和泵浦激光脈沖寬度。,光電導(dǎo)的方法是利用高速的光電導(dǎo)材料作為輻射天線提供瞬態(tài)電流。通 常的光電導(dǎo)材料包括高電阻率的GaAs、InP及放射法制造有缺陷的Si晶片。 金屬電極被用于在這些光電導(dǎo)體上，并施加偏置電壓形成天線。在光電 導(dǎo)的天線中，發(fā)射太赫茲光束的機(jī)理是超快的激光光束在光電導(dǎo)材料中產(chǎn)生 電子-空穴對，自由載流子在偏置電場中被加速，產(chǎn)生瞬變的光電流。這種快 速的、隨時間變化的電

7、流會輻射電磁波。 光電導(dǎo)機(jī)制是利用超短激光脈沖泵浦光導(dǎo)材料(如GaAs等半導(dǎo)體)，使在 其表面激發(fā)載流子，這些載流子在外加電場作用下加速運(yùn)動，從而輻射出電磁波，如下圖所示。,兩個光束在線性介質(zhì)中可以獨立傳播，而不改變各自的振蕩頻率。但是 在非線性介質(zhì)中，兩個單色光束將發(fā)生混合，從而產(chǎn)生和頻振蕩和差頻振蕩。 在出射光中，除了有與入射光相同頻率的光波外，還有新的頻率(例如和頻) 的光波。,10.1.2光整流,光整流是太赫茲脈沖產(chǎn)生的另一種機(jī)制，它是電光效應(yīng)的逆過程。,當(dāng)一束高強(qiáng)度的單色激光在非線性介質(zhì)中傳播時，它會在介質(zhì)內(nèi)部通過差頻振蕩效應(yīng)激發(fā)一個恒定(不隨時間變化)的電極化場。恒定的電極化場不輻

8、射電磁波，但在介質(zhì)內(nèi)部建立一個直流電場。這種現(xiàn)象稱為光學(xué)整流效應(yīng)，它是最早發(fā)現(xiàn)的非線性光學(xué)效應(yīng)之一。,根據(jù)傅里葉變換理論，一個脈沖光束可以分解成一系列單色光束的疊加， 其頻譜決定于該脈沖的中心頻率和脈沖寬度。在線性介質(zhì)中，因為每個單色 分量都可以獨立傳播，出射光的頻譜和波形與入射光相比沒有根本的變化， 其差別僅來源于介質(zhì)的色散特性。但非線性介質(zhì)中，這些單色波分量不再獨 立傳播，它們之間將發(fā)生混合。和頻振蕩效應(yīng)產(chǎn)生頻率接近于二次諧波的光 波，而差頻振蕩效應(yīng)則產(chǎn)生一個低頻振蕩的電極化場，這種低頻的電極化場 可以輻射出太赫茲波段的低頻電磁波。,超短激光脈沖的發(fā)展為光學(xué)整流效應(yīng)的研究和應(yīng)用開辟了新的途

9、徑。,下圖給出了脈沖激光光整流效應(yīng)的原理。,光整流技術(shù)最早是在利用LiNbO3產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的過程中來實現(xiàn)的。因 為光整流是將入射光束功率從光頻耦合到太赫茲頻段，這種耦合效率較低，所以利用這種方法輸出的太赫茲輻射的功率與光電導(dǎo)天線的方法相比較小，但這種方法的優(yōu)點在于可以輸出更寬的輻射帶寬，通?？梢赃_(dá)到50THz。,頻率為0，寬度為r的脈沖激光照射到一個非線性介質(zhì)樣品，脈沖激光的各個單色分量之間會在樣品中通過差頻振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生一個隨時間變化的電極化場，這個隨時間變化的電極化場將輻射低頻電磁波，其頻率上限和入射激光脈沖寬度有關(guān)。由于入射激光的脈沖寬度在亞皮秒量級，輻射電磁波的頻率上限約為太赫茲，所以

10、這種光整流效應(yīng)被稱為亞皮秒光整流效應(yīng)，或稱為太赫茲光整流效應(yīng)。,用光電導(dǎo)天線輻射的THz電磁波能量通常比用光整流產(chǎn)生的THz波能量強(qiáng)。因為光整流效應(yīng)產(chǎn)生的THz波的能量僅僅來源于入射的激光脈沖的能量，而光電導(dǎo)天線輻射的THz波的能量主要來自天線上所加的偏置電場，這可以通過調(diào)節(jié)外加電場的大小來獲得能量較強(qiáng)的THz波。,光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的THz電磁波的頻率較低，而光整流產(chǎn)生的THz電磁波 的頻率較高。,對太赫茲信號的探測是另一個活躍的研究領(lǐng)域。由于太赫茲源發(fā)射功率 較低，而熱背景噪聲相對較高，需要高靈敏度的探測手段探測太赫茲信號。 在對寬波段的探測中，基于熱吸收的直接探測是最常用的手段。另外熱電的

11、紅外測量儀器在太赫茲的波段也是可以使用的。利用Ni在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之 間的轉(zhuǎn)變，應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)，已研制成功了非常靈敏的熱輻射測量儀。干涉儀 技術(shù)也可以用來直接得到光譜信息，最近的研究還實現(xiàn)了太赫茲光子的單光 子探測器。這種探測裝置利用包含一個量子點的單光子晶體管工作在強(qiáng)磁場 中，得到其他方法所不能達(dá)到的靈敏度。盡管測量的速度現(xiàn)在仍被限制在 1ms左右，但目前已經(jīng)有人提出了高速探測的設(shè)想，并且這將在太赫茲探測 領(lǐng)域引發(fā)新的革命。,10.1.3 太赫茲的探測,對于在THz時域光譜(THzTDS)系統(tǒng)中的太赫茲脈沖測量，需要使用相干探測器。最常用的兩種方法基于光電導(dǎo)取樣和自由空間的電光取樣，它們都需要

12、使用超快激光源。電光效應(yīng)是低頻電場(太赫茲脈沖)和激光束(光學(xué)脈沖)在探測晶體中的耦合。使用超短激光脈沖(15fs)和薄的探測晶體30m)，可以進(jìn)行中紅外波段的電光信號探測。,在需要高的光譜分辨率的探測中，常用的是外差式探測器。在這樣的統(tǒng)中，探測器中的振蕩器以太赫茲頻率振動，并與接收到的信號混合，此頻率下轉(zhuǎn)換的信號就被放大和測量。高靈敏度的超導(dǎo)外差式探測器需要冷卻測量. 對于更寬波段的測量是有極大吸引力。,1.光電導(dǎo)取樣,光電導(dǎo)探測天線的幾何結(jié)構(gòu)是 由Grischkowsky發(fā)明的，如右圖所 示。它可以由藍(lán)寶石上輻射損傷的 硅(RDSOS) 或低溫生長的砷化鎵 (LTGaAs)晶片制造。,具有

13、自由空間電場，持續(xù)時間大的T射線光斑給電極加上偏壓。飛秒探測脈沖控制電極產(chǎn)生瞬態(tài)光載流子，形成瞬時電流，被安培計探測。電流正比于所加圖PCA門控探測技術(shù)的THz場。,光束由分光鏡一分為二：未聚焦的較強(qiáng)光束照射光導(dǎo)發(fā)射器的表面，并被一機(jī)械斬波器調(diào)制；較弱的光束用做探測器的控制光，通過時間延遲平臺， 聚焦在偶極天線間的光導(dǎo)體上，約5mm大小的光斑。,光電導(dǎo)取樣是和光電導(dǎo)天線(PCA)發(fā)射器結(jié)合起來發(fā)展的。下圖是一常 用的實驗裝置。,泵浦光束照射在THz發(fā)射器上(例如PCA天線發(fā)射器、光整流發(fā)射器)。發(fā) 射器產(chǎn)生的輻射是短電磁脈沖，持續(xù)時間在皮秒量級，頻率在THz量級。輻 射通常有一個或幾個周期，因

14、此帶寬很寬。THz光束被一對拋物面鏡聚焦到 EO晶體上，它改變了EO晶體折射率的橢球面。線偏振探測光束在晶體內(nèi)與 THz光束共線傳播，它的相位被折射率調(diào)制，而折射率已被THz脈沖的電場改 變。相位改變又經(jīng)偏振器(這里是Wollaston棱鏡)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化。通常使 用一對平行探測器來壓縮普遍的激光噪聲(在偏振器后面)。機(jī)械制動延遲線 改變THz脈沖和探測脈沖的時間延遲，通過掃描此時間延遲而得到THz電場波 形。為了提高靈敏度，被THz調(diào)制的探測信號由鎖相放大器提取。,2.自由空間電光技術(shù),近些年，很多自由空間技術(shù)都得到發(fā)展。下圖是自由空間電光取樣(FSEOS)THz測量的常用裝置。,超快激光脈

15、沖被分束片分為兩束光：泵浦光(強(qiáng)光束)和探測光束(弱光束)。,10.2 THz輻射光譜學(xué),是一個典型的THz時域光譜系統(tǒng)THz時域光譜系統(tǒng)，既可以做透射探測，也可以做反射探測，還可以在泵浦探測的方式下研究樣品的時間動力學(xué)性質(zhì)。對于不同的樣品、不同的測試要求可以采用不同的探測裝置。,利用THz脈沖可以分析材料的性質(zhì)，THz脈沖時域光譜系統(tǒng)是在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的，THz脈沖光譜儀利用鎖模激光器產(chǎn)生的超快激光脈沖，產(chǎn)生和探測THz脈沖。最常用的鎖模激光器是鈦寶石激光器，它能產(chǎn)生800nm附近的飛秒激光脈沖。 THz時域光譜系統(tǒng)是一種相干探測技術(shù)，能夠同時獲得THz脈沖的振幅信息和相位信息，通過對

16、時間波形進(jìn)行傅里葉變換，能直接得到樣品的吸收系數(shù)和折射率等光學(xué)參數(shù)。THz時域光譜有很高的探測信噪比和較寬的探測帶寬，探測靈敏度很高，可以廣泛應(yīng)用于多種樣品的探測。典型的THz時域光譜系統(tǒng)如下圖所示.,主要由飛秒激光器、THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射探測裝置和時間延遲控制系統(tǒng)組成。,飛秒激光器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過分束鏡后被分為兩束，一束激光脈沖經(jīng)過時間延遲系統(tǒng)后入射到THz輻射源上，產(chǎn)生THz輻射，另一束激光脈沖(探測脈沖)和THz脈沖一同入射到THz探測器件上，通過調(diào)節(jié)探測脈沖和THz脈沖之間的時間延遲探測THz脈沖的整個波形。,10.2.1 透射型THz時域光譜系統(tǒng),材料的光學(xué)常數(shù)是用來表征

17、材料宏觀光學(xué)性質(zhì)的物理量，是進(jìn)行其他各項研究工作的基礎(chǔ)，但一般材料在THz波段范圍內(nèi)已測得的光學(xué)常數(shù)的數(shù)據(jù)比較少，利用THz時域光譜技術(shù)可以很方便地提取出材料在THz波段范圍內(nèi)的光學(xué)常數(shù)。,T.D.Dorney和L.D.Duvillaret等人提出的THz時域光譜技術(shù)提取材料光學(xué)常數(shù)的模 型。實驗中THz時域光譜系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)是不隨時間改變的，同時要求所測的樣品結(jié) 構(gòu)均勻，兩平面拋光且保持平行。 一般地，可以利用復(fù)折射率 來描述樣品的宏觀光學(xué)性質(zhì)。其中n為折射率，為消光系數(shù)，一般它們都是頻率的函數(shù)。消光系數(shù)與吸收系數(shù)之間的關(guān)系為,10.2.2 反射型THz時域光譜系統(tǒng),反射型THz時域光譜系統(tǒng)

18、對于實驗技術(shù)上的要求比較高。這是因為掃描 參考信號時，在樣品架的位置應(yīng)該放上與樣品的表面結(jié)構(gòu)基本一樣的金屬反 射鏡，而且要求反射鏡的位置和樣品的位置嚴(yán)格復(fù)位。這就加大了樣品、樣 品架及用作參考的金屬反射鏡的制作難度。其參數(shù)提取方法與透射式光譜系 統(tǒng)有相似性。,電磁波與物質(zhì)相互作用時，在每個端面邊界上振幅變化由反射系數(shù)和透射系數(shù)決定，F(xiàn)resnel公式給出了其數(shù)值關(guān)系。,THz射線成像的基本原理是：利用THz成像系統(tǒng)把成像樣品的透射譜或反射譜所記錄的信息進(jìn)行處理和分析，得到樣品的THz圖像。,10.3 THz輻射成像,THz輻射作為一種電磁波和其他輻射一樣，可以作為物體成像的信號源。自從美國的H

19、u和Nuss等人在1995年首次建立起國際上第一套THz成像裝置以來，許多科學(xué)家相繼開展了電光取樣成像、層析成像、THz單脈沖時域場成像、近場成像等的研究。,10.3.1 THz射線成像的基本原理,包括振幅信息和相位信息的二維信息,利用反射掃描或透射掃描都可以成像，這主要取決于成像樣品及成像系統(tǒng) 的性質(zhì)。根據(jù)不同的需要，應(yīng)用不同的成像方法。,THz成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成與THz時域光譜相比，多了圖像處理裝置和掃 描控制裝置。,透射譜測量中經(jīng)常利用p波入射的情況下進(jìn)行實驗。當(dāng)然，利用s波進(jìn) 行實驗也是可行的，沒有多大的差別；,反射譜測量中，入射角度為0和90時p波和s波沒有差別，但是在其他角度s波的

20、反射率比p波大，因而從信號測量的角度講，反射譜測量應(yīng)該盡量利用s波進(jìn)行測量。,THz掃描成像的實驗裝置在THz時域光譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一對同軸 拋物面鏡。裝置如下圖所示。,10.3.2 THz掃描成像,此裝置通過一個x-y的移動臺來改變樣品的方位，從而使THz射線通過樣 品的不同點，記錄樣品不同位置的透射和反射信息，可以是振幅信息，也可以 是相位信息，或是兩者同時記錄。,此方法適用于比較精確測量但又不嚴(yán)格要求實時的樣品，不僅測量的結(jié)果分辨率比較高，而且信號強(qiáng)度較大，受背景噪聲的干擾小，信噪比高，可達(dá)10 000。但同時它也存在問題：它的掃描時間過長，不適合大樣品，不能對動態(tài)變化的信息進(jìn)行測

21、量和監(jiān)控。,10.3.3 THz實時成像,THz實時成像技術(shù)可以克服成像時間過長的缺點。把樣品放在一個4f成像系統(tǒng)中，同時使用CCD作為數(shù)據(jù)記錄裝置，裝置如下圖所示。,此系統(tǒng)可以對樣品進(jìn)行一次成像，而且可以對樣品進(jìn)行實時監(jiān)控。它沒 有數(shù)據(jù)采集上的限制，理論上可以實時采集，但是由于CCD的響應(yīng)速度的限制， 高靈敏度的CCD的響應(yīng)速度可達(dá)到70幀/s。盡管此法的信噪比較小，但如果與 單脈沖THz 成像相結(jié)合，將非常有前景。實時二維THz成像技術(shù)是真正意義上 的成像，利用CCD相機(jī)讀出THz信號，獲得對樣品的成像。,利用THz波束進(jìn)行實時二維成像的基本原理是：鈦寶石激光器經(jīng)分束鏡后一束光通過GaAs

22、半導(dǎo)體產(chǎn)生THz輻射，另一束作為讀出光束同步泵浦ZnTe晶體。THz輻射作用在ZnTe電光晶體后，相當(dāng)于在其上施加了瞬時偏置電壓，由此產(chǎn)生的線性電光效應(yīng)使晶體瞬時極化，這種極化又引起雙折射。正是這種雙折射對同步泵浦電光晶體的激光束產(chǎn)生調(diào)制。幅度被調(diào)制的輸出激光被相機(jī)CCD探測。,什么是4f成像系統(tǒng)？,這種自由空間光電THz成像技術(shù)的重要應(yīng)用之一是對運(yùn)動物體或活體成像。,THz波計算機(jī)輔助層析成像是一種新型層析成像形式，它利用了THz脈沖 和新的重構(gòu)計算方法。,10.3.4 THz層析成像,這種技術(shù)使THz成像能夠描繪被測物的三維結(jié)構(gòu)。T-CT系統(tǒng)從多個投影角度，直接測量寬波帶THz脈沖的振幅和

23、相位。利用過濾逆向投影算法可以從被測樣品中提取大量的信息，包括它的三維結(jié)構(gòu)和與頻率有關(guān)的遠(yuǎn)紅外光學(xué)性質(zhì)。,T-CT的基本原理源于X-CT，其裝置僅是現(xiàn)代透射模式THz成像系統(tǒng)的簡單擴(kuò)展。下圖是T-CT的原理示意圖。,待測樣品被放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，平臺能使其繞軸旋轉(zhuǎn)，并在每一個投影角度獲得二維(2D)THz圖像。應(yīng)用過濾逆向投影算法處理數(shù)據(jù)，通過逆adon變換可以重構(gòu)出樣品內(nèi)部每一點的折射率和吸收系數(shù)。寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,Radon變換假設(shè)了一種理想模型，即不考慮TCT系統(tǒng)中的衍射效應(yīng)和與傳 播方向有關(guān)的菲涅爾損耗。,遠(yuǎn)場成像受電磁波衍射的限制，瑞利斑大約是0.61/(nsin)，因此要想獲得更加細(xì)微的分辨率就要突破波長的限制，人們利用倏逝波的原理發(fā)展出了近場成像的理論。,10.3.5 THz近場成像,近場成像是提高THz成像空間分辨率的有效方法。很顯然，利用傳統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)近場成像是不可能的，因為物體會擋住探測光束，因此將系統(tǒng)改為反射結(jié)構(gòu)。如下圖所示,利用近場成像和“動態(tài)孔徑”的原理見下圖，可以使THz顯微成像的分辨率達(dá)到幾十微米。同時，THz光譜技術(shù)的信噪比很高，就振幅而言，已經(jīng)達(dá)到105。但從總體看來，THz技術(shù)研究仍然處于初級階段，尤其是在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用仍有很大困難，存在許多亟待解決的問題。