太赫茲時域光譜

1、太赫茲時域光譜&太赫茲在物理學中的應用太赫茲時域光譜太赫茲時域光譜技術的優(yōu)勢太赫茲時域光譜（THz-TDS）技術特性： （1）THz -TDS 系統(tǒng)對黑體輻射不敏感，在小于 3 太赫茲時信噪比可高達104，其穩(wěn)定性也比較好。 （2）由于 THz -TDS 技術可以有效的探測材料在太赫茲波段的物理和化學信息，所以它可以用于進行定性的鑒別工作，同時它還是一種無損探測的方法。 （3）利用 THz -TDS 技術可以方便、快捷的得到多種材料如電介質材料、半導體材料、氣體分子、生物大分子（蛋白質、DNA 等）以及超導材料等的振幅和相位信息。 （4）在導電材料中，太赫茲輻射能夠直接反映載流子的信息，THz

2、 -TDS 的非接觸性測量比基于 Hall 效應進行的測量更方便、有效。而且，THz -TDS 技術已經(jīng)在半導體和超導體材料的載流子測量和分析中發(fā)揮出了重要的作用。 （5）由于太赫茲輻射的瞬態(tài)性，可以利用 THz -TDS 技術進行時間分辨的測量。 另外，THz-TDS 技術還具有寬帶寬、探測靈敏度高，以及能在室溫下穩(wěn)定工作等優(yōu)點，所以它可以廣泛地應用于樣品的探測。太赫茲時域光譜系統(tǒng) THz-TDS系統(tǒng)可分為透射式、反射式、差分式、橢偏式等，其中最常見的為透射式和反射式THz-TDS系統(tǒng)。典型的太赫茲時域光譜系統(tǒng)典型的THz-TDS系統(tǒng)主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產(chǎn)生裝置及相應的探測裝置，以及

3、時間延遲控制系統(tǒng)組成。飛秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡后被分為泵浦脈沖和探測脈沖，前者經(jīng)過時間延遲系統(tǒng)后入射到太赫茲輻射產(chǎn)生裝置上激發(fā)產(chǎn)生太赫茲脈沖，后者和太赫茲脈沖一同共線入射到太赫茲探測裝置上，以此來驅動太赫茲探測裝置。而后通過控制時間延遲系統(tǒng)來調節(jié)泵浦脈沖和探測脈沖之間的時間延遲，最終可以探測出太赫茲脈沖的整個時域波形。然后通過傅立葉變換就可以得到被測樣品的吸收系數(shù)和折射率等光學參數(shù)。其他探測方法 THz-TDS技術還包括太赫茲發(fā)射光譜技術以及泵浦-探測技術，還有基于連續(xù)波（CW）太赫茲輻射的互相關THz -TDS技術。太赫茲發(fā)射光譜技術是直接探測由樣品所激發(fā)產(chǎn)生的太赫茲脈沖輻射。由前文可知，樣品

4、在被超短飛秒脈沖激發(fā)之后所輻射出的太赫茲脈沖包含了關于瞬態(tài)電流強度或極化強度的信息。通過直接測量太赫茲脈沖輻射可以研究樣品中的超快過程，從而得到樣品的各種性質。這種技術用于研究量子結構、半導體表面、冷等離子體、磁場在載流子動力學中的影響等等。泵浦-探測技術是利用延遲的太赫茲脈沖來探測樣品，研究樣品在強超短激光脈沖激發(fā)下的反應函數(shù)。該項技術是基于透射式型譜系統(tǒng)發(fā)展而來的，所不同的是在樣品上加上一束激發(fā)光。利用此項技術可以成功的研究半導體、超導體、和液體中的載流子動力學。太赫茲時域光譜技術的應用THz-TDS技術可以用來研究平衡系統(tǒng)和非平衡系統(tǒng)。平衡系統(tǒng)主要是獲取材料樣品的在太赫茲波段的復折射率。

5、非平衡系統(tǒng)主要是通過研究太赫茲脈沖的波形來獲取材料樣品中的電流強度或極化強度的瞬態(tài)變化。另外，正如前文所述，利用THz-TDS技術還可以研究半導體電性的非接觸特性、鐵電晶體和光子晶體的介電特性、生物分子中小的生物分子之間的分子間相互作用以及生物大分子的低頻特性等等。而基于太赫茲時域光譜技術的太赫茲時域光譜成像技術更有其廣袤的應用領域和美好的應用前景。太赫茲在物理學中的應用發(fā)展機遇太赫茲不僅在量子相干和量子控制實驗中占有重要的位置，而且它還是研究局部效應（localization effect）、非線性光學中的單周期脈沖等基礎光學物理的理想之選。目前，隨著高分辨率的連續(xù)波測量和時域測量等太赫茲光

6、譜技術的逐步提高，在很大程度上擴展了太赫茲在天體物理和大氣科學中的應用范圍。此外，太赫茲技術還可以研究在極端條件下如火焰、等離子體中的物質。隨著超快光學的不斷發(fā)展，人們利用太赫茲光譜技術來控制和表征在亞波長、壓皮秒量級的電磁場的能力也不斷增強。隨著太赫茲脈沖強度和帶寬的不斷增加，研究人員相信該領域必將出現(xiàn)很多新的機遇。例如，在高于 1MV/cm 的場強中，太赫茲脈沖不僅能夠進行探測，而且還能激發(fā)氣相和溶液中的離子態(tài)。從而可以對一些基礎性問題進行研究，如溶液中太赫茲活性分子（THz-active molecules）的溶劑環(huán)境。太赫茲技術還為識別周圍環(huán)境中復雜的有機分子提供了新的方法。利用整形過

7、后的強太赫茲脈沖可以來研究經(jīng)典量子通信、量子算法、量子局域化以及量子混沌等許多量子問題。太赫茲在光物理中的基礎研究隨機介質中的電磁波傳播 利用光子研究隨機介質中的安德森局域化問題是光物理中的一項長期的研究。到目前為止，人們只在微波頻段觀察到了這種效應。在太赫茲波段，人們可以得到材料很好的光學特性。例如，人們可以獲得很高的介電常數(shù)（金屬鍺的 n 約等于 4）。因此，在太赫茲頻段很容易能夠觀察到三維隨機介質中的局域化效應。正是因為太赫茲有眾多的特性，所以它是研究重散射波和波漫射的理想平臺，而這些問題在醫(yī)療光學、地球物理學等許多物理科學領域都會經(jīng)常出現(xiàn)的。太赫茲能夠以亞波長的空間分辨率、亞周期的時間

8、分辨率來對復雜的波陣面進行相干測量。另外，利用太赫茲還可以對場統(tǒng)計學和場相關性進行直接研究。左手材料“左手材料”是指一種介電常數(shù)和磁導率同時為負值的材料。電磁波在其傳播時，波矢k、電場E和磁場H之間的關系符合左手定律。目前研究人員對于這類材料的研究還集中在微波波段。但人們會很自然把這一想法擴展到其他頻段，而太赫茲波段理所應當?shù)膶儆谧罴训暮蜻x波段。如果在導體內加入雜質，電子在傳導時會被這些雜質散射，多重散射波則發(fā)生互相干擾，結果能導致電子的運動停止，金屬的導電性消失，呈現(xiàn)出絕緣體的性質。太赫茲在光物理中的基礎研究近場電磁效應 近場輻射的相干探測為人們提供了電磁波近場的許多重要信息。在真空環(huán)境中，

9、電磁波的電場分量和磁場分量具有固定的關系，但是在近場條件下，這一關系就會變得極為復雜。磁光學能夠讓研究人員直接測量靜磁場，這對于研究一維磁場所激發(fā)的樣品具有重要的意義。利用太赫茲技術不但可以測量近場和遠場這兩個極限，而且還可以測量它們之間的過渡區(qū)域。由此也會進一步推動人們對近場測量的研究。單周期脈沖在太赫茲頻段中, 目前科研人員已經(jīng)能夠產(chǎn)生出單周期的脈沖，這也表明了太赫茲是研究寬頻輻射傳輸?shù)睦硐牍ぞ摺Ｔ陬l率極寬的情況下，緩變振幅近似也就不再適用了。這對于飛秒光學領域是十分重要的，因為通過鎖模技術得到的脈沖已經(jīng)可以窄到 1.5 倍周期左右。這種脈沖的傳輸、聚焦、變換和操作已經(jīng)和窄頻帶脈沖完全不同

10、，而且目前仍有許多問題沒有得以解決。上述這些使得利用太赫茲技術來研究單周期脈沖變得十分有意義，因為在太赫茲該頻段可以比較容易獲得高分辨的振幅和相位信息。量子相干和控制 量子數(shù) n=20 到 n=60 的里德伯原子正好覆蓋了太赫茲光譜頻段，所以它們是研究許多量子力學問題的最佳模型。已經(jīng)有許多實驗證明了太赫茲輻射在這項研究中的可用性，如在里德伯原子中產(chǎn)生和探測任意的電子波包。對于這項研究工作，半周期的太赫茲脈沖是十分重要的，因為它具有寬廣的光譜范圍，所以可以同時和上百個里德伯能級發(fā)生相互作用。實際上半周期脈沖已經(jīng)被用來分析波包的動量分量了，通過它不僅可以分析量子軌道、量子色散，而且還可以對本征函數(shù)

11、的動量分布進行測量。從這一研究之中得出了一個有趣概念，那就是波包的脈沖（沖擊）電離，這一新的電離機制與散射電離有點相類似，但是它與直流電離和光電離卻迥然不同。里德伯原子具有豐富的結構，這使得它成為進行量子信息處理的佳選之一。為了能夠進行量子信息處理，研究人員利用太赫茲輻射以多種方式來對量子態(tài)進行操控。例如采用太赫茲脈沖來搜索一個量子數(shù)據(jù)庫，在該實驗當中脈沖引發(fā)了數(shù)據(jù)庫中的模間干涉，而這種干涉可以使得相位信息轉化成為振幅信息。極端條件下的物質探測采用高強度飛秒激光激發(fā)的等離子體存有許多潛在的應用價值。比如它能產(chǎn)生軟X射線脈沖、相干諧波，以及構成基于等離子體的加速器等。從基礎研究的角度來看，人們就能夠探測物質和極強電磁場之間的相互作用，這種電磁場一般比原子中束縛電子的電場要大幾個數(shù)量級。最近的研究工作表明這種等離子體可以成為太赫茲強場的輻射源。激光和物質相互作用之后