太赫茲時(shí)域光譜

1、太赫茲時(shí)域光譜&太赫茲在物理學(xué)中的應(yīng)用太赫茲時(shí)域光譜太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）技術(shù)特性： （1）THz -TDS 系統(tǒng)對(duì)黑體輻射不敏感，在小于 3 太赫茲時(shí)信噪比可高達(dá)104，其穩(wěn)定性也比較好。 （2）由于 THz -TDS 技術(shù)可以有效的探測(cè)材料在太赫茲波段的物理和化學(xué)信息，所以它可以用于進(jìn)行定性的鑒別工作，同時(shí)它還是一種無(wú)損探測(cè)的方法。 （3）利用 THz -TDS 技術(shù)可以方便、快捷的得到多種材料如電介質(zhì)材料、半導(dǎo)體材料、氣體分子、生物大分子（蛋白質(zhì)、DNA 等）以及超導(dǎo)材料等的振幅和相位信息。 （4）在導(dǎo)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(cè)量比基于 Hall 效應(yīng)進(jìn)行的測(cè)量更方便、有效。而且，THz -TDS 技術(shù)已經(jīng)在半導(dǎo)體和超導(dǎo)體材料的載流子測(cè)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(shù)進(jìn)行時(shí)間分辨的測(cè)量。 另外，THz-TDS 技術(shù)還具有寬帶寬、探測(cè)靈敏度高，以及能在室溫下穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn)，所以它可以廣泛地應(yīng)用于樣品的探測(cè)。太赫茲時(shí)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(jiàn)的為透射式和反射式THz-TDS系統(tǒng)。典型的太赫茲時(shí)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(yīng)的探測(cè)裝置，以及

3、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)組成。飛秒激光脈沖經(jīng)過(guò)分束鏡后被分為泵浦脈沖和探測(cè)脈沖，前者經(jīng)過(guò)時(shí)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(cè)裝置上，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)太赫茲探測(cè)裝置。而后通過(guò)控制時(shí)間延遲系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)泵浦脈沖和探測(cè)脈沖之間的時(shí)間延遲，最終可以探測(cè)出太赫茲脈沖的整個(gè)時(shí)域波形。然后通過(guò)傅立葉變換就可以得到被測(cè)樣品的吸收系數(shù)和折射率等光學(xué)參數(shù)。其他探測(cè)方法 THz-TDS技術(shù)還包括太赫茲發(fā)射光譜技術(shù)以及泵浦-探測(cè)技術(shù)，還有基于連續(xù)波（CW）太赫茲輻射的互相關(guān)THz -TDS技術(shù)。太赫茲發(fā)射光譜技術(shù)是直接探測(cè)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(guān)于瞬態(tài)電流強(qiáng)度或極化強(qiáng)度的信息。通過(guò)直接測(cè)量太赫茲脈沖輻射可以研究樣品中的超快過(guò)程，從而得到樣品的各種性質(zhì)。這種技術(shù)用于研究量子結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體表面、冷等離子體、磁場(chǎng)在載流子動(dòng)力學(xué)中的影響等等。泵浦-探測(cè)技術(shù)是利用延遲的太赫茲脈沖來(lái)探測(cè)樣品，研究樣品在強(qiáng)超短激光脈沖激發(fā)下的反應(yīng)函數(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是基于透射式型譜系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，所不同的是在樣品上加上一束激發(fā)光。利用此項(xiàng)技術(shù)可以成功的研究半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、和液體中的載流子動(dòng)力學(xué)。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的應(yīng)用THz-TDS技術(shù)可以用來(lái)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(fù)折射率。

5、非平衡系統(tǒng)主要是通過(guò)研究太赫茲脈沖的波形來(lái)獲取材料樣品中的電流強(qiáng)度或極化強(qiáng)度的瞬態(tài)變化。另外，正如前文所述，利用THz-TDS技術(shù)還可以研究半導(dǎo)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(shí)域光譜技術(shù)的太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)更有其廣袤的應(yīng)用領(lǐng)域和美好的應(yīng)用前景。太赫茲在物理學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展機(jī)遇太赫茲不僅在量子相干和量子控制實(shí)驗(yàn)中占有重要的位置，而且它還是研究局部效應(yīng)（localization effect）、非線性光學(xué)中的單周期脈沖等基礎(chǔ)光學(xué)物理的理想之選。目前，隨著高分辨率的連續(xù)波測(cè)量和時(shí)域測(cè)量等太赫茲光

6、譜技術(shù)的逐步提高，在很大程度上擴(kuò)展了太赫茲在天體物理和大氣科學(xué)中的應(yīng)用范圍。此外，太赫茲技術(shù)還可以研究在極端條件下如火焰、等離子體中的物質(zhì)。隨著超快光學(xué)的不斷發(fā)展，人們利用太赫茲光譜技術(shù)來(lái)控制和表征在亞波長(zhǎng)、壓皮秒量級(jí)的電磁場(chǎng)的能力也不斷增強(qiáng)。隨著太赫茲脈沖強(qiáng)度和帶寬的不斷增加，研究人員相信該領(lǐng)域必將出現(xiàn)很多新的機(jī)遇。例如，在高于 1MV/cm 的場(chǎng)強(qiáng)中，太赫茲脈沖不僅能夠進(jìn)行探測(cè)，而且還能激發(fā)氣相和溶液中的離子態(tài)。從而可以對(duì)一些基礎(chǔ)性問(wèn)題進(jìn)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(shù)還為識(shí)別周圍環(huán)境中復(fù)雜的有機(jī)分子提供了新的方法。利用整形過(guò)

7、后的強(qiáng)太赫茲脈沖可以來(lái)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(wèn)題。太赫茲在光物理中的基礎(chǔ)研究隨機(jī)介質(zhì)中的電磁波傳播 利用光子研究隨機(jī)介質(zhì)中的安德森局域化問(wèn)題是光物理中的一項(xiàng)長(zhǎng)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(yīng)。在太赫茲波段，人們可以得到材料很好的光學(xué)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(jī)介質(zhì)中的局域化效應(yīng)。正是因?yàn)樘掌澯斜姸嗟奶匦裕运茄芯恐厣⑸洳ê筒涞睦硐肫脚_(tái)，而這些問(wèn)題在醫(yī)療光學(xué)、地球物理學(xué)等許多物理科學(xué)領(lǐng)域都會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)的。太赫茲能夠以亞波長(zhǎng)的空間分辨率、亞周期的時(shí)間

8、分辨率來(lái)對(duì)復(fù)雜的波陣面進(jìn)行相干測(cè)量。另外，利用太赫茲還可以對(duì)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和場(chǎng)相關(guān)性進(jìn)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(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料。電磁波在其傳播時(shí)，波矢k、電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H之間的關(guān)系符合左手定律。目前研究人員對(duì)于這類材料的研究還集中在微波波段。但人們會(huì)很自然把這一想法擴(kuò)展到其他頻段，而太赫茲波段理所應(yīng)當(dāng)?shù)膶儆谧罴训暮蜻x波段。如果在導(dǎo)體內(nèi)加入雜質(zhì)，電子在傳導(dǎo)時(shí)會(huì)被這些雜質(zhì)散射，多重散射波則發(fā)生互相干擾，結(jié)果能導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)停止，金屬的導(dǎo)電性消失，呈現(xiàn)出絕緣體的性質(zhì)。太赫茲在光物理中的基礎(chǔ)研究近場(chǎng)電磁效應(yīng) 近場(chǎng)輻射的相干探測(cè)為人們提供了電磁波近場(chǎng)的許多重要信息。在真空環(huán)境中，

9、電磁波的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量具有固定的關(guān)系，但是在近場(chǎng)條件下，這一關(guān)系就會(huì)變得極為復(fù)雜。磁光學(xué)能夠讓研究人員直接測(cè)量靜磁場(chǎng)，這對(duì)于研究一維磁場(chǎng)所激發(fā)的樣品具有重要的意義。利用太赫茲技術(shù)不但可以測(cè)量近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)這兩個(gè)極限，而且還可以測(cè)量它們之間的過(guò)渡區(qū)域。由此也會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)人們對(duì)近場(chǎng)測(cè)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?。在頻率極寬的情況下，緩變振幅近似也就不再適用了。這對(duì)于飛秒光學(xué)領(lǐng)域是十分重要的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)鎖模技術(shù)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(wèn)題沒(méi)有得以解決。上述這些使得利用太赫茲技術(shù)來(lái)研究單周期脈沖變得十分有意義，因?yàn)樵谔掌澰擃l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(xué)問(wèn)題的最佳模型。已經(jīng)有許多實(shí)驗(yàn)證明了太赫茲輻射在這項(xiàng)研究中的可用性，如在里德伯原子中產(chǎn)生和探測(cè)任意的電子波包。對(duì)于這項(xiàng)研究工作，半周期的太赫茲脈沖是十分重要的，因?yàn)樗哂袑拸V的光譜范圍，所以可以同時(shí)和上百個(gè)里德伯能級(jí)發(fā)生相互作用。實(shí)際上半周期脈沖已經(jīng)被用來(lái)分析波包的動(dòng)量分量了，通過(guò)它不僅可以分析量子軌道、量子色散，而且還可以對(duì)本征函數(shù)

11、的動(dòng)量分布進(jìn)行測(cè)量。從這一研究之中得出了一個(gè)有趣概念，那就是波包的脈沖（沖擊）電離，這一新的電離機(jī)制與散射電離有點(diǎn)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(jié)構(gòu)，這使得它成為進(jìn)行量子信息處理的佳選之一。為了能夠進(jìn)行量子信息處理，研究人員利用太赫茲輻射以多種方式來(lái)對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控。例如采用太赫茲脈沖來(lái)搜索一個(gè)量子數(shù)據(jù)庫(kù)，在該實(shí)驗(yàn)當(dāng)中脈沖引發(fā)了數(shù)據(jù)庫(kù)中的模間干涉，而這種干涉可以使得相位信息轉(zhuǎn)化成為振幅信息。極端條件下的物質(zhì)探測(cè)采用高強(qiáng)度飛秒激光激發(fā)的等離子體存有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值。比如它能產(chǎn)生軟X射線脈沖、相干諧波，以及構(gòu)成基于等離子體的加速器等。從基礎(chǔ)研究的角度來(lái)看，人們就能夠探測(cè)物質(zhì)和極強(qiáng)電磁場(chǎng)之間的相互作用，這種電磁場(chǎng)一般比原子中束縛電子的電場(chǎng)要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。最近的研究工作表明這種等離子體可以成為太赫茲強(qiáng)場(chǎng)的輻射源。激光和物質(zhì)相互作用之后