太赫茲波的產生與檢測

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

2、研究課題-THz電磁脈沖產生技術及應用受到了人們極大的關注。這是因為THz電磁脈沖正是由超短激光脈沖選通半導體光導開關后產生的，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)在很多基礎研究領域、工業(yè)應用領域及軍事領域中有相當重要的應用。因此，世界上很多研究機構相繼開展了該領域的深入研究，業(yè)已取得了很多重要成果。,第十章太赫茲波的產生與檢測,對本章的學習重點在于了解和理解太赫茲波基本名詞概念及應用,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代太赫 茲應用的最主要因素。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、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，屬于遠紅外波段，如下圖所示。,在20世紀80年代中期以前，由于缺乏有效的產生方法和檢測手段，科學家對于該波段電磁輻射性質的了解非常有限。近十幾年來，超快激光技術的迅速發(fā)展，為THz脈沖的產生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的產生和應用得到了蓬勃發(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、的應用前景。所以在過去的一個世紀里，很多 研究工作集中在開發(fā)窄波段的THz光源上。很多新的技術現在仍在發(fā)展中， 包括無線電波波源頻率上轉換和下轉換，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換技術， 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的。使用這種方法，頻率可以 高達2.7THz。氣體激光器是另一種常用的產生太赫茲的光源，在這種激光器 中，利用CO2激光器抽運一個低氣壓腔，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30mW的輸出功率。,1) 窄頻帶的太赫茲光源,大多數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。有幾種不同的機制發(fā)射太赫茲電磁波，包括在光電導天線中光 生載流子的加速、電光晶體中的二階非線性效應、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 均功率卻有瓦的數量級。利用光電導天線和光整流是最常見的兩種產生寬 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 光電導天線,光導體是產生THz電磁波的關鍵部件，性能良好的光

6、導體應該具有盡可能短的載流子壽命、高的載流子遷移率和介質耐擊穿強度。天線結構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:光導體、天線的幾何結構和泵浦激光脈沖寬度。,光電導的方法是利用高速的光電導材料作為輻射天線提供瞬態(tài)電流。通 常的光電導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體上，并施加偏置電壓形成天線。在光電 導的天線中，發(fā)射太赫茲光束的機理是超快的激光光束在光電導材料中產生 電子-空穴對，自由載流子在偏置電場中被加速，產生瞬變的光電流。這種快 速的、隨時間變化的電

7、流會輻射電磁波。 光電導機制是利用超短激光脈沖泵浦光導材料(如GaAs等半導體)，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動，從而輻射出電磁波，如下圖所示。,兩個光束在線性介質中可以獨立傳播，而不改變各自的振蕩頻率。但是 在非線性介質中，兩個單色光束將發(fā)生混合，從而產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生的另一種機制，它是電光效應的逆過程。,當一束高強度的單色激光在非線性介質中傳播時，它會在介質內部通過差頻振蕩效應激發(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，但在介質內部建立一個直流電場。這種現象稱為光學整流效應，它是最早發(fā)現的非線性光學效應之一。,根據傅里葉變換理論，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的色散特性。但非線性介質中，這些單色波分量不再獨 立傳播，它們之間將發(fā)生混合。和頻振蕩效應產生頻率接近于二次諧波的光 波，而差頻振蕩效應則產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)展為光學整流效應的研究和應用開辟了新的途

9、徑。,下圖給出了脈沖激光光整流效應的原理。,光整流技術最早是在利用LiNbO3產生遠紅外輻射的過程中來實現的。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_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象產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。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、這種光整流效應被稱為亞皮秒光整流效應，或稱為太赫茲光整流效應。,用光電導天線輻射的THz電磁波能量通常比用光整流產生的THz波能量強。因為光整流效應產生的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，這可以通過調節(jié)外加電場的大小來獲得能量較強的THz波。,光電導天線產生的THz電磁波的頻率較低，而光整流產生的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在超導態(tài)和正常態(tài)之 間的轉變，應用超導技術，已研制成功了非常靈敏的熱輻射測量儀。干涉儀 技術也可以用來直接得到光譜信息，最近的研究還實現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磁場 中，得到其他方法所不能達到的靈敏度。盡管測量的速度現在仍被限制在 1ms左右，但目前已經有人提出了高速探測的設想，并且這將在太赫茲探測 領域引發(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。電光效應是低頻電場(太赫茲脈沖)和激光束(光學脈沖)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，此頻率下轉換的信號就被放大和測量。高靈敏度的超導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.光電導取樣,光電導探測天線的幾何結構是 由Grischkowsky發(fā)明的，如右圖所 示。它可以由藍寶石上輻射損傷的 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門控探測技術的THz場。,光束由分光鏡一分為二：未聚焦的較強光束照射光導發(fā)射器的表面，并被一機械斬波器調制；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體上，約5mm大小的光斑。,光電導取樣是和光電導天線(PCA)發(fā)射器結合起來發(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與 THz光束共線傳播，它的相位被折射率調制，而折射率已被THz脈沖的電場改 變。相位改變又經偏振器(這里是Wollaston棱鏡)轉化為強度變化。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調制的探測信號由鎖相放大器提取。,2.自由空間電光技術,近些年，很多自由空間技術都得到發(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(強光束)和探測光束(弱光束)。,10.2 THz輻射光譜學,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性質。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，THz脈沖時域光譜系統(tǒng)是在20世紀90年代出現的，THz脈沖光譜儀利用鎖模激光器產生的超快激光脈沖，產生和探測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，能夠同時獲得THz脈沖的振幅信息和相位信息，通過對

16、時間波形進行傅里葉變換，能直接得到樣品的吸收系數和折射率等光學參數。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。,飛秒激光器產生的激光脈沖經過分束鏡后被分為兩束，一束激光脈沖經過時間延遲系統(tǒng)后入射到THz輻射源上，產生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),材料的光學常數是用來表征

17、材料宏觀光學性質的物理量，是進行其他各項研究工作的基礎，但一般材料在THz波段范圍內已測得的光學常數的數據比較少，利用THz時域光譜技術可以很方便地提取出材料在THz波段范圍內的光學常數。,T.D.Dorney和L.D.Duvillaret等人提出的THz時域光譜技術提取材料光學常數的模 型。實驗中THz時域光譜系統(tǒng)的響應函數是不隨時間改變的，同時要求所測的樣品結 構均勻，兩平面拋光且保持平行。 一般地，可以利用復折射率 來描述樣品的宏觀光學性質。其中n為折射率，為消光系數，一般它們都是頻率的函數。消光系數與吸收系數之間的關系為,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，在樣品架的位置應該放上與樣品的表面結構基本一樣的金屬反 射鏡，而且要求反射鏡的位置和樣品的位置嚴格復位。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。其參數提取方法與透射式光譜系 統(tǒng)有相似性。,電磁波與物質相互作用時，在每個端面邊界上振幅變化由反射系數和透射系數決定，Fresnel公式給出了其數值關系。,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。根據不同的需要，應用不同的成像方法。,THz成像系統(tǒng)的基本構成與THz時域光譜相比，多了圖像處理裝置和掃 描控制裝置。,透射譜測量中經常利用p波入射的情況下進行實驗。當然，利用s波進 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，反射譜測量應該盡量利用s波進行測量。,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格要求實時的樣品，不僅測量的結果分辨率比較高，而且信號強度較大，受背景噪聲的干擾小，信噪比高，可達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)變化的信息進行測

21、量和監(jiān)控。,10.3.3 THz實時成像,THz實時成像技術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作為數據記錄裝置，裝置如下圖所示。,此系統(tǒng)可以對樣品進行一次成像，而且可以對樣品進行實時監(jiān)控。它沒 有數據采集上的限制，理論上可以實時采集，但是由于CCD的響應速度的限制， 高靈敏度的CCD的響應速度可達到70幀/s。盡管此法的信噪比較小，但如果與 單脈沖THz 成像相結合，將非常有前景。實時二維THz成像技術是真正意義上 的成像，利用CCD相機讀出THz信號，獲得對樣品的成像。,利用THz波束進行實時二維成像的基本原理是：鈦寶石激光器經分束鏡后一束光通過GaAs

22、半導體產生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，相當于在其上施加了瞬時偏置電壓，由此產生的線性電光效應使晶體瞬時極化，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生調制。幅度被調制的輸出激光被相機CCD探測。,什么是4f成像系統(tǒng)？,這種自由空間光電THz成像技術的重要應用之一是對運動物體或活體成像。,THz波計算機輔助層析成像是一種新型層析成像形式，它利用了THz脈沖 和新的重構計算方法。,10.3.4 THz層析成像,這種技術使THz成像能夠描繪被測物的三維結構。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，包括它的三維結構和與頻率有關的遠紅外光學性質。,T-CT的基本原理源于X-CT，其裝置僅是現代透射模式THz成像系統(tǒng)的簡單擴展。下圖是T-CT的原理示意圖。,待測樣品被放置在旋轉平臺上，平臺能使其繞軸旋轉，并在每一個投影角度獲得二維(2D)THz圖像。應用過濾逆向投影算法處理數據，通過逆adon變換可以重構出樣品內部每一點的折射率和吸收系數。寫成數學表達式為：,Radon變換假設了一種理想模型，即不考慮TCT系統(tǒng)中的衍射效應和與傳 播方向有關的菲涅爾損耗。,遠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)幾何結構實現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)改為反射結構。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到幾十微米。同時，THz光譜技術的信噪比很高，就振幅而言，已經達到105。但從總體看來，THz技術研究仍然處于初級階段，尤其是在生物醫(yī)學方面的應用仍有很大困難，存在許多亟待解決的問題。