光电检测技术10

10.2 THz辐射光谱学
利用THz脉冲可以分析材料的性质，THz脉冲时域光谱系统是在20世纪90年代出 现的，THz脉冲光谱仪利用锁模激光器产生的超快激光脉冲，产生和探测THz脉冲。 最常用的锁模激光器是钛宝石激光器，它能产生800nm附近的飞秒激光脉冲。 THz时域光谱系统是一种相干探测技术，能够同时获得THz脉冲的振幅信息和相 位信息，通过对时间波形进行傅里叶变换，能直接得到样品的吸收系数和折射率等 光学参数。THz时域光谱有很高的探测信噪比和较宽的探测带宽，探测灵敏度很高， 可以广泛应用于多种样品的探测。典型的THz时域光谱兹脉冲产生的另一种机制，它是电光效应的逆过程。 两个光束在线性介质中可以独立传播，而不改变各自的振荡频率。但是 在非线性介质中，两个单色光束将发生混合，从而产生和频振荡和差频振荡。 在出射光中，除了有与入射光相同频率的光波外，还有新的频率(例如和频) 的光波。 当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通 过差频振荡效应激发一个恒定(不随时间变化)的电极化场。恒定的电极化 场不辐射电磁波，但在介质内部建立一个直流电场。这种现象称为光学整 流效应，它是最早发现的非线性光学效应之一。 超短激光脉冲的发展为光学整流效应的研究和应用开辟了新的途径。 根据傅里叶变换理论，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加， 其频谱决定于该脉冲的中心频率和脉冲宽度。在线性介质中，因为每个单色 分量都可以独立传播，出射光的频谱和波形与入射光相比没有根本的变化， 其差别仅来源于介质的色散特性。但非线性介质中，这些单色波分量不再独 立传播，它们之间将发生混合。和频振荡效应产生频率接近于二次谐波的光 波，而差频振荡效应则产生一个低频振荡的电极化场，这种低频的电极化场 可以辐射出太赫兹波段的低频电磁波。
1) 窄频带的太赫兹光源 窄频带的光源对于高频谱分辨率测量的应用是十分重要的，在通信和极 宽频带的卫星通信上也有广泛的应用前景。所以在过去的一个世纪里，很多 研究工作集中在开发窄波段的THz光源上。很多新的技术现在仍在发展中， 包括无线电波波源频率上转换和下转换，THz激光和反向波管。主要用于发 射低功率(<100μＷ)连续太赫兹辐射的是低频微波振荡器的升频转换技术， 这些振荡器包括电压控制的振荡器和介电共振振荡器。升频转换的方法通常 是使用一个平面肖特基二极管倍增器链来实现的。使用这种方法，频率可以 高达2.7THz。气体激光器是另一种常用的产生太赫兹的光源，在这种激光器 中，利用CO2激光器抽运一个低气压腔，并在这种气体的某些发射谱线处形 成受激发射。这种光源不是连续可调的，而且通常需要大的气体腔和上千瓦 的能量输入，但这种方法可以得到高达30mW的输出功率。 2) 宽频带的太赫兹光源 大多数的宽波段脉冲太赫兹光源是由超短的激光脉冲对不同材料的激 发引起的。有几种不同的机制发射太赫兹电磁波，包括在光电导天线中光 生载流子的加速、电光晶体中的二阶非线性效应、等离子体振荡和电子非 线性传输线。但是目前这些方法的转换效率都很低，所以太赫兹光束的平 均功率只有纳瓦到微瓦的数量级，而作为激发太赫兹辐射的飞秒光源的平 均功率却有瓦的数量级。利用光电导天线和光整流是最常见的两种产生宽 频带脉冲太赫兹辐射的方法。
1.光电导取样 光电导取样是和光电导天线(PCA)发射器结合起来发展的。下图是一常 用的实验装置。
光束由分光镜一分为二：未聚 焦的较强光束照射光导发射器 的表面，并被一机械斩波器调 制；较弱的光束用做探测器的 控制光，通过时间延迟平台， 聚焦在偶极天线间的光导体上， 约5mm大小的光斑。
光电导探测天线的几何结构是 由Grischkowsky发明的，如右图所 示。它可以由蓝宝石上辐射损伤的 硅(RDSOS) 或低温生长的砷化镓 (LTGaAs)晶片制造。 具有自由空间电场，持续时间大的T射线光斑给电极加上偏压。飞秒 探测脉冲控制电极产生瞬态光载流子，形成瞬时电流，被安培计探测。 电流正比于所加图PCA门控探测技术的THz场。
第十章太赫兹波的产生与检测
10.1 概述 对本章的学习重点在于了解和理解 太赫兹波基本名词概念及应用
自从20世纪60年代初激光问世以来，科学家一直对超短激光脉冲、超快 过程及各种超快现象有浓厚的兴趣。如今，利用克尔透镜锁模钛宝石激光器 可产生短至5fs的激光脉冲。而超短激光脉冲的重要应用价值，因1999年诺贝 尔化学奖授予科学家艾哈迈德·泽维尔教授而得到人们更深切的关注。其实这 只是超短激光脉冲的成功应用之一，因为超短激光脉冲在诸如物理、生物、 医学、工业及军事领域都有广泛而现实的应用。 另一方面，除了激光脉冲，人们很早就发现，最早从核爆炸产生的强电 磁脉冲(脉宽在纳秒量级)对电子设备有极强的破坏力，由此引发了人们对超 短电磁脉冲的研究兴趣。 过去的几年间，该领域的一门新兴的研究课题--THz电磁脉冲产生技术 及应用受到了人们极大的关注。这是因为THz电磁脉冲正是由超短激光脉冲 选通半导体光导开关后产生的，而另外一个很重要的原因是这种电磁脉冲 (或称为太赫兹波、THz电磁辐射、T射线)在很多基础研究领域、工业应用领 域及军事领域中有相当重要的应用。因此，世界上很多研究机构相继开展了 该领域的深入研究，业已取得了很多重要成果。
是一个典型的THz时域光谱系统THz时域 光谱系统，既可以做透射探测，也可以 做反射探测，还可以在泵浦探测的方式 下研究样品的时间动力学性质。对于不 同的样品、不同的测试要求可以采用不 同的探测装置。
10.2.1 透射型THz时域光谱系统
材料的光学常数是用来表征材料宏观光学性质的物理量，是进行其他各项研究 工作的基础，但一般材料在THz波段范围内已测得的光学常数的数据比较少，利用 THz时域光谱技术可以很方便地提取出材料在THz波段范围内的光学常数。 T.D.Dorney和L.D.Duvillaret等人提出的THz时域光谱技术提取材料光学常数的模 型。实验中THz时域光谱系统的响应函数是不随时间改变的，同时要求所测的样品结 构均匀，两平面抛光且保持平行。 ~ 一般地，可以利用复折射率 n = n − jk 来描述样品的宏观光学性质。其中n为折 射率，κ为消光系数，一般它们都是频率的函数。消光系数与吸收系数之间的关系为
2.自由空间电光技术 近些年，很多自由空间技术都得到发展。下图是自由空间电光取样 (FSEOS)THz测量的常用装置。
超快激光脉冲被分束 片分为两束光：泵浦 光(强光束)和探测光 束(弱光束)。 泵浦光束照射在THz发射器上(例如PCA天线发射器、光整流发射器)。发 射器产生的辐射是短电磁脉冲，持续时间在皮秒量级，频率在THz量级。辐 射通常有一个或几个周期，因此带宽很宽。THz光束被一对抛物面镜聚焦到 EO晶体上，它改变了EO晶体折射率的椭球面。线偏振探测光束在晶体内与 THz光束共线传播，它的相位被折射率调制，而折射率已被THz脉冲的电场改 变。相位改变又经偏振器(这里是Wollaston棱镜)转化为强度变化。通常使 用一对平行探测器来压缩普遍的激光噪声(在偏振器后面)。机械制动延迟线 改变THz脉冲和探测脉冲的时间延迟，通过扫描此时间延迟而得到THz电场波 形。为了提高灵敏度，被THz调制的探测信号由锁相放大器提取。
THz(1012Hz)辐射通常指的是频率在0.1～10THz(波长在30μm～3mm)之间 的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，如下图所示。
在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和检测手段，科 学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近十几年来，超快激光技 术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐 射的产生和应用得到了蓬勃发展。 缺少高功率、低造价和便携式的室温工作的太赫兹光源是限制现代太赫 兹应用的最主要因素。但是，仍有很多光源可能成为太赫兹光源的潜在候选 者，在快速电子学、激光和材料研究中，每一种光源都有其独特的优点。这 些光源可以被粗略地分为：不相干的热辐射光源、宽波段脉冲(T－ray)光源 及窄波段的连续波光源。
10.1.1 光电导天线 光电导的方法是利用高速的光电导材料作为辐射天线提供瞬态电流。通 常的光电导材料包括高电阻率的GaAs、InP及放射法制造有缺陷的Si晶片。 金属电极被用于在这些光电导体上，并施加偏置电压形成天线。在光电 导的天线中，发射太赫兹光束的机理是超快的激光光束在光电导材料中产生 电子-空穴对，自由载流子在偏置电场中被加速，产生瞬变的光电流。这种快 速的、随时间变化的电流会辐射电磁波。 光电导机制是利用超短激光脉冲泵浦光导材料(如GaAs等半导体)，使在 其表面激发载流子，这些载流子在外加电场作用下加速运动，从而辐射出电 磁波，如下图所示。 THz电磁辐射发射 系统的性能决定于 3个因素:光导体、 天线的几何结构和 泵浦激光脉冲宽度。 光导体是产生THz电磁波的关键部件，性能良好的光导体应该具有尽可 能短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。天线结构通常 有基本偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线及大孔径光导天 线等
光整流技术最早是在利用LiNbO3产生远红外辐射的过程中来实现的。因 为光整流是将入射光束功率从光频耦合到太赫兹频段，这种耦合效率较低， 所以利用这种方法输出的太赫兹辐射的功率与光电导天线的方法相比较小， 但这种方法的优点在于可以输出更宽的辐射带宽，通常可以达到50THz。 用光电导天线辐射的THz电磁波能量通常比用光整流产生的THz波能量 强。因为光整流效应产生的THz波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量 ，而光电导天线辐射的THz波的能量主要来自天线上所加的偏置电场，这可 以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的THz波。 光电导天线产生的THz电磁波的频率较低，而光整流产生的THz电磁波 的频率较高。
下图给出了脉冲激光光整流效应的原理。
频率为ω0，宽度为r的脉冲激光照射到一个非 线性介质样品，脉冲激光的各个单色分量之间 会在样品中通过差频振荡现象产生一个随时间 变化的电极化场，这个随时间变化的电极化场 将辐射低频电磁波，其频率上限和入射激光脉 冲宽度有关。由于入射激光的脉冲宽度在亚皮 秒量级，辐射电磁波的频率上限约为太赫兹， 所以这种光整流效应被称为亚皮秒光整流效应， 或称为太赫兹光整流效应。