第三章 太赫兹波的探测

第三章太赫兹波的探测就太赫兹波的研究领域来说，太赫兹信号的探测也是一项十分重要的内容。

由于目前太赫兹辐射源的发射功率较低，而且还耦合了相对较强的热背景噪声，所以要想探测太赫兹信号，就得用高灵敏度的探测手段才能得以实现。

在宽波段太赫兹信号的探测中，基于热吸收的直接探测方法是最常用的手段。

但是这些探测方法都需要通过冷却来降低热背景噪声。

而通常的冷却方法就是利用液氦（He）来实现，或者是用冷却式的硅（Si）、锗（Ge）和锑化铟（InSb）热辐射测量仪来进行测量。

热电的红外测量仪器在太赫兹的波段也是可以使用的。

利用铌（Ni）在超导态和正常态之间的转变，科研人员已经根据这种超导技术成功地研制出了非常灵敏的热辐射测量仪。

另外，利用干涉仪也可以直接测得THz光谱信息。

最近的单光子探测器就是利用干涉仪技术实现了对太赫兹光子的探测。

这种探测装置，利用包含一个量子点的单光子晶体管在强磁场中工作,得到了其他方法所不能达到的灵敏度。

尽管这种测量的速度现在仍被限制在1ms左右，但是已经有人提出了高速探测的设想，如果这个设想实现的话，它将会在太赫兹探测领域引发另一场革命。

在需要高光谱分辨率的太赫兹信号探测中，比较常用的是外差式探测器。

在这样的系统中，探测器中的振荡器会以太赫兹量级的频率进行振动，并与接收信号发生混合。

如果对信号进行频率下转换，信号就会被放大，并且对它就可以进行测量了。

在室温条件中，利用半导体技术产生太赫兹辐射是可行的。

而且利用平面肖特基二极管混频器来产生 2.5THz的太赫兹波技术，已经成功地应用于空间技术中了。

如果利用高灵敏度的超导外差式探测器的话，在探测的过程中需要对探测器进行冷却。

在空间技术领域，还有一些别的超导器件比较常用。

其中应用最广泛的就要数超导-绝缘体-超导（SIS, superconductor-insulator-superconductor）结混频器。

高温超导体(如YBCO)则可以应用于更宽波段的测量当中。

而对于太赫兹窄波段的测量，则可以使用各种窄波段探测器来实现,如等离子体场效应管，经研究证明，它的基频已经可达600GHz了。

太赫兹时域光谱（THz-TDS，Terahertz time－domain spectroscopy）系统中的太赫兹脉冲测量，需要使用相干探测器来实现。

最常用的两种相干探测方法是光电导取样和自由空间的电光取样，这两种方法都需要使用超快激光脉冲。

其中，电光效应是低频电场(太赫兹脉冲)和激光束(光学脉冲)在探测晶体中的耦合。

简单的张量分析表明,使用一块〈110〉取向的闪锌矿结构电光晶体（如ZnTe晶体），可以得到很高的探测灵敏度。

经过太赫兹电场调制探测晶体的折射率椭球，进而调制了通过探测晶体的探测光束的椭偏度。

探测光束的被调制的偏振状态，可以反映出包括太赫兹电场的大小和相位在内的光谱信息，从而达到探测太赫兹脉冲的目的。

使用超短激光脉冲(如<15fs)和薄的探测晶体(如<30μｍ)，也可以进行中红外波段的电光信号探测。

3.1脉冲太赫兹信号的探测3.1.1 光电导取样光电导取样是基于光导天线（PCA, photoconductive antenna）发射极发展起来的太赫兹脉冲信号探测技术。

为了探测太赫兹信号，首先将未加偏置的PCA放置在太赫兹光路中，并且利用一个光脉冲门控对其进行控制，而这个光脉冲门控与泵浦光有可调节的时间延迟关系。

门控(探测)脉冲能产生流过PCA的电流，并与电测量系统相连。

当太赫兹电场加在PCA上时，探测到的差分电流与T-射线电场成比例。

光探测脉冲的持续时间远远短于T-射线脉冲，所以通过改变两个光脉冲之间的时间延迟，就可以“取样”出T-射线的波形。

其中探测到的太赫兹信号是入射太赫兹脉冲与PCA响应函数的卷积。

在实际的光谱实验中，探测器和发射极的响应可以通过解卷积来求得，也将信号与参考脉冲正交化来求得。

最常用的光导天线是在低温生长的砷化镓（LT-GaAs）上制作的，PCA探测器的最大带宽约为2THz。

近年来，利用持续时间约为15fs的超快门控脉冲，可使探测带宽达到40 THz。

LT-GaAs PCAs可以通过双光子吸收过程而被1.55μm波长的光门控脉冲探测。

在太赫兹光激发和相关探测系统中，包括有锁模钛蓝宝石激光器，用它作为泵浦光束和探测光束的飞秒脉冲光源；大孔径光电导发射极和作为接收器的光电导偶极天线。

其中，可以在光路中加装硅透镜来提高收集效率。

图 3-1是常用产生和探测的实验装置。

光束经由分光镜一分为二，未经聚焦的较强光束照射在光导发射极的表面上，在此过程中会被一机械斩波器所调制；较弱的光束可用做探测器的时间开启控制，通过时间延迟，聚焦在偶极天线间隙光导体上约 5 mm 光斑。

各种放大的和非放大的飞秒激光器，包括有碰撞脉冲锁模环状染料激光器和自锁模钛蓝宝石激光器，都可以用来作为光导偶极天线发射的太赫兹脉冲的相干产生和探测的光源。

图3-1 太赫兹产生和探测实验装置示意图Grischkowsky 天线图 3-2 光电导偶极天线结构示意图。

具有自由空间电场，持续时间为皮秒的T-射线光斑给电极加上偏压。

飞秒探测脉冲激发瞬态光生载流子，形成电流，被电信号系统所探测。

电流正比于所加的太赫兹场。

如图3-2所示，这种几何结构的光电导探测天线，是由 D Grischkowsky 发明，所以以他的名字来命名这种天线为Grischkowsky 天线。

它可以由辐射损伤的蓝宝石上硅探测器(RD-SOS ，radiation-damaged silicon-on-sapphire) 或低温生长的砷化镓(LT-GaAs)晶片制得。

每一种材料都有极短的光生载流子寿命，这是使探测器响应的探测信号波形的卷积所必须的。

天线构件放置在 20 mm 长的共面传输线的中间，传输线由两条平行间距为 5μm ，长为10μm 的金属条组成。

聚焦太赫兹辐射，其电场在直接与锁相放大器相连的光导天线两极间5μm 的空隙产生瞬时偏压。

这个瞬时电压的强度和时间相关性，可以通过测量集电极电荷（平均电流）对入射太赫兹脉冲和光脉冲之间的相对延迟而获得。

光脉冲通过驱动限制在5μm 天线间隙的光导开关来同步门控探测器。

因此，辐射电场的时域波形可以通过激发脉冲和门控光脉冲之间的时间延迟而取样获得。

这样，系统的信噪比可超过103 。

由于RD-SOS 上的100µm 偶极天线响应时间大约是0.3-1 ps ， 被测量辐射脉冲的带宽受光导探测器的限制，其在几百GHz 频率响应最大。

最快的天线探测响应范围从近 DC 到 5 太赫兹。

探测器所测量得信号，利用锁相放大器和计算机数据采集系统，取平均和数字化，即可反映出太赫兹电场的大小和位相来。

()()()I dtE t n t ττ∞-∞∝-⎰ (3.1-1)3.1.2 自由空间电光取样技术最近几年，很多自由空间技术都得到发展。

在本节中，我们将讨论基于电光（EO ）效应的自由空间太赫兹电光取样技术，包括非线性晶体光整流和利用普克尔（Pockels ）效应的电光取样探测及其应用。

图3-3 是自由空间电光取样太赫兹测量的常用装置。

超快激光脉冲被分为两束：泵浦光束(强光束)和探测光束(弱光束)。

泵浦光束照射在太赫兹发射极上(例如光导天线发射极、光整流发射极等)。

发射极产生的辐射是短电磁脉冲，持续时间在皮秒量级，频率在太赫兹量级，即太赫兹辐射。

太赫兹辐射通常有一个或几个周期，因此带宽很宽。

太赫兹光束被一对抛物面镜准直后聚焦到电光晶体上，它改变了电光晶体折射率椭球。

线偏振探测光束在晶体内与太赫兹光束共线传播，它的相位被调制。

由于电光晶体的折射率被太赫兹脉冲电场改变。

探测光经过电光晶体时，其偏振状态发生变化，再经偏振分束镜（这里常用的是沃拉斯顿（Wollaston ）棱镜）分为s 偏振和p 偏振的两束，这两束光的光强差正比于太赫兹电场。

使用差分探测器可以将这两束光的光强差转换为电流差，从而探测到太赫兹电场随时间变化的时域光谱来。

机械电动延迟线改变太赫兹脉冲和探测脉冲的时间延迟，通过扫描此时间延迟而得到太赫兹电场波形。

为了提高灵敏度和压缩背景噪声，泵浦光束被一机械斩波器调制，利用标准的锁相探测技术，即可获得太赫兹电场振幅和相位的信息。

图3-3 自由空间电光取样(FS-EOS)的经典装置3.1.3 测量原理电光取样的原理如图3-4所示。

假定探测光束沿z 方向传播， x 和 y 是电光晶体的结晶轴。

当电光晶体上施加电场，电感应双折射轴 'x 和 'y 相对于 x 和 y 成45°。

如果入射光束是x 偏振，则输出光束可由下式得到： ()0cos sin cos sin exp 04444001sin cos sin cos 4444x y E E i E ππππδππππ⎛⎫⎛⎫- ⎪ ⎪⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(3.1-2) 其中 Γ+Γ=0δ 是 'x 和'y 方向偏振电场的相位差，包括动态(Γ, 太赫兹电场感生的)和静态(0Γ, 来自电光晶体和补偿器的固有或剩余双折射)相位差。

方程(3.1-2)中，x 和y 偏振光强度为：22002200cos 2sin 2x x y y I E I I E I Γ+Γ⎧==⎪⎪⎨Γ+Γ⎪==⎪⎩ (3.1-3) 其中 200E I =为入射光强度。

可看出 x I 和 y I 是有关系的，即 0I I I y x =+。

这是能量守恒的结果。

为了分别提取x 和y 偏振的光，通常使用Wollaston 棱镜。

静态相位项0Γ也称作光学偏置，常被设置为 2/π来进行平衡探测。

对于没有固有双折射的电光晶体（例如ZnTe ），通常用四分之一波片来提供此光学偏置。

因为电光取样的大多数情况下， 1<<Γ ，因此()()001212x y I I I I ⎧=-Γ⎪⎪⎨⎪=+Γ⎪⎩ (3.1-4) 两束光的信号具有相同的大小但是符号相反。

对于平衡探测，测量到 x I 和 y I的差别，给出信号0s y x I I I I =-=Γ (3.1-5) 信号正比于太赫兹感应的相位改变 Γ ，并且 Γ反过来与太赫兹脉冲的电场成比例。

对于<110> ZnTe 晶体，有下面的关系341dn E πγλΓ= (3.1-6)其中 d 是晶体厚度， n 是探测光束的折射率，λ 是波长, γ41 是电光系数， E是太赫兹脉冲的电场。

图3-4 电光取样的坐标系图3-5 所示的是自由传播的太赫兹脉冲的典型波形和它的频谱，这是利用大孔径光导天线做发射极，1 mm 厚<110> ZnTe 晶体做感应器通过自由空间电光取样测量的。