太赫兹时域光谱技术_孟田华.pdf

太赫兹时域光谱技术是最新的电磁波谱技术.作为近年来颇受关注的一个技术领域,太赫兹技术在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景.电磁波谱技术作为人类认识世界的工具,扩展了人们观察世界的能力.人眼借助于可见光可以欣赏五颜六色的世界,利用付利叶变换红外光谱技术和拉曼光谱技术等可以了解分子的振动和转动等性质,利用X射线衍射技术可以了解物质的结构信息 1.而太赫兹光谱技术作为新兴的光谱技术能够与红外、拉曼光谱技术形成互补,甚至在某些方面能够发挥不可替代的作用,从而成为本世纪科学研究的热点领域.太赫兹光谱技术不仅信噪比高,能够迅速地对样品组成的微细变化做出分析和鉴别,而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术,它能够对半导体、电介质薄膜及物体材料的物理信息进行快速准确的测量.太赫兹辐射(T H z辐射,1 T H z=1 01 2H z)在电磁波谱上位于微波和红外之间,属于远红外波段,如图1所示.图1太赫兹波段在电磁波谱中的示意图通常所研究的T H z辐 射 指 的 是 频 率 在0.1T H z 1 0T H z,即波长在3 0 m 3m m,波数在3.3c m-13 3 0 c m-1之间的电磁波段.现在,太赫兹时域光谱技术所发展的1 0 0G H z到3T H z之间的线性光谱学,为物质探测提供了巨大的灵活性.近十几年来,由于超快激光技术的迅速发展,这为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使太赫兹辐射的产生和应用得到进一步的发展 1,2.1太赫兹时域光谱技术的优势目前,国际上对太赫兹辐射已达成如下共识,即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源.太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域,给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇.它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用,首先是因为物质的太赫兹光谱(包括透射谱和反射谱)包含着非常丰富的物理和化学信息,所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义;其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有诸如瞬态性、宽带性、相干性、低能性等很多独特的性质,利用太赫兹脉冲可以分析材料的性质,其中太赫兹时域光谱(T H z-T D S)是一种非常有效的测试手段 2.T H z-T D S技术是太赫兹光谱技术的典型代表,出现于2 0世纪9 0年代,是一种新兴的、非常有效的相干探测技术.T H z-T D S技术有如下一些特性:太赫兹时域光谱技术孟田华1,2,赵国忠*1(1.首都师范大学物理系,北京1 0 0 0 3 7;2.山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同0 3 7 0 0 9)摘要:介绍了太赫兹时域光谱技术的优势,太赫兹时域光谱系统及太赫兹时域光谱技术的原理和应用.关键词:太赫兹电磁辐射时域光谱中图分类号:O 4 3 3.2文献标识码:A文章编号:1 6 7 4-0 8 7 4(2 0 0 7)0 3-0 0 1 4-0 4收稿日期:2 0 0 7-1 0-1 0作者简介:孟田华(1 9 8 0-),女,山西怀仁人,在读硕士,助教,研究方向:光电信息.*赵国忠,教授,通讯作者.第2 3卷第3期山西大同大学学报(自然科学版)V o l.2 3.N o.32 0 0 7年1 2月J o u r n a l o f S h a n x i D a t o n g U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)D e c.2 0 0 71)T H z-T D S系统对黑体辐射不敏感,在小于3 T H z时信噪比可高达1 04,这要远远高于傅立叶变换红外光谱技术,而且其稳定性也比较好.2)由于T H z-T D S技术可以有效地探测材料在太赫兹波段的物理和化学信息,所以它可以用于进行定性的鉴别工作,同时它还是一种无损探测方法.3)利用T H z-T D S技术可以方便、快捷地得到多种材料如电介质材料、半导体材料、气体分子、生物大分子(蛋白质、D N A等)以及超导材料等的振幅和相位信息.4)在导电材料中,太赫兹辐射能够直接反映载流 子 的 信 息,T H z-T D S的 非 接 触 性 测 量 比 基 于H a l l效应进行的测量更方便、有效.而且,T H z-T D S技术已经在半导体和超导体材料的载流子测量和分析中发挥出了重要的作用.5)由 于 太 赫 兹 辐 射 的 瞬 态 性,可 以 利 用T H z-T D S技术进行时间分辨的测量.另外,T H z-T D S技术还具有宽的带宽、探测灵敏度高,以及能在室温下稳定工作等优点,所以它可以广泛地应用于样品的探测.以上这些特点决定了太赫兹技术在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、生物领域、军事领域及国家安全中有重要的应用前景 3.2太赫兹时域光谱系统T H z-T D S系统是基于相干探测技术的太赫兹产生与探测系统,能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息,通过对时间波形进行傅立叶变换,能直接得到样品的吸收系数和折射率、透射率等光学参数 4.太赫兹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.T H z-T D S系统可分为透射式、反射式、差分式、椭偏式等,其中最常见的为透射式和反射式T H z-T D S系统.典型的T H z-T D S系统如图2所示,它主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置及相应的探测装置,以及时间延迟控制系统和数据采集与信号处理系统组成.目前,在T H z-T D S技术中常用来产生太赫兹脉冲的方法主要有3种:光导天线、半导体表面辐射和光整流,而相应的探测方法也主要有3种:热辐射计、光导开关和电光取样.图2典型的太赫兹时域光谱系统在太赫兹光谱系统中最常用的飞秒激光器是钛宝石锁模激光器,它能产生波长在8 0 0 n m左右的飞秒激光脉冲.飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为泵浦脉冲和探测脉冲,前者经过时间延迟系统后入射到太赫兹辐射产生装置上产生太赫兹脉冲,后者和太赫兹脉冲一同共线入射到太赫兹探测装置上,并以此来驱动太赫兹探测装置进行测量.通过控制时间延迟系统来调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟,最终可以探测出太赫兹脉冲的整个时域波形.通过傅立叶变换就可以得到被测样品的频域谱,从而获得其吸收系数和折射率、透射率等光学参数(见图2).太赫兹时域光谱系统的信噪比和动态范围,除了与太赫兹发射极的材料及辐射机理有关外,主要还取决于飞秒激光器的性能,而且太赫兹脉冲光谱仪的大小和费用也取决于飞秒激光器.又因为T H z-T D S系统主要有透射式和反射式两种,所以用它既可以作透射探测,也可以作反射探测.在实际应用中,可以根据不同的样品,不同的测试要求采用不同的探测方式.3太赫兹时域光谱技术原理3.1透射式太赫兹时域光谱技术如图2所示,在时域光谱系统中可测得含有样品信息的太赫兹透射脉冲Es a m(t)和不含样品信息的参考脉冲Er e f(t),然后分别对它们进行傅立叶变换,将它们转换到频域中的复值E!s a m(!)和E!r e f(!),可求出它们的比值为:山西大同大学学报(自然科学版)2 0 0 7年1 5E!s a m(!)E!r e f(!)=T(!)e x p-i,(!)-!cd$%=4 n&(!)n&(!)+12e x p-in&(!)-1!c$%d1-n&(!)-12n&(!)+12e x p-i 2n&(!)!cd(1)其中,n&(!)=n(!)-i k(!)是复折射率,T(!)为所测得的透射率,(!)表示固有的相移,而d和c则分别表示被测样品的厚度和真空中的光速 5.从实验中我们可以测得T(!)和,(!),然后由它们可以求出n(!)和k(!).根据所得到的复折射率,很容易能够将其转换为复相对介电常数(也可以是复介电常数)&(!)=1(!)-i 2(!),或者是复电导率#!(!)=$1(!)-i$2(!).它们之间的关系是%&(!)=n&2(!),$1(!)=0!2(!),$2(!)=-0!1(!)-(2)其中,为物质在足够高的频率条件下的介电常数,0为物质在自由空间的介电系数.太赫兹辐射频率也可以通过干涉测量法来测得,但是这种方法的缺点是只能测出振幅信息,而相位信息却丢失了,所以利用这种方法很难得到复折射率.3.2反射式太赫兹时域光谱技术如果被测样品是光厚介质(如重掺杂载流子的半导体)的话,那么则需要使用反射式T H z-T D S来对其进行测量.将从样品上和反射镜上所测得的脉冲信号Es a m(t)和Er e f(t)进行傅立叶变换后,可得到各自的复值E!s a m(w)和E!r e f(w).在垂直入射的条件下,它们的比值为E!s a m(!)E!r e f(!)=R(!)e x p-i,(!)Rr e f(!)e x p-i,r e f(!)=1-n&(!)1+n&(!)1+n&(!)1-n&r e f(!)(3)上式中n&r e f(!)表示反射镜的折射率.这里还要求反射镜的表面和样品放置在同一水平面上,稍微的错位就会导致相位变化很大,所以它们之间的误差要尽量减小到1 m以下.如果考虑样品内部多次反射的情况,则上式可变为:E!Rs a m(!)E!Rr e f(!)=n&(!)2-11-e x p-2 i!cn&(!)d$%n&(!)2+12n&(!)2-12e x p-2 i!cn&(!)dn&r e f(!)+12-n&r e f(!)-12e x p-2 i!cn&r e f(!)dn&r e f(!)2-11-e x p-2 i!cn&r e f(!)d$%(4)其中,在反射测量中的错位问题可以将T H z-T D S技术、衰减全反射(A T R)和椭圆计法结合起来予以解决 6.反射式T H z-T D S系统在实验技术上要求比较高.这是因为扫描参考信号时,样品架的位置应该放上与样品的表面结构基本一样的金属反射镜,而且要求反射镜的位置和样品的位置严格复位.这就加大了样品、样品架及用作参考的金属反射镜的制作难度.它的参数提取方法与透射式系统相比也有共通之处 7,8.3.3其他探测方法另外,T H z-T D S技术还包括泵浦探测技术以及 基 于 连 续 波(C W)太 赫 兹 辐 射 的 互 相 关T H z-T D S技术.太赫兹发射光谱技术是直接探测由样品所激发产生的太赫兹脉冲辐射方法.由前文可知,样品在被超短飞秒脉冲激发之后所辐射出的太赫兹脉冲包含了关于瞬态电流强度或极化强度的信息.通过直接测量太赫兹脉冲辐射可以研究样品中的超快过程,从而得到样品的各种性质.这种技术可以用于研究量子结构、半导体表面、等离子体、磁场在载流子动力学中的影响等等.泵浦探测技术是利用延迟的太赫兹脉冲来探测样品,研究样品在超短强激光脉冲激发下的反应函数,该项技术是基于透射式光谱系统发展而来的,所不同的是在样品上加一束激发光.此项技术可成功地用于半导体、超导体、和液体中载流子动力学的研究 9.4太赫兹时域光谱技术的应用T H z-T D S技术可以用来研究平衡系统和非平衡系统.对于平衡系统,主要是获取材料样品在太赫兹波段的复折射率;而对于非平衡系统,主要是通过研究太赫兹脉冲的波形来获取材料样品中的电流强度或极化强度的瞬态变化.根据不同的样品、2 0 0 7年孟田华等:太赫兹时域光谱技术1 6不同的测试要求可以采用不同的探测装置.另外,正如前文所述,利用T H z-T D S技术还可以研究半导体电性的非接触特性、铁电晶体和光子晶体的介电特性、生物分子中小的生物分子之间的分子间相互作用以及生物大分子的低频特性等等.而基于T H z-T D S技术的太赫兹时域光谱成像技术更有其广袤的应用领域和美好的应用前景 1 0.5总结和展望太赫兹时域光谱系统技术作为一种新兴的太赫兹技术,由于其独有的优点,使其在近十年间得到了快速的发展及广泛的应用.但是目前T H z-T D S技术的光谱分辨率与窄波段技术相比还很粗糙,其测量的频谱范围也比傅立叶变换光谱(F T S)技术小.提高光谱分辨率和扩大测量频谱范围将是未来T H z-T D S技术发展的主要方向.同时,现有的太赫兹时域光谱系统及成像系统的设备不仅价格昂贵,信息处理过程也很复杂,有待于进一步实用化.随着激光器成本的降低,更高效的太赫兹发射器和探测器的出现,以及更先进的光学设计,T H z-T D S技术将有着广阔的商业应用前景.为了在现场应用太赫兹技术,还要使太赫兹系统向微型化发展.最近,太赫兹时域光谱技术的频率测量范围已经从远红外扩展到近红外.太赫兹光谱技术探测和识别毒品、爆炸物等,太赫兹测距、太赫兹雷达、太赫兹天文学等,进行生物大分子的光谱学研究、医学光谱成像等等也有了很大的进展.在不远的将来,T H z-T D S技术将成为揭示和分析基础科学,如物理学、化学和生物学中的超快现象的强有力工具.参考文献 1 S c h m u t t e n m a e r C h a r l e s A.E x p l o r i n gD y n a m i c s i nt h eF a r-I n f r a r e dw i t hT e r a h e r t z S p e c t r o s c o p y J .C h e m i c a l r e v i e w s,2 0 0 4,1 0 4(4):1 7 5 9-1 7 7 9.2 J i a n g ZP,Z h a n g XC.T H z S e n s i n g a n dI m a g i n g T e c h n o l o g y M .s.l.:S p r i n g e r-V e r l a g,2 0 0 1.3 赵国忠.太赫兹光谱和成像应用及展望 J .现代科学仪器,2 0 0 6(2):3 6-3 7.4 C h e nQ,Z h a n g XC.U l t r a f a s t l a s s e r:T e c h n o l o g y a n dA p p 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T i me-d o ma i nS p e c t r o s c o p yM E N GT i a n-h u a1,2,Z H A OG u o-z h o n g1(1.D e p a r t m e n t o f P h y s i c s,C a p i t a l N o r m a l U n i v e r s i t y,B e i j i n g，1 0 0 0 3 7;2.S c h o o l o f P h y s i c s a n dE l e c t r o n i c s S c i e n c e,S h a n x i D a t o n gU n i v e r s i t y,D a t o n gS h a n x i,0 3 7 0 0 9)A b s t r a c t:T h e a d v e n g t a g e o f T e r a h e r t z T i m e-D o m a i nS p e c t r o s c o p y（T H z-T D S）t h eT H z-T D Ss y s t e m,t h ep r i n c i p l e s a n da p p l i c a-t i o no f T H z-T D St e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d.K e yw o r d s:T H z;e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n;t i m e-d o m a i ns p e c t r o s c o p y山西大同大学学报(自然科学版)2 0 0 7年1 7