第3营就9胃 来y点来A Vna-2582699 太赫兹时域光谱与频域光谱研究综述 曹灿12，张朝晖1,2，赵小燕12，张寒23，张天尧12，于洋1.2 1,北京科技大学自动化学院，北京100083 2.北京市工业波谱成像工程技术研究中心，北京100083 3.北京科技大学计算机与通信工程学院，北京100083 摘要近年来太赫兹技术因其重要的理论研究价值和广泛的应用前景引起了科学界的普遍关注。太赫兹 光谱技术作为太赫兹科学发展的主要方向之一，可分为频域光谱与时域光谱两种，它的出现解决了太赫兹 波段下无法产生宽带辐射源的悉题。使得光谱学上存在的太林越断层得以填补，随着这项技术的发展，对太 林兹波段下物质特性的研究也逐步拓展到生物医学、材料、通信、安检为代表的各个领域。从产生原理、性 能特点 、应用领域等方面对两种光谱进行比较，进而阐述了两种太赫光谱的优缺点以及其应用优势 关键词太林兹光谱：频域：时域：发射器与探测器：性能特点：应用领域 中图分类号：0433文款标识码：R D01:1039641issn1000-0593(2018J09-2688-12 ,目前已经得到广泛应用。但直到近厂 引言 生产商推向国际市场，它的出现在一定程度上弥补了时域光 太赫兹(Tera Hertz)波一般指频率在QI~10THz之间 谱仪所存在的不足，并与时域光谱仪形成互补的态势。 的电磁波，其波长大概在Q03~一3mm范围内，介于微波与 红外之间，该波段在电磁波谱中所处位置特殊，相关理论介 1 太赫兹时域光谱 于宏观电磁学与微观光 学之 与传统光源料 比，太赫兹波具有群态性、低能性、宽带性以及相干性等首 太林装时域光谱是将Tera Hertz(THz)脉冲与样品发生 多独特的优势，同时，太赫兹波谐也因其极强的透射性、较 相互作用，测量作用后的THz电场强度随时间的变化曲线 高的分辨率及与生物大分子作用敏感等良好性能，被应用到 若需要，可对时域曲线进行傅里叶变换，计算出样品的類域 越来越多的领域当中 强度及相位信息 太赫兹辐射在19世纪已经为人们所发现。然而 ,由于 太赫兹时域光谱仪 直缺乏成熟稳定的辐射源和探测器，太赫兹谱段的物质特 进行太赫装时域光谱研究的基础平台装置为太熱兹时域 一直是科学界的“真空地带”。直到20世纪80年代，美国 光谱仪。典型的太赫数时域光谱仪由超快脉冲激光器、THz Bl实验室的Auston等发现了砷化镓光电导探测效应四， 发射器、THz探测碧及时间迟控制器等组成 太赫兹发射器和探测器进而相维出现，而一种可靠、稳定的 11 发射器 研究太赫兹谱段物质特性的科学工具 一太赫兹光技术也 这里所采用的太林兹发射器为宽带脉冲辐射源。目大 随即问世，为太赫兹的研究与探索提供了一个行之有效的习 多数宽带脉冲辐射源都是由超短激光脉冲激发半导体材料后 法。 产生的。光电导偶极天线技术与光学整流效应是最常见的两 从事太赫兹光谱技术研究的基础平台装置是太赫越光请 种方法 仪。早期出现的太赫兹光谱仪为时域光谱仪，在20世纪80 (1)光电导方洗 年代由AT&.T公司的BeI实验室和BM公司的Watson TI 20世纪90年代初，Auston和Grischkowsky等用光电 收热日期.2017-07-11.订日期，2017-11-28 基金项日：国家自然科学基金项日(61302007)，中国牌士后科学基金项日(2017M610771)和北京科技大学中央高校基本科研业务费专项资 金项日(FRF-BD-1G-O05A)资助 作者简介：曹灿，1992年生，北京科技大学控制科学与工程系博士研究生 女通讯联系人 e-mail. e-mail:18810699648g163com usth edu en
第３８卷 ，第９期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．９，ｐｐ２６８８－２６９９ ２０１８ 年 ９ 月 ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１８ 太赫兹时域光谱与频域光谱研究综述 曹 灿１，２，张朝晖１，２＊ ，赵小燕１，２，张 寒２，３，张天尧１，２，于 洋１，２ １．北京科技大学自动化学院，北京 １０００８３ ２．北京市工业波谱成像工程技术研究中心，北京 １０００８３ ３．北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 １０００８３ 摘 要 近年来太赫兹技术因其重要的理论研究价值和广泛的应用前景引起了科学界的普遍关注。太 赫 兹 光谱技术作为太赫兹科学发展的主要方向之一，可分为频域光谱与时域光谱两种。它的出现解决了太赫兹 波段下无法产生宽带辐射源的难题，使得光谱学上存在的太赫兹断层得以填补。随着这项技术的发展，对太 赫兹波段下物质特性的研究也逐步拓展到生物医学、材料、通信、安检为代表的各个领域。从产生原理、性 能特点、应用领域等方面对两种光谱进行比较，进而阐述了两种太赫兹光谱的优缺点以及其应用优势。 关键词 太赫兹光谱；频域；时域；发射器与探测器；性能特点；应用领域 中图分类号：Ｏ４３３ 文献标识码：Ｒ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１８）０９－２６８８－１２ 收稿日期：２０１７－０７－１１，修订日期：２０１７－１１－２８ 基金项目：国家自然科学基金项目（６１３０２００７），中国博士后科学基金项目（２０１７Ｍ６１０７７１）和北京科技大学中央高校基本科研业务费专项资 金项目（ＦＲＦ－ＢＤ－１６－００５Ａ）资助 作者简介：曹 灿，１９９２年生，北京科技大学控制科学与工程系博士研究生 ｅ－ｍａｉｌ：１８８１０６９９６４８＠１６３．ｃｏｍ ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｈａｏｈｕｉ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 引 言 太赫兹（ＴｅｒａＨｅｒｔｚ）波一般指频率在０．１～１０ＴＨｚ之间 的电磁波，其波长大 概 在０．０３～３ｍｍ 范 围 内，介 于 微 波 与 红外之间。该波段在电磁波谱中所处位置特殊，相 关 理 论 介 于宏观电磁学与微观光子学之间的过渡区［１］。与传统光源相 比，太赫兹波具有瞬态性、低 能 性、宽 带 性 以 及 相 干 性 等 许 多独特的优势。同时，太赫兹波谱也因其极强的透射性、较 高的分辨率及与生物大分子作用敏感等良好性能，被应用到 越来越多的领域当中。 太赫兹辐射在１９世纪已经为人们所发现。然而，由于一 直缺乏成熟稳定的辐射源和探测器，太赫兹谱段的物质特性 一直是科学 界 的“真 空 地 带”。直 到 ２０ 世 纪 ８０ 年 代，美 国 Ｂｅｌｌ实验室 的 Ａｕｓｔｏｎ等发现了砷化镓光电导探测效应［２］， 太赫兹发射器和探测器进而相继出现，而 一 种 可 靠、稳 定 的 研究太赫兹谱段物质特性的科学工具———太赫兹光谱技术也 随即问世，为太赫兹的研究与探索提供了一个行之有效的方 法。 从事太赫兹光谱技术研究的基础平台装置是太赫兹光谱 仪。早期出现的太赫兹光谱仪为时域光谱仪，在２０世 纪８０ 年代由 ＡＴ＆Ｔ公司的 Ｂｅｌｌ实验室和ＩＢＭ 公司的 ＷａｔｓｏｎＴＪ 研究中心研 制 出 来，目前已经得到广泛应用。但 直 到 近 几 年，太赫兹频域光 谱 仪 才 由 Ｔｏｐｔｉｃａ，Ｅｍｃｏｒｅ等 太 赫 兹 仪 器 生产商推向国际市场，它的出现在一定程度上弥补了时域光 谱仪所存在的不足，并与时域光谱仪形成互补的态势。 １ 太赫兹时域光谱 太赫兹时域光谱是将 ＴｅｒａＨｅｒｔｚ（ＴＨｚ）脉冲与样品发生 相互作用，测量作用后的 ＴＨｚ电场强度随时间的变化曲线。 若需要，可对时域曲线进行傅里叶变换，计算出样品的频域 强度及相位信息。 １．１ 太赫兹时域光谱仪 进行太赫兹时域光谱研究的基础平台装置为太赫兹时域 光谱仪。典型的太赫兹时域光谱仪由超快脉冲激光器、ＴＨｚ 发射器、ＴＨｚ探测器及时间延迟控制器等组成。 １．１．１ 发射器 这里所采用的太赫兹发射器为宽带脉冲辐射源。目前大 多数宽带脉冲辐射源都是由超短激光脉冲激发半导体材料后 产生的。光电导偶极天线技术与光学整流效应是最常见的两 种方法。 （１）光电导方法 ２０世纪９０年 代 初，Ａｕｓｔｏｎ和 Ｇｒｉｓｃｈｋｏｗｓｋｙ等 用 光 电
第9期 光诺学与光谱分析 2689 号偶极天线技术产生了TH电酸辐射脉冲：用光电导材 波的频率上限与入射激光的脉变有关，该现象被称为太赫 度通发的 置不 我流 提接侧置电场。 体 为辐射器 ,将储存的 释放出来，并过天线向自由空传错。如图】所 的形 表1光电导材料性能对比 Table 1 Perfo n of ph conductive material 带度 112 126 载流子考命/ 10 <1 击穿场强/MV·m-) 119 1a18 124 图1典型光电导天线装置 Fis 1 Sche of typical p nductive 超短澈光脉 电光品体 antenna device 鉴于弛豫时间的尺度范围，当激发光陈冲的脉宽在飞秘 Key J 尺府时。所描时的肤冲密度将位于皮秒量级。圈以太赫兹中 磁波为主的脉冲。这一电流脉冲在远场的太转兹辐射场强与 该电流脉冲的时间微分兵有相问的形式 图2光整流效应 其中A是光生载流 子照射的面积，是真空介电常数 Fig 2 Optical rectification effect 导偶极天线技术产 设N等因 (2 其中，X表示二阶非线性极化率，I()为极化电流的时变 生太赫装冲关健部件的光由 是路点的 细的载 函数。然而，实际使用的非钱性晶体在太赫兹波段吸收损和 ，这是因为光电导 线辐射太林 往往特别显著。现在将品体对太赫兹波吸收损耗考思远 去，则入射波到太林兹波能量转换效率可表示为 (3) 导天线发射电磁脉冲的能量主要来源于天线结构中储存的静 其中，0为太赫兹波的角颜率，d为有效非线性光学系数 电势能如果天线两端的置电压E越高， 太赫兹辐射的 1为入射光强，。为真空 中的介电常数，为真空中的光速 光电 L为非线性品体的长度，。为太赫波段品体的吸收系数 更高的编置电压 同样可以产生值点的陆记 和分别为入浙光和大赫波的折射常 时，低的带壁和尽可能短的载流子寿命又能通过影响光生 根据光整藏的效率梦艳式(3》知，性钞良好的非线料 自由电子的密度N来提高太赫兹辐射的场强，因此经常在 品体应且右较大的右效鞋线性光学系数、较小的吸收系斯 导体材料中引入适当浓度的缺陷，形成陷阱或复合中心以减 同时还要求品体具有较宽的诱光范围。较大的抗损伤圆值以 沙找流子的寿命 及良好的机械性能与物理化学性能。 常情况下，光电导天线材料一般选用S、掺C的 目前，常见的用于产生太赫兹被的非线性晶体有【 GaAs.掺Fe的InP等。其特性参数对比如表】所示。 b(),aAs,ZnTe和DAST等，相关的性质号数如表2所 (2)光整流方法 示 当两康光线在非线性介质中时，它们将发生湿合，从而 比较光电导和光整流这两种产生太精越脉冲的机制可 产生和频振荡与差频振荡现象，如果入射到非线性介质中的 知：用光电导天线辐射的太赫兹脉冲能量通常要比用光整流 是超短脉冲激光，由差频振荡效应会辐射出一个低频的电磁 效应所产生的太脉神的能量强。这是因为光整流效应 脉冲。当入射激光的脉宽在亚皮秒量级时，则辐射出的电磁 生的太赫兹波的能量仅仅来源于入射的激光冲能量，而光 脉冲的领率上限就会在太赫兹量级，这是因为所辐射的电磁 电导天线辐射的太转波能量则主要来自外加的偏置电场 994 2018 China Aeademie Journal Electronic Publishing Hous
导偶极天线技术产生了 ＴＨｚ电磁辐射脉冲［３－５］：用光电 导 材 料作为辐射天线，用光子能量大于半导体禁带宽度的超短脉 冲激光照射半导体材料，激发产生电子－空穴对；被激发的自 由载流子在外加偏置电场的作用下瞬时加速，产生电流强度 迅速增加的瞬态电流，将储存的静电势能以电磁脉冲的形式 释放出来，并通过天线向自由空间传播，如图１所示。 图１ 典型光电导天线装置 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｙｐｉｃａｌｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａｄｅｖｉｃｅ 鉴于弛豫时间的尺度范围，当激发光脉冲的脉宽在飞秒 尺度时，所辐射的脉冲宽度将位于皮秒量级，即 以 太 赫 兹 电 磁波为主的脉冲。这一电流脉冲在远场的太赫兹辐射场强与 该电流脉冲的时间微分具有相同的形式 ＥＴＨｚ ＝ １ ４πε０ Ａ ｃ２ ｚ Ｊ（ｔ） ｔ ＝ Ａｅ ４πε０ｃ２ ｚ Ｎ（ｔ） ｔ μＥｂ （１） 其中 Ａ 是光生载流子照射的面积，ε０ 是真空介电常数，ｃ是 真空光速，ｚ是测量点距太赫兹发射源的距离，Ｎ 是 光 生 自 由电子的密度，ｅ是 电 子 电 荷，μ是 电 子 的 迁 移 率，Ｅｂ 则 是 偏置电场的场强。通 过 式（１）可 知，光电导偶极天线技术产 生的太赫兹辐射场强的大小主要受电子迁移率μ、偏 置 电 场 场强Ｅｂ 以及光生自由电子的密度 Ｎ 等因素的影响。作为产 生太赫兹脉冲关键部件的光电导材料，其应具有高的载流子 迁移率，高的介质耐击穿强度，低的带隙和尽可能短的载流 子寿命。这是因为光电导天线辐射太赫兹波远场与光电导材 料载流子迁移率成正比（主要是电子迁移率μ），所 以 光 电 导 材料载流子迁移率越高，产生的太赫兹辐射峰值越高。光 电 导天线发射电磁脉冲的能量主要来源于天线结构中储存的静 电势能。如果天线两端的偏置电压 Ｅｂ 越 高，太 赫 兹 辐 射 的 强度就越高。具有高介质耐击穿强度的光电导体，能 够 经 受 更高的偏置电压，同样可以产生峰值较高的太赫兹辐射场。 同时，低的带隙和尽可能短的载流子寿命又能通过影响光生 自由电子的密度 Ｎ 来提高太赫兹辐射的场强，因此经常在半 导体材料中引入适当浓度的缺陷，形成陷阱或复合中心以减 少载流子的寿命。 通常情况 下，光电导天线材料一般选用 Ｓｉ、掺 Ｃｒ的 ＧａＡｓ、掺 Ｆｅ的ＩｎＰ等。其特性参数对比如表１所示。 （２）光整流方法 当两束光线在非线性介质中时，它们将发生混合，从 而 产生和频振荡与差频振荡现象。如果入射到非线性介质中的 是超短脉冲激光，由差频振荡效应会辐射出一个低频的电磁 脉冲。当入射激光的脉宽在亚皮秒量级时，则辐射出的电磁 脉冲的频率上限就会在太赫兹量级，这是因为所辐射的电磁 波的频率上限与入射激光的脉宽有关。该现象被称为太赫兹 光整流效应，是一种非 线 性 效 应，是 电 光 效 应 的 逆 过 程，如 图２所示。该装置不需要外接偏置电场，可以采用整块电光 晶体作为辐射器。 表１ 光电导材料性能对比［６－７］ Ｔａｂｌｅ１ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌｓ 参数 Ｓｉ ＧａＡｓ ＩｎＰ 禁带宽度／ｅＶ １．１２ １．４３ １．３６ 载流子寿命／ｎｓ １０５ ＜１ ＜１ 击穿场强／（ＭＶ·ｍ－１） ３０ ２１ ２０ 电子迁移率／（ｃｍ２·Ｖｓ－１） １５００ ８６００ ４５００ 相对介电常数 １１．９ １３．１８ １２．４ 图２ 光整流效应 Ｆｉｇ．２ Ｏｐｔｉｃａｌｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ 经理论推导可得到光整流产生的太赫兹辐射，在远场近 似下的太赫兹电场强度为［８］ ＥＴＨｚ ∝ Ｘ（２）２ Ｉ（ｔ） ｔ２ （２） 其中，Ｘ（２）表示二阶非线性极化率，Ｉ（ｔ）为 极 化 电 流 的 时 变 函数。然而，实际使用的非线性晶体在太赫兹波段吸收损耗 往往特 别 显 著。现在将晶体对太赫兹波吸收 损耗考虑进 去［９－１０］，则入射波到太赫兹波能量转换效率可表示为 ηＴＨｚ ≈ ８Ω２ ｄ２ ｅｆｆＬ２ Ｉ ε０ｎ２ ｏｐｔｎＴＨｚｃ３ α２ ＴＨｚ （３） 其中，Ω 为太赫兹波的 角 频 率，ｄｅｆｆ为有效非线性光学系数， Ｉ为入射光强，ε０ 为真空中的介电常数，ｃ为真空中的光速， Ｌ 为非线性晶体的长度，αＴＨｚ为太赫兹波段晶体的吸收系数， ｎｏｐｔ和ｎＴＨｚ分别为入射激光和太赫兹波的折射率。 根据光整流的效率转换式（３）可 知，性能良好的非线性 晶体应具有较大的有效非线性光学系数、较小的吸收系数， 同时还要求晶体具有较宽的透光范围、较大的抗损伤阈值以 及良好的机械性能与物理化学性能。 目前，常见的用于产生太赫兹波的非线性晶体 有 ＬｉＮ－ ｂＯ３，ＧａＡｓ，ＺｎＴｅ和 ＤＡＳＴ 等，相关的性质参数如表 ２ 所 示。 比较光电导和光整流这两种产生太赫兹脉冲的机制可 知：用光电导天线辐射的太赫兹脉冲能量通常要比用光整流 效应所产生的太赫兹脉冲的能量强。这是因为光整流效应产 生的太赫兹波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲能量，而光 电导天线辐射的太赫兹波能量则主要来自外加的偏置电场， 第９期 光谱学与光谱分析 ９８６２
2690 光谱学与光谱分析 第38卷 如果要想获得能量较强的太赫兹脉冲，可以通过调节外加电 表+太赫兹脉冲探测器的比较 场的大小来实现，同时，光整流效应产生的太林兹脉冲较为 Table4 Comparison of terahertz pulse detectors 电导天线所) 的脉 冲而言频幸更高、频谱宽度更宽，二者 相关参数对比如表3所示 探测器 表2常用的光整流品体的基本性质山 自由空间电光采样10-na1一100相千一10常温 1.1,3典型的时域光语仪结构原理 optical rectification crystals 丰线性系数折射率折射半吸收系数 针对不同的样品、不同的测试要求、不同的太赫波 样品的作用方式。可以采用透射式、反射式、差分式、椭扁 (pm2·cm v-2) 式等不同的探测模式。其中，最常见的为透射模式。图3为 169 218511 12 其结构装置图 ZnTe DAST 615 339258 50 4L5 表3太赫兹脉冲发射源的比较 Table 3 Comparison of terahertz pulse emission sources 发射源 规半范频率分辨 约40 约10 典型太赫兹时城光谱仪结构装置 typical THz-TDS 此外，产生宽带太赫兹脉冲辐射的方法还有等离子体振 荡、光激发电子非线性传输线等 其工作原理如下。来白飞秒激光的肤冲序列被分束轻 112接枚器 分为两束。其中能量大的一束（夏浦冲）轻时回延迟系 太赫兹时域光谱仪中的接收器，需要使用相干探测器。 ,另一束作为探测光 目前最常用的方法是光电导采样和自由空间电光采样，这两 (探测脉冲)与THz脉冲汇合后共线通过THz探测器，并以 种方法都是通过记录太赫兹福射电场信号的时域波形，并由 此米驱动TH2探测器进行测量，利用TH脉冲透过样品 傅里叶变换得到其振幅和相位的頓率分布。 测量由此产生的THz电场强度随时何的变化。通过控制时 间延识系统调节浦就冲图探测就冲之间的时间显识，扫抽 (1)光电导采样 光电导采样是最早用于探测太赫脉冲的相干探测力 这个对间延识进可以获得丁H,陆冲的时域被形订。该被开 法，由A 经傅里叶变换之后，就可得到被测样品的频谱，对比放置样 5实规·兵基于光电导发别机 的逆过程 品前后频谐的改变，就可获得样品的透射率、折射率、吸《 采样脉冲激发 电导介质产生自由载流 THz 系数。介电常数等光学参数。 场作为 L.L4仅器性能特点 转电场，促使载流子运村 正电 的光电流 太林兹时域光谐仪具有以下特点 通过T 】》采用相平测量方式， ·般测量两条线，因此能够我 生长的 得所测电场的幅度和相位，从而方便提取样品的吸收系数 、半绝缘的 折射率、介电常数等光学参数 )白由空问出来平样 (2)具有大约Q1~10THz的宽带宽： 该方法基于探测光与太赫兹辐射在电光晶体中激发的线 3)动态范围大，具有大于10的高信噪比，如此高的信 躁比允许相对较少的扫指时间，从而提高了系统的稳定性 4)具有瞬态性 ,太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量 可以方便地对各种材料包括液休 铁体等 圆的振联冲，对该椭圆度进行测量，就能获得当采样脉冲 地分光的究 而且通过取样测量技术，能够有效 到达时的瞬态THz电场。与光电导采样类似，利用THz脉 制背景辐射噪声的干扰 冲与采样脉冲之间不同的时间延迟可以确定整个T2电场 在室温下工作 自由空间电光采样常使用的材料是GaP,ZmTe和DAST等。 光仪有 仍然存在以 这两种不同的太林蕊脉冲相干探测方法，其工作性能比 不能 较如表4所示， 上决 其频谱分辨率 ublish
如果要想获得能量较强的太赫兹脉冲，可以通过调节外加电 场的大小来实现。同时，光整流效应产生的太赫兹脉冲较光 电导天线所产生的脉冲而言频率更高、频 谱 宽 度 更 宽。二 者 相关参数对比如表３所示。 表２ 常用的光整流晶体的基本性质［１１－１４］ Ｔａｂｌｅ２ ＢａｓｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦｒｅｑｕｅｎｔｌｙ－ｕｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｙｓｔａｌｓ 晶体 非线性系数 ｄｅｆｆ ／（ｐｍ·ｖ－１） 折射率 ｎｏｐｔ＠ ８００ｍｍ 折射率 ｎＴＨｚ＠ １ＴＨｚ 吸收系数 αＴＨｚ ／ｃｍ－１ 品质因数 ＦＯＭ／ （ｐｍ２·ｃｍ２·ｖ－２） ＬｉＮｂＯ３ １６８ ２．１８ ５．１１ １７ １８．２ ＧａＡｓ ６５．６ ４．１８ ３．６１ ０．５ ４．２１ ＺｎＴｅ ６８．５ ３．１３ ３．１７ １．３ ７．２７ ＤＡＳＴ ６１５ ３．３９ ２．５８ ５０ ４１．５ 表３ 太赫兹脉冲发射源的比较 Ｔａｂｌｅ３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｐｕｌｓｅｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓ 发射源 平均功率 ／μＷ 瞬时功率 ／ＭＷ 频率范围 ／ＴＨｚ 频率分辨 光电导天线 约２００ 约５０ ０．１～２０ ＧＨｚ 光整流晶体 约４０ 约１０ ０．１～１００ ＧＨｚ 此外，产生宽带太赫兹脉冲辐射的方法还有等离子体振 荡、光激发电子非线性传输线等。 １．１．２ 接收器 太赫兹时域光谱仪中的接收器，需要使用相干探测器。 目前最常用的方法是光电导采样和自由空间电光采样，这两 种方法都是通过记录太赫兹辐射电场信号的时域波形，并由 傅里叶变换得到其振幅和相位的频率分布。 （１）光电导采样 光电导采样是最早用于探测太赫兹脉冲的相干探测方 法［１５］，由 Ａｕｓｔｏｎ利用 ＲＯ－ＳＯＳ实 现，其基于光电导发射机 理的逆过程［１６］：以半导体光电导天线作为太赫兹接收元件， 采样脉冲激发光电导介质产生自由载流子，ＴＨｚ电场作为偏 转电场，促使载流子运转产生电流，利用所产生的光电流与 太赫兹驱动电场成正比的特性，可测量太赫兹瞬间电场。再 通过 ＴＨｚ脉冲与采样脉冲之间的不同时间延迟就能确定整 个 ＴＨｚ电场。目 前 这 种 方 法 常 采 用 的 材 料 是 低 温 生 长 的 ＧａＡｓ、半绝缘的 ＧａＡａ、半绝缘的ＩｎＰ等。 （２）自由空间电光采样 该方法基于探测光与太赫兹辐射在电光晶体中激发的线 性电光效应［１７］，即电光晶体的折射率与外加电场成比例改 变的现象。这是光整流效应的逆效应，是三个波束非线性混 合的过程。这种效应能够将线性偏振的采样脉冲转换为稍椭 圆的偏振脉冲，对该椭圆度进行测量，就能获得当采样脉冲 到达时的瞬态 ＴＨｚ电 场。与光电导采样类似，利 用 ＴＨｚ脉 冲与采样脉冲之间不同的时间延迟可以确定整个 ＴＨｚ电场。 自由空间电光采样常使用的材料是 ＧａＰ，ＺｎＴｅ和 ＤＡＳＴ等。 这两种不同的太赫兹脉冲相干探测方法，其工作性能比 较如表４所示。 表４ 太赫兹脉冲探测器的比较 Ｔａｂｌｅ４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｐｕｌｓｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ 探测器 噪声等效功率 ／（Ｗ·Ｈｚ－１） 频率范围 ／ＴＨｚ 相干性 响应 速度／ｆｓ 工作 温度 光电导采样 １０－１５ ０．１～２０ 相干 ～１００ 常温 自由空间电光采样 １０－１５ ０．１～１００ 相干 ～１０ 常温 １．１．３ 典型的时域光谱仪结构原理 针对不同的样品、不同的测 试 要 求、不同的太赫兹波与 样品的 作 用 方 式，可以采用透射式、反 射 式、差 分 式、椭 扁 式等不同的探测模式。其 中，最常见的为透射模式。图３为 其结构装置图。 图３ 典型太赫兹时域光谱仪结构装置图 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ ｔｙｐｉｃａｌＴＨｚ－ＴＤＳ 其工作原理如下：来自飞秒激光器的脉冲序列被分束镜 分为两束。其中能量较大的一束（泵浦脉冲）经时间延迟系统 后入 射 到 ＴＨｚ发 射 器 产 生 ＴＨｚ脉 冲。另一束作为探测光 （探测脉冲）与 ＴＨｚ脉冲汇合后共线通过 ＴＨｚ探 测 器，并 以 此来驱动 ＴＨｚ探测 器 进 行 测 量，利 用 ＴＨｚ脉 冲 透 过 样 品， 测量 由 此 产 生 的 ＴＨｚ电场强度随时间的变化。通 过 控 制 时 间延迟系统调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，扫描 这个时间延迟就可以获得 ＴＨｚ脉冲的时域波形［１８］。该 波 形 经傅里叶变换之后，就可得到被测样 品 的 频 谱，对 比 放 置 样 品前后频谱的改变，就可获得样品的透射率、折 射 率、吸 收 系数、介电常数等光学参数。 １．１．４ 仪器性能特点 太赫兹时域光谱仪具有以下特点： （１）采用相干 测 量 方 式，一般测量两条线，因 此 能 够 获 得所测电场的幅度和相位，从而方便提取样品的吸收系数、 折射率、介电常数等光学参数； （２）具有大约０．１～１０ＴＨｚ的宽带宽； （３）动态范围大，具有大于１０５ 的高信噪比，如此高的信 噪比允许相对较少的扫描时间，从而提高了系统的稳定性； （４）具有瞬态性，太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级， 可以方便地对各种材料包括液体、高 温 超 导 体、铁 磁 体 等 进 行时间分辨光谱的研究，而且通过取 样 测 量 技 术，能 够 有 效 地抑制背景辐射噪声的干扰； （５）探测灵敏度高，可在室温下工作。 尽管太赫兹时域光谱仪有上述优势，但是仍然存在以下 不能忽视的缺陷制约了其在实际生产中的应用： （１）仪器中延迟 线 的 存 在，在根本上决定其频谱分辨率 ０９６２ 光谱学与光谱分析 第３８卷
第9期 光诺学与光谱分析 2691 现的不够细致甚 100 光路中样 探测器所处的光程复杂，相位敏感，极 大地增 作的 由干品的样品结果是其在时上的信息表 现，若委获得频域谱，还需对数据进行傅里叶变换等数据处 理，这加大了仪器的系统误差，降低了实验结果的可性 L2应用领域 实际测定的太林兹时域光谱如图4所示。它的应用主要 包括测定物质的太林兹透射谱、反射等光响应，获取物 质在太兹波段的折射系数、薄膜介电常数等参数探索凝 时域光谱围 聚本物插内就的结构性质以及荆量遗随恩度等 12】太林旅时域透射光谱 《1)吸收光普 波在样品的另一个表面又会发生同样的现象，产生透射 透射光谐常用于研究电介质等材料的吸收性质。如图5 ,和折射波 折射波 在样品内部经过名次反射会产 所示，当一束太赫兹波6从空气照射在样品上时，由菲涅 生 :等一系列透射波，也称为回波。所有透射波叠 尔定律可知，会在样品表面产生折射波.和透射波.，透射 加在一起即为所接收到的包含样品信息的太赫时域信号。 样品s 15 20 图5太赫兹波透过样品示意图 m of ter ough the sample 根据Duvillare1等1996年提出的获取样品太赫蕊波光学 射率，()和吸收系数a() 参数的方法，对于较厚的样品，由于主波峰值E（)可 以和第一个回波峰值E()在时域谱中很好的分离开，所 n.(m)=1+(a） 以可以只用主波峰值信息米得到所需的光学参数。 在实际实验过程中分别获取太赫兹波。直接通过空 后的时域波 (2)光衰浦太林棱摆()PTP)技求 将光学泵浦探测技术与太林兹时域透射光满技术相给 合，可以研究超快载流子动力学问题四。其优势在于既能直 们选透行里叶变换 ,得到其频 语E(eu》和E 观地观测到样品信号的光致变换所反映出来的信息，又能提 太赫兹波在空气和样品中的传播过程以及朗伯定律，且由 供一个亚皮秒量级的时间分辨率，当泵浦光对半导体进行光 大部分对太赫兹波吸收的物质，都满足消光系数k,《1,通 激发时，导带中的电子和价带中的空穴占据了一些能态，从 过化简可得如下关系式 而会减少样品对太赫冀光的透射，产生饱和吸收，但随着受 =a[-] 激我流子的复合，这种饱和效应也随之退化，对太赫兹探测 光的透射也随之升高。因此，通过对太赫兹探测光瞬态透身 ()=-(m.-1)四 (4) 谱的研究，就可以获得半导体材料中非平衡载流子分布的可 式中”为样品的折射率，。为样品的吸收系数，d为样品厚 力学过程及光学信息。光泵浦太赫兹探测(OPTP)技术作为 度，c为直空中的光速。 种新的研究半导体超快授流子动力学的技术，已经取得了 不少研究成果司。 通过对式(4)进行变换就可得到样品的光学参数，如折 1994-2018 China Aeademie Journal Electronic Publishing House
不高，通常在３０ＧＨｚ左右。这使得在使用过程中，很多样品 的太赫兹频谱信息表现的不够细致甚至缺失，严重干扰了实 验结果的客观准确性； （２）光路中样品、探测器所处的光程复杂，相位敏感，极 大地增加了实验操作的难度； （３）由于最后测得的样品结果是其在时域谱上的信息表 现，若要获得频域谱，还需对数据进行傅里叶变换等数据处 理，这加大了仪器的系统误差，降低了实验结果的可靠性。 １．２ 应用领域 实际测定的太赫兹时域光谱如图４所示。它的应用主要 包括测定物质的太赫兹透射谱、反射谱等光谱响应，获 取 物 质在太赫兹波段的折射系数、薄膜介电常数等参数，探 索 凝 聚态物质内部的结构性质以及测量薄膜厚度等。 １．２．１ 太赫兹时域透射光谱 （１）吸收光谱 透射光谱常用于研究电介质等材料的吸收性质。如 图５ 所示，当一束太赫 兹 波 Ｅ０ 从空气照射在样品上 时，由 菲 涅 尔定律可知，会在样品表面产生折射波ｒ０ｓ和透射波ｔ０ｓ，透射 图４ 典型太赫兹时域光谱图 Ｆｉｇ．４ Ｔｙｐｉｃａｌｔｅｒａｈｅｒｔｚｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍ 波ｔ０ｓ在样品的另一个表面又会发生同样的现象，产生透射波 ｔｓ０和折射波ｒｓ１。折射 波ｒｓ１在样品内部经过多次反射，会 产 生如ｔｓ０＿１，ｔｓ０＿２等一系列透射波，也称为回波。所有透射波叠 加在一起即为所接收到的包含样品信息的太赫兹时域信号。 图５ 太赫兹波透过样品示意图 Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｗａｖｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓａｍｐｌｅ 根据 Ｄｕｖｉｌｌａｒｅｔ等１９９６年提出的获取样品太赫兹波光学 参数的方法［１９－２１］，对于较厚的样品，由于主波峰值Ｅｓａｍ （ｔ）可 以和第一个回波峰值Ｅｅｃｈｏ１（ｔ）在时域谱中很好的分离开，所 以可以只用主波峰值信息来得到所需的光学参数。 在实际实验过程中分别获取太赫兹波 Ｅ０ 直 接 通 过 空 气 后的时域波谱 Ｅｒｅｆ（ｔ）作 为 参 考 信 号，和在同一环境和温度 下，通过样品后的时域波谱Ｅｓａｍ （ｔ）作为样品信号。然后对它 们进行傅里叶变换，得 到 其 频 率 谱 Ｅｒｅｆ（ω）和 Ｅｓａｍ （ω）。根 据 太赫兹波在空气和样品中的传播过程以及朗伯定律，且由于 大部分对太赫兹波吸收的物质，都满足消光系数ｋｓ１，通 过化简可得如下关系式 ｜Ｅｓａｍ （ω）｜ ｜Ｅｒｅｆ（ω）｜ ＝ ４ｎｓ （１＋ｎｓ）２ｅｘｐ －αｄ ［ ］２ （ω）＝－ （ｎｓ －１）ωｄ ｃ （４） 式中ｎｓ 为样品的折射率，α为样品的吸收系数，ｄ 为 样 品 厚 度，ｃ为真空中的光速。 通过对式（４）进行变换就可得到样品的光学参数，如 折 射率ｎｓ（ω）和吸收系数α（ω） ｎｓ（ω）＝１＋ ｃ ωｄ （ω） α（ω）＝－ ２ ｄｌｎ ｜Ｅｓａｍ （ω）｜ ｜Ｅｒｅｆ（ω）｜ ［ｎｓ（ω）＋１］２ ｛ ｝ ４ｎｓ（ω） （５） （２）光泵浦太赫兹探测（ＯＰＴＰ）技术 将光学泵浦探测技术与太赫兹时域透射光谱技术相结 合，可以研究超快载流子动力学问题［２２］。其优势在于既能直 观地观测到样品信号的光致变换所反映出来的信息，又能提 供一个亚皮秒量级的时间分辨率。当泵浦光对半导体进行光 激发时，导带中的电子和价带中的空穴占据了一些能态，从 而会减少样品对太赫兹光的透射，产 生 饱 和 吸 收，但 随 着 受 激载流子的复合，这种饱和效应也随 之 退 化，对 太 赫 兹 探 测 光的透射也随之升高。因此，通过对太赫兹探测光瞬态透射 谱的研究，就可以获得半导体材料中非平衡载流子分布的动 力学过程及光学信 息。光泵浦太赫兹探测（ＯＰＴＰ）技 术 作 为 一种新的研究半导体超快载流子动力学的技术，已经取得了 不少研究成果［２３－２５］。 第９期 光谱学与光谱分析 １９６２
2692 光谱学与光谱分析 第38卷 OPTP系统装置如图6所示。与传统的太赫兹时域光谱 式中，么一3370为自由空间阻抗，N为半导体样品基片的 仪相比，该装置工作过程中会产生三种不同的T脉冲，其 折射率，d为光在样品中的有效穿透深度（块材S中约为10 中，光束1为探测路 光束2为系路，光束3 生洛。 可)，可从式(6)中得到，T/T|会随着a的增大而增大 出的光束2（泵浦路） 经过延时装置凡 入射到样品 对相 所以当泵浦光增强时，光生载流子变多而使得样品表面。增 品进行光激励。除此之外，探测信号的方法与传统时域太赫 大，从而致使T/T随之变大，即半导体样品的THz透过 蓝深测系统相 率降低。在高能量光泵浦下，随着时间延迟的增长，THz运 过常几平没有任何变化，这表明的载流子恢复时间较的 (约130s),在很长时间内由于载流于 直存在，样品 THz透过率将一直处于较低的状态，利用OPTP系统对 似S半导体样品进行载流子动力学的研究，能够很好的 一种有效的研究方法。 1.22 被测样品是 光厚介质（如重杂我流子的半导体）时 要使用反射 对 生行探测，将从样品上和反射 上所测得的脉冲信号E ()和E()进行里叶变换后 得到各自的复值 am)和E(o),考虑样品内部的多次反 射情况，它们的比值 图6光泵浦-T深测光路示意图 [is:-1](1-expF-2i isd Fig 6 Schematic diagram of opticalpump terahertzprobe measurement a+- [i(o)+1]-[i(a)-1Fexp[-2i(@)d 050 [im(@):-1]11-exp[-2i im(a)d]) 0.25 000 为光 02s 如 的折 -0.50 差要月 0.75 月的者 新提 1.00 与新的量地 00 40p80p 1.2 得的 图7 rS不同泵浦能量下T传输情况(T/ 误差更大 生光之间时间延迟的关 都将 hip of the time the ir 技术并不成热目前只有少几个利用反射 谱成功测 射系数的例子 图7为采用OPTP系统对半导体广S进行超快哉流 将传统太赫反射光谱与襄减全内反射光谱(ATR)的 动力些丽究的结里图当下日，透时半导体样品时，它对半导 种全新的检测方 太林衰 全内反射光系统(TD-ATR).该系统是在太赫兹时域光诺 休麦面的载流子专化和分布十分封城，因此坐导休麦面的镜 系统上加入相应的透镜组及ATR棱 流子动力学信息可以通过THz信导的峰值诱透过率来反映， 实验结果采用了OPTP系统的一维扫描方式，其中T。为未 前被广泛运用于检测液体、粉未及薄膜样品。有效地解决 极性液体（水）在太林兹被段由于自身的强吸收性质而不利 受光泵浦激励时THz脉冲透过半导体S的蜂值透过率 △T为受到光激励后半导体#-S的峰值透过率与未受光激励 的峰值透过率之差，横坐标为TH产生路与光泵浦路之间 图8所示，样品与棱镜紧密接触。当太林越光束透 与样品表面时折射定律出技镜折射常大 的时间延迟。从买验结果图中可以看出，光能量功率越 折射率时，折射角大于入射角，即折射光线更偏离法线方 大，光生载流子越多，TH2透射率越低，这种现象是由于光 电导a的变化引起的，a与△T/T。关系如下 向。当入射角增大到一定程度时，发生全反射，这时光束 =(N+1(z(1=7-1) 不会全部反射回棱镜，雨会透入样品一定的深度，同时沿着 63 界面通过波长量级距离后再次返回棱镜，沿着反射光方向身
ＯＰＴＰ系统装置如图６所示。与传统的太赫兹时域光谱 仪相比，该装置工作过程中会产生三种不同的 ＴＨｚ脉冲。其 中，光束１为探测路，光束２为泵浦路，光束３为产生路。多 出的光束２（泵浦路），经过延时装置后入射到样品上，对 样 品进行光激励。除此之外，探测信号的方法与传统时域太赫 兹探测系统相同。 图６ 光泵浦－ＴＨｚ探测光路示意图 Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｏｐｔｉｃａｌ－ｐｕｍｐ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ－ｐｒｏｂｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ 图７ ｎ－Ｓｉ不同泵浦能量下 ＴＨｚ传输情况（ΔＴ／Ｔ０） 与泵浦产生光之间时间延迟的关系 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｔｈｅｔｉｍｅｄｅｌａｙａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｕｍｐｉｎｇｅｎｅｒｇｙｏｆｎ－Ｓｉ 图７为采 用 ＯＰＴＰ系 统 对 半 导 体ｎ－Ｓｉ进行超快载流子 动力学研究的结果图。当 ＴＨｚ透过半导体样品时，它对半导 体表面的载流子变化和分布十分敏感，因此半导体表面的载 流子动力学信 息 可 以 通 过 ＴＨｚ信号的峰值透过率来反映。 实验结果采用了 ＯＰＴＰ系统的一维扫描方式，其 中 Ｔ０ 为 未 受光 泵 浦 激 励 时 ＴＨｚ脉冲透过半导体ｎ－Ｓｉ的 峰 值 透 过 率， ΔＴ 为受到光激励后半导体ｎ－Ｓｉ的峰值透过率与未受光激励 的峰值透过率之差，横 坐 标 为 ＴＨｚ产生路与光泵浦路之间 的时间延迟。从实验结果图中可以看出，泵浦光能量功率越 大，光生载流子越多，ＴＨｚ透射率越 低。这种现象是由于光 电导σ的变化引起的，σ与 ΔＴ／Ｔ０ 关系如下［２６－２７］ σ＝ （Ｎ ＋１）（Ｚ０ｄ）－１ １ １－｜ΔＴ／Ｔ０｜ （ ） －１ （６） 式中，Ｚ０＝３３７Ω为自由空 间 阻 抗，Ｎ 为半导体样品基片的 折射率，ｄ为光在样品中的有效穿透深度（块 材 Ｓｉ中 约 为１０ μｍ［２８］）。可从式（６）中得到，｜Ｔ／Ｔ０｜会随着σ的增大而增大。 所以当泵浦光增强时，光生载流子变多而使得样品表面σ增 大，从而致使｜Ｔ／Ｔ０｜随 之 变 大，即半导体样品的 ＴＨｚ透 过 率降低。在高能量光泵浦下，随着时间延迟的增长，ＴＨｚ透 过率几乎没有任何变化，这 表 明 Ｓｉ的载流子恢复时间较长 （约１３０μｓ），在很长时间内由于载流子一直存在，样 品 的 ＴＨｚ透过率将一直处于较低的状态。利 用 ＯＰＴＰ系 统 对 类 似ｎ－Ｓｉ半导体样品进行载流子动力学的研究，能够很好的揭 示其内部规律，是一种有效的研究方法。 １．２．２ 太赫兹时域反射光谱 当被测样品是光厚介质（如重掺杂载流子的半导体）时， 就需要使用反射光谱来对其进行探测。将从样品上和反射镜 上所测得的脉冲信号Ｅｓａｍ （ｔ）和 Ｅｒｅｆ（ｔ）进行傅里叶变换后可 得到各自的复值Ｅｓａｍ （ω）和Ｅｒｅｆ（ω）。考虑样品内部的多次反 射情况，它们的比值为 ＥＲ ｓａｍ （ω） ＥＲ ｒｅｆ（ω）＝ ［ｎｓ珘２ －１］１－ｅｘｐ －２ｉω ｃ ［ ］｛ ｝ ｎｓｄ珘 ［ｎ珘ｓ ＋１］２ － ［ｎ珘ｓ －１］２ ｅｘｐ －２ｉω ｃ ［ ］ ｎｓｄ珘 × ［ｎ珘ｒｅｆ（ω）＋１］２ － ［ｎ珘ｒｅｆ（ω）－１］２ ｅｘｐ －２ｉω ｃ ［ ］ ｎ珘ｒｅｆ（ω）ｄ ［ｎ珘ｒｅｆ（ω）２ －１］１－ｅｘｐ －２ｉω ｃ ［ ］｛ ｝ ｎ珘ｒｅｆ（ω）ｄ （７） 式（７）中，ｎ珘ｓ＝ｎｓ－ｉｋｓ，其 中ｎｓ 为样品的折射率，ｋｓ 为 消 光 系数。ｎ珘ｒｅｆ（ω）表示反射镜的折射率。这里要求反射镜的表面 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１μｍ 以下。 传统的反射光谱与透射光谱在结构上的差别仅在于前者 接收反射脉冲，而后者接收透射脉冲，且二者的参数提取方 法与所测的量也相似。经理论推导和实践证明，ＴＨｚ脉冲入 射角θ通过１／ｃｏｓ２θ影响 测 得 的 折 射 系 数，当折射系数较高 时误差更大。尤其对于有损耗样品，折射系数的实部和虚部 都将受到样品替换的影响。由于这些 问 题 的 存 在，反 射 光 谱 技术并不成熟，目前只有很少几个利用反射光谱成功测量折 射系数的例子。 （１）太赫兹衰减全反射光谱 将传统太赫兹反射光谱与衰减全内反射光谱（ＡＴＲ）的 优势相结合，就得到了一种全新的检测方法———太赫兹衰减 全内反射光谱系统（ＴＤ－ＡＴＲ）。该系统是在太赫兹时域光谱 系统上加入相应的透镜组及 ＡＴＲ 棱 镜 模 块 搭 建 而 成。其 目 前被广泛运用于检测液体、粉末及薄 膜 样 品，有 效 地 解 决 了 极性液体（如水）在太赫兹波段由于自身的强吸收性质而不利 于太赫兹波直接检测的弊端。 如图８所示，样品与棱镜紧密 接 触，当太赫兹光束透过 棱镜与样品表面时，满足折射定律。当棱镜折射率大于样品 折射率时，折 射 角 大 于 入 射 角，即折射光线更偏离法线方 向。当入射角增大到一定程度时，发 生 全 反 射，这 时 光 束 并 不会全部反射回棱镜，而会透入样品 一 定 的 深 度，同 时 沿 着 界面通过波长量级距离后再次返回棱镜，沿着反射光方向射 ２９６２ 光谱学与光谱分析 第３８卷