太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)原理分析_太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的應(yīng)用

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是最新的電磁波譜技術(shù)。作為近年來頗受關(guān)注的一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域及生物領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用前景。

電磁波譜技術(shù)作為人類認(rèn)識世界的工具，擴(kuò)展了人們觀察世界的能力。人眼借助于可見光可以欣賞五顏六色的世界，利用付利葉變換紅外光譜技術(shù)和拉曼光譜技術(shù)等可以了解分子的振動和轉(zhuǎn)動等性質(zhì)，利用X射線衍射技術(shù)可以了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。而太赫茲光譜技術(shù)作為新興的光譜技術(shù)能夠與紅外、拉曼光譜技術(shù)形成互補(bǔ)，甚至在某些方面能夠發(fā)揮不可替代的作用，從而成為本世紀(jì)科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。太赫茲光譜技術(shù)不僅信噪比高，能夠迅速地對樣品組成的微細(xì)變化做出分析和鑒別，而且太赫茲光譜技術(shù)是一種非接觸測量技術(shù)，它能夠?qū)?a target="_blank">半導(dǎo)體、電介質(zhì)薄膜及物體材料的物理信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測量。

太赫茲輻射（THz輻射，1THz=1012Hz）在電磁波譜上位于微波和紅外之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段，如圖1所示。

圖1太赫茲波段在電磁波譜中的示意圖

通常所研究的THz輻射指的是頻率在0.1THz～10THz，即波長在30μm～3mm，波數(shù)在3.3cm-1～330cm-1之間的電磁波段?，F(xiàn)在，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)所發(fā)展的100GHz到3THz之間的線性光譜學(xué)，為物質(zhì)探測提供了巨大的靈活性。近十幾年來，由于超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，這為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使太赫茲輻射的產(chǎn)生和應(yīng)用得到進(jìn)一步的發(fā)展。

1、太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的優(yōu)勢

目前，國際上對太赫茲輻射已達(dá)成如下共識，即太赫茲是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源。太赫茲技術(shù)是一個(gè)非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng)新、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全提供了一個(gè)非常誘人的機(jī)遇。它之所以能夠引起人們廣泛的關(guān)注、有如此之多的應(yīng)用，首先是因?yàn)槲镔|(zhì)的太赫茲光譜（包括透射譜和反射譜）包含著非常豐富的物理和化學(xué)信息，所以研究物質(zhì)在該波段的光譜對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索具有重要意義;其次是因?yàn)樘掌澝}沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有諸如瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、低能性等很多獨(dú)特的性質(zhì)，利用太赫茲脈沖可以分析材料的性質(zhì)，其中太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）是一種非常有效的測試手段.THz-TDS技術(shù)是太赫茲光譜技術(shù)的典型代表，出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，是一種新興的、非常有效的相干探測技術(shù)。

THz-TDS技術(shù)有如下一些特性：

1）THz-TDS系統(tǒng)對黑體輻射不敏感，在小于3THz時(shí)信噪比可高達(dá)104，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，而且其穩(wěn)定性也比較好。

2）由于THz-TDS技術(shù)可以有效地探測材料在太赫茲波段的物理和化學(xué)信息，所以它可以用于進(jìn)行定性的鑒別工作，同時(shí)它還是一種無損探測方法。

3）利用THz-TDS技術(shù)可以方便、快捷地得到多種材料如電介質(zhì)材料、半導(dǎo)體材料、氣體分子、生物大分子（蛋白質(zhì)、DNA等）以及超導(dǎo)材料等的振幅和相位信息。

4）在導(dǎo)電材料中，太赫茲輻射能夠直接反映載流子的信息，THz-TDS的非接觸性測量比基于Hall效應(yīng)進(jìn)行的測量更方便、有效。而且，THz-TDS技術(shù)已經(jīng)在半導(dǎo)體和超導(dǎo)體材料的載流子測量和分析中發(fā)揮出了重要的作用。

5）由于太赫茲輻射的瞬態(tài)性，可以利用THz-TDS技術(shù)進(jìn)行時(shí)間分辨的測量。另外，THz-TDS技術(shù)還具有寬的帶寬、探測靈敏度高，以及能在室溫下穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn)，所以它可以廣泛地應(yīng)用于樣品的探測。以上這些特點(diǎn)決定了太赫茲技術(shù)在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、生物領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域及國家安全中有重要的應(yīng)用前景。

2、太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)

THz-TDS系統(tǒng)是基于相干探測技術(shù)的太赫茲產(chǎn)生與探測系統(tǒng)，能夠同時(shí)獲得太赫茲脈沖的振幅信息和相位信息，通過對時(shí)間波形進(jìn)行傅立葉變換，能直接得到樣品的吸收系數(shù)和折射率、透射率等光學(xué)參數(shù)。太赫茲時(shí)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(yīng)用于多種樣品的探測。

THz-TDS系統(tǒng)可分為透射式、反射式、差分式、橢偏式等，其中最常見的為透射式和反射式THz-TDS系統(tǒng)。典型的THz-TDS系統(tǒng)如圖2所示，它主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產(chǎn)生裝置及相應(yīng)的探測裝置，以及時(shí)間延遲控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)組成。目前，在THz-TDS技術(shù)中常用來產(chǎn)生太赫茲脈沖的方法主要有3種：光導(dǎo)天線、半導(dǎo)體表面輻射和光整流，而相應(yīng)的探測方法也主要有3種：熱輻射計(jì)、光導(dǎo)開關(guān)和電光取樣。

圖2典型的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)

在太赫茲光譜系統(tǒng)中最常用的飛秒激光器是鈦寶石鎖模激光器，它能產(chǎn)生波長在800nm左右的飛秒激光脈沖。飛秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡后被分為泵浦脈沖和探測脈沖，前者經(jīng)過時(shí)間延遲系統(tǒng)后入射到太赫茲輻射產(chǎn)生裝置上產(chǎn)生太赫茲脈沖，后者和太赫茲脈沖一同共線入射到太赫茲探測裝置上，并以此來驅(qū)動太赫茲探測裝置進(jìn)行測量。通過控制時(shí)間延遲系統(tǒng)來調(diào)節(jié)泵浦脈沖和探測脈沖之間的時(shí)間延遲，最終可以探測出太赫茲脈沖的整個(gè)時(shí)域波形。通過傅立葉變換就可以得到被測樣品的頻域譜，從而獲得其吸收系數(shù)和折射率、透射率等光學(xué)參數(shù)（見圖2）。

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的信噪比和動態(tài)范圍，除了與太赫茲發(fā)射極的材料及輻射機(jī)理有關(guān)外，主要還取決于飛秒激光器的性能，而且太赫茲脈沖光譜儀的大小和費(fèi)用也取決于飛秒激光器。又因?yàn)門Hz-TDS系統(tǒng)主要有透射式和反射式兩種，所以用它既可以作透射探測，也可以作反射探測。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的樣品，不同的測試要求采用不同的探測方式。

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