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 - 全文

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(lái)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(lèi)認(rèn)識(shí)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(jiàn)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)提供了巨大的靈活性。近十幾年來(lái)，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(shì)

目前，國(guó)際上對(duì)太赫茲輻射已達(dá)成如下共識(shí)，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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)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(duì)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(cè)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(cè)技術(shù)。

THz-TDS技術(shù)有如下一些特性：

1）THz-TDS系統(tǒng)對(duì)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(cè)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(wú)損探測(cè)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(cè)量比基于Hall效應(yīng)進(jìn)行的測(cè)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(cè)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(cè)量。另外，THz-TDS技術(shù)還具有寬的帶寬、探測(cè)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(cè)。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(guó)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(cè)技術(shù)的太赫茲產(chǎn)生與探測(cè)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(guò)對(duì)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(cè)信噪比和較寬的探測(cè)帶寬，探測(cè)靈敏度很高，可以廣泛應(yīng)用于多種樣品的探測(cè)。

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(jiàn)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(cè)裝置，以及時(shí)間延遲控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)組成。目前，在THz-TDS技術(shù)中常用來(lái)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(cè)方法也主要有3種：熱輻射計(jì)、光導(dǎo)開(kāi)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(zhǎng)在800nm左右的飛秒激光脈沖。飛秒激光脈沖經(jīng)過(guò)分束鏡后被分為泵浦脈沖和探測(cè)脈沖，前者經(jīng)過(guò)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(cè)裝置上，并以此來(lái)驅(qū)動(dòng)太赫茲探測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)控制時(shí)間延遲系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)泵浦脈沖和探測(cè)脈沖之間的時(shí)間延遲，最終可以探測(cè)出太赫茲脈沖的整個(gè)時(shí)域波形。通過(guò)傅立葉變換就可以得到被測(cè)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(jiàn)圖2）。

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的信噪比和動(dòng)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(mén)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(cè)，也可以作反射探測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的樣品，不同的測(cè)試要求采用不同的探測(cè)方式。

小編推薦：太赫茲成像技術(shù)概念及原理解析_太赫茲波特征及應(yīng)用

3、太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)原理

3.1、透射式太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)

如圖2所示，在時(shí)域光譜系統(tǒng)中可測(cè)得含有樣品信息的太赫茲透射脈沖Esam（t）和不含樣品信息的參考脈沖Eref（t），然后分別對(duì)它們進(jìn)行傅立葉變換，將它們轉(zhuǎn)換到頻域中的復(fù)值Esam（w）和Eref（w），可求出它們的比值為：

3.2、反射式太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)

反射式THz-TDS系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上要求比較高。這是因?yàn)閽呙鑵⒖夹盘?hào)時(shí)，樣品架的位置應(yīng)該放上與樣品的表面結(jié)構(gòu)基本一樣的金屬反射鏡，而且要求反射鏡的位置和樣品的位置嚴(yán)格復(fù)位。這就加大了樣品、樣品架及用作參考的金屬反射鏡的制作難度。它的參數(shù)提取方法與透射式系統(tǒng)相比也有共通之處。

3.3、其他探測(cè)方法

另外，THz-TDS技術(shù)還包括泵浦探測(cè)技術(shù)以及基于連續(xù)波（CW）太赫茲輻射的互相關(guān)THz-TDS技術(shù)。太赫茲發(fā)射光譜技術(shù)是直接探測(cè)由樣品所激發(fā)產(chǎn)生的太赫茲脈沖輻射方法。由前文可知，樣品在被超短飛秒脈沖激發(fā)之后所輻射出的太赫茲脈沖包含了關(guān)于瞬態(tài)電流強(qiáng)度或極化強(qiáng)度的信息。通過(guò)直接測(cè)量太赫茲脈沖輻射可以研究樣品中的超快過(guò)程，從而得到樣品的各種性質(zhì)。這種技術(shù)可以用于研究量子結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體表面、等離子體、磁場(chǎng)在載流子動(dòng)力學(xué)中的影響等等。

泵浦探測(cè)技術(shù)是利用延遲的太赫茲脈沖來(lái)探測(cè)樣品，研究樣品在超短強(qiáng)激光脈沖激發(fā)下的反應(yīng)函數(shù)，該項(xiàng)技術(shù)是基于透射式光譜系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，所不同的是在樣品上加一束激發(fā)光。此項(xiàng)技術(shù)可成功地用于半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、和液體中載流子動(dòng)力學(xué)的研究。

4、太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的應(yīng)用

THz-TDS技術(shù)可以用來(lái)研究平衡系統(tǒng)和非平衡系統(tǒng)。對(duì)于平衡系統(tǒng)，主要是獲取材料樣品在太赫茲波段的復(fù)折射率;而對(duì)于非平衡系統(tǒng)，主要是通過(guò)研究太赫茲脈沖的波形來(lái)獲取材料樣品中的電流強(qiáng)度或極化強(qiáng)度的瞬態(tài)變化。根據(jù)不同的樣品、不同的測(cè)試要求可以采用不同的探測(cè)裝置。另外，正如前文所述，利用THz-TDS技術(shù)還可以研究半導(dǎo)體電性的非接觸特性、鐵電晶體和光子晶體的介電特性、生物分子中小的生物分子之間的分子間相互作用以及生物大分子的低頻特性等等。而基于THz-TDS技術(shù)的太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)更有其廣袤的應(yīng)用領(lǐng)域和美好的應(yīng)用前景。

5、總結(jié)和展望

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)技術(shù)作為一種新興的太赫茲技術(shù)，由于其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，使其在近十年間得到了快速的發(fā)展及廣泛的應(yīng)用。但是目前THz-TDS技術(shù)的光譜分辨率與窄波段技術(shù)相比還很粗糙，其測(cè)量的頻譜范圍也比傅立葉變換光譜（FTS）技術(shù)小。提高光譜分辨率和擴(kuò)大測(cè)量頻譜范圍將是未來(lái)THz-TDS技術(shù)發(fā)展的主要方向。同時(shí)，現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)及成像系統(tǒng)的設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，信息處理過(guò)程也很復(fù)雜，有待于進(jìn)一步實(shí)用化。隨著激光器成本的降低，更高效的太赫茲發(fā)射器和探測(cè)器的出現(xiàn)，以及更先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)，THz-TDS技術(shù)將有著廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。為了在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用太赫茲技術(shù)，還要使太赫茲系統(tǒng)向微型化發(fā)展.