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1、光电世界第十一章：太赫兹波谱与成像技术，编写者：沈京玲教授； 教材内容：本章介绍太赫兹波的基本概念和性质，太赫兹辐射的应用前景和发展现状，太赫兹辐射的产生与探测方法，太赫兹波及其光谱、成像和通信研究简介，重点介绍太赫兹时域光谱技术和成像技术。第十一章 太赫兹波谱与成像技术太赫兹波在电磁波谱上位于微波和红外之间，属于远红外波段。THz是一个频率单位，1THz =1012Hz，英文为terahertz，译成中文为“太赫兹”，所以通常把位于0.1THz10THz之间的电磁辐射称为太赫兹波（THz波）。太赫兹波长在30um-3mm，波数在3.3-330cm-1之间。图11.1 THz波在电磁波谱中的位
2、置太赫兹波段两侧的红外和微波辐射技术已经非常成熟，但长期以来由于缺乏有效的产生和探测的手段，人们对于太赫兹波的了解非常有限，以至于这一波段一度成为了电磁波谱上的研究空白。20世纪80年代以来， 由于高功率超短脉冲激光器的发展，THz辐射源和探测器的研究不断取得新进展，极大促进了THz波的理论和应用研究。THz波作为电磁波谱上新开发的最后一个频率窗口，由于其独特的性质，在物理、化学、生物医学、通信、雷达、安全检查等各方面都有广阔的应用前景。目前，全世界有多个研究小组在从事THz相关研究，比如美国伦斯勒理工大学、Rice大学、英国剑桥大学和里兹大学、德国汉堡大学、韩国首尔大学、日本大阪大学等等。我
3、国，在THz研究方面有中国科学院物理研究所、上海应用物理研究所、西安光学与精密仪器研究所、天津大学、上海理工大学、首都师范大学物理系等科研院所和高校。THz研究已经成为全世界科学家研究的一个热点。本章将介绍太赫兹波的产生和探测方法和原理、太赫兹波的基本性质、用太赫兹波进行光谱探测和成像等应用、以及我们的最新研究成果等。第一节 太赫兹波及其基本性质太赫兹波是指位于电磁波谱中一个特定频率段的电磁波，这个频率段通常认为是1011-1013 Hz。该频率段恰好是位于微波和红外波段之间，所以也称为远红外光。让我们计算频率为1THz的一个太赫兹光子的能量：由，其中，频率所以有：再看看1THz电磁波对应的真
4、空中的波长：根据有：对应的波数为：而1THz对应的热力学温度为：。太赫兹辐射之所以能引起科学家广泛的关注，是因为物质的THz谱（包括发射谱、反射谱和透射谱）包含着丰富的物理和化学信息，而且THz脉冲具有很多独特的性质，这使得THz技术在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线技术的互补技术，使THz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。随着THz技术的发展，THz技术的应用领域也在不断拓宽，THz波段的光电器件的开发研究，以及它在生物学、医学、微电子学、农业及其它领域有很大的应用潜力和十分重要的发展空间。THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：一、瞬态
5、性：THz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、气体、半导体、高温超导体、铁磁体、各种生物样品等进行时间分辨光谱的研究。例如在半导体材料研究方面，通过THz时间分辨测量可以确定出载流子的浓度和迁移速率；在气体研究方面，通过THz时间分辨测量可以对混合气体的各个组分进行识别，从而使得对大气监测成为可能。二、宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十太赫兹的范围，便于在大的范围里分析物质光谱特性。三、高信噪比：通过取样测量技术，可以有效地抑制背景辐射噪声的干扰，从而使THz技术具有较高的信噪比。在10GHz4THz频率范围内，THz
6、时域光谱（THz-TDS）的信噪比可以达到104，而传统的傅立叶变换红外光谱（FTIR）的信噪比只有300左右。但是超过这个频率范围，FTIR的信噪比要优于THz-TDS，当带宽增加到40THz时，THz-TDS的信噪比将显著下降。可以看出THz-TDS在低频波段具有较高的信噪比。 四、相干性：THz的相干性源于其相干产生机制。一般THz是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学整流效应产生。THz相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数，与利用Kramers-Kronig关系的方法相比，大大减少了计
7、算和不确定性。而传统的FTIR技术只能测量出电场的强度信息。五、低能性：THz光子的能量只有毫电子伏特，与X射线相比，不会因为光致电离而破坏被检测的物质，所以THz更适合于对“活体”进行检查。六、高穿透性：THz 辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透性, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。七、吸水性：THz辐射对于水分子有强烈的吸收，可以通过分析产品中水分的含量来对产品的质量进行控制。另外，由于肿瘤组织中水分的含量与正常组织明显不同，所以通过分析组织中水分的含量可以确定出肿瘤的部位以及扩散情况。八、指纹光谱：许多生物大分子例如氨基酸、生物肽
8、、毒品和炸药分子的振动和转动能级间的间距正好处于THz频率范围，使得获得它们的THz指纹光谱成为可能，从而为THz光谱技术在分析和研究生物大分子的物理化学性质、反恐、缉毒等提供了相关理论依据。太赫兹光谱技术不仅信噪比高，而且是一种非接触、非破坏测量技术，因此也是很多其它测量技术的有益补充。第二节THz波的产生与探测原理首先让我们了解目前的太赫兹光源和探测器。太赫兹光源包括两大类，一类是基于光学效应的太赫兹辐射源，另一另类是基于电子学的太赫兹辐射源。具体地说，基于光学效应的太赫兹辐射源有：光电导天线，电光晶体 (光整流)，空气等离子体，太赫兹参量振荡器，光泵浦太赫兹激光器；基于电子学的太赫兹辐射
9、源有：行波管，返波管（BWO），自由电子激光器，耿氏（Gunn） 振荡器，量子级联激光器等。上述太赫兹源产生的太赫兹波分为连续太赫兹波和脉冲太赫兹波。所谓连续波，就是指波长单一、波振幅和强度随时间不变化的电磁波，例如上述太赫兹激光器、返波管等太赫兹源产生的是连续太赫兹波；而脉冲波其振幅和强度在时间轴上是一个个脉冲，因此在频域上不是单一的，包含了一个频率范围，或者波长范围。例如上述利用光电导天线、光整流效应、空气等离子体产生的太赫兹波都是脉冲太赫兹波，由此可以获得宽带太赫兹波源。太赫兹波的探测分为连续太赫兹信号的探测和脉冲太赫兹信号的探测。连续太赫兹信号的探测使用热辐射探测器 (Bolomete
10、r)、热释电探测器 (Pyroelectric detector)，高莱探测器（Golay cell）、肖特基二极管、场效应管等。这些探测器或者是基于热吸收效应，或者是基于电子变频技术，其特点就是成本低，结构紧凑。但是这些探测器只能做非相干探测，不能获取相干太赫兹波的位相信息。脉冲太赫兹信号的探测使用光电导天线、电光晶体 (电光取样)、空气等离子体等方法。其中光电导天线和电光取样是应用最为广泛的两种脉冲太赫兹波探测方法，它们通常都是在太赫兹时域光谱系统中与光电导天线或光整流晶体等脉冲太赫兹发射器共同被使用。这些探测方法最大的特点就是能够实现太赫兹波的相干探测，即同时得到信号的振幅和位相信息。下
11、面我们分别介绍常用的太赫兹产生和太赫兹探测方法及其原理。一、太赫兹波的产生目前最常用的产生脉冲THz波的方法有光导天线和光整流方法。(1)光导天线光导天线辐射机制利用超快激光脉冲泵浦光导材料，在其内部产生电子空穴对，这些载流子在外加偏置电场作用下做加速运动形成一个瞬态光电流，从而辐射出低频THz脉冲,。如图11.2所示，光导天线由两个金属电极组成，之间的距离从微米量级到毫米量级不等，由泵浦光源脉冲能量和实验需要而定，相应通以几十伏至几千伏的直流偏置电压，电极安装在半绝缘低温砷化镓晶片或者辐射损伤的宝石外延硅（SOS）的衬底上。在天线正极附近产生强的耗尽场，再用激光器发出的飞秒激光脉冲照射该区域
12、，就会产生很强的THz波，经衬底背面的硅透镜辐射出去。图11.2 光导天线辐射机制(2)光整流光整流方法是利用电光晶体作为非线性介质，使超快激光脉冲通过非线性介电材料，进行二阶非线性光学过程（光整流效应或称差频产生）或高阶非线性光学过程来产生THz电磁脉冲。这里以ZnTe晶体为例介绍光整流。ZnTe晶体有很好的物理稳定性和位相匹配性，被广泛使用。如果使用宽的聚焦泵浦光束和ZnTe晶体进行光整流，就能够减小介质引起的衰减，得到THz波的平均功率能够达到nW量级。如图11.3所示，入射到电光晶体的激光脉冲的脉宽为，与频谱带宽的关系为，在晶体内产生光整流效应，其非线性过程的表达式如下：电极化强度：
13、THz电场强度：图11.3 ZnTe晶体进行光整流相比以上两种常用的产生THz脉冲的方法，用光导天线辐射的THz电磁波能量通常比用光整流效应产生的THz波能量高。因为光整流效应产生的THz波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量，而光导天线辐射的THz波的能量既可以来自入射的激光脉冲，还可以来自天线上所加的偏置电场的能量, 可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的THz波。同时，利用光整流效应可以产生更宽频谱的THz电磁辐射脉冲，但是提高THz电磁辐射脉冲的能量非常困难。两种方法相比较，光整流方法在光路调节方面比较简单。二、太赫兹波的探测 (1)电光取样自由空间电光取样方法是基于线性电光效应(
14、又称朴克尔效应) 进行的，1995年，电光取样技术首次用来探测自由空间的THz脉冲。电光取样探测一般使用ZnTe晶体，常用它的面，如图11.4所示，激光脉冲经过一个偏振片与THz波同时打到薄膜分光片上，这个薄膜分光片对于THz波是完全透过的，而对于探测激光脉冲是全反射的，两束光入射到电光晶体，THz波在电光晶体中作为电场，改变电光晶体的折射率椭球，经过电光效应，线偏振的探测光的偏振态将会因折射率的改变而变化，此变化反映的是THz波的信息。而后探测光经片（作为检偏器）和渥拉斯顿棱镜，分为垂直方向和平行方向的两束光，分别打到光电二极管的两个探头上，双眼探头的平衡二极管由于同时得到两个信号，所以能够
15、抑制普通激光器的噪音，由光电二极管把光信号变为电信号，检测出两个电流的差，而后把输入锁相放大器，最后输入电脑进行信号分析。图11.4 THz波的电光效应探测(2)光电导偶极天线探测THz偶极天线探测器与光导天线发射器相同，如图11.5所示，由平板固定金属电极组成，安装在SOS衬底或低温砷化镓上，在衬底背面安装硅球面透镜。与发射器不同的是探测器的两极不加偏压。当两极之间通过飞秒激光探测脉冲时，半导体产生自由电子，同时离轴抛面镜把THz光聚焦到天线结构的探测晶片上。THz波作为电场使自由电子加速运动产生瞬时电流，由检流计测量出正比于瞬态THz脉冲电场强度的电流,最后使用锁相放大器来探测这个电流，输
16、入电脑进行信号分析。图11.5光导偶极天线探测器以上两种探测方法都可用于自由传播THz脉冲的测量，各有优缺点。其一，光电导探测THz脉冲时由于产生光电流的载流子寿命较长，其探测带宽较窄(3-4THz)，同时光路的调节也相对复杂。电光取样技术不受光电流速度的影响，只与所用的电光晶体的非线性性质有关,有较宽的探测带宽(100GHz-37THz)。通常采用的ZnTe 电光晶体，探测的灵敏度、探测带宽、稳定性等方面均优于其它电光晶体，但是由于ZnTe 晶体在5.3THz处存在横向声子吸收，因此对于探测带宽的提高有一定的限制。同时由于THz 电磁辐射脉冲和激光脉冲在ZnTe 晶体中存在相位失配，因此要求探测晶体越薄越好。其二，在低频(kHz)调制下，光电导取样对于特定的THz辐射有更好的信噪比(约两个量级)和灵敏
