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
第9期 光诺学与光谱分析 2693 出，透入样品的光束在样品吸收的频率范围内会被样品吸收 T-华 测量入射太 强度大小的弯华 基处理使可以得 时域光谱图。在该检测方法： ·反射能量变化 a一华 不大，放其适合量极性液体（如水）和水溶液样品。 R-别干别 安 (8) 式中，P,(1一)，P(x)分别为电磁场在介质0与介质1中的 传插系数，与电磁场的频率田和材料的光学参数”有关 T,T,R分别为电磁波入射到介质0和介质1界面上时 发生反射、透射现象的反射系数、透射系数：(。为真空中光 速：.为取样时间窗长度；为多次反射系数，取满足式(8 的最大整数值。 令H 《。》,分别比其买 与虚部，可以得到两个方程，当公式中的样品厚度值已刻 样 。相尽 入△△ 也可 确定待测村 度的变化范围[a,小，并确定容许误差1o,利用误差理论 图8太赫衰减全反射系统示意图 的黄金分割算法进行选代优化，即可得到满足误差范围的海 Fig 8 Schematic diagram of attenuated tota reflectance terahertz spectroscopy (2)检测薄膜厚度 、测量精度低 ·步实时快速准确 度的检测 该装置在传 太 时域光诺仪（见图3）的恭础上 图9太赫兹波与薄膜样品相互作用示意图 算得到房 Fig 9 Schematic diagram of interaction between 质 太赫兹波垂宜 terahertz wave and thin film 到厚度为 的 上述传统太赫兹时域光谱测厚方法在工作中通常需要用 到差分数据采集技术四，但是，差分采集装置往往会带来 较大的失调误差，需要一系列复杂的机械校准来减小其带来 足够大 可以不用考虑老重反 的影响。同时，该方法还要求待测样品薄膜具有严格的厚度 效应。 此时透射过的太赫兹信 号只有第⑩项粗即可 均匀性。目前，已经有一项多重调制技术被用于提高该方法 厚度较 学故 % 的准确性 ，更多改进的数据提取算法 也被运用进米 但是，考虑到太赫兹被在样品内的多重反射带来的误差日 所有项之和组成 透 得到 响，传统的太赫兹测厚方法依然只适用于测量厚度在100 与物质相互作用时 ,理论传递函数的表达式习 :m以上的薄膜样品。 在此基础上，Seheller和Jansen等提出 ()P.(1-)P:(=To To 一种依托太 兹时域光谱仪进行薄膜测厚的全新的算法 abry-Fer [1+(∑RiPi(e)] 所能 膜厚度下限仅取 于所使用时域 首分 R.(1-)=ep(- 传运 次 虑系统的信噪比，对折射奉 吸收系数 进行优化计算 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publishin
出。透入样品的光束在样品吸收的频率范围内会被样品吸收 而发生强度衰减，在样品无吸收的范围内被全部反射。通 过 测量入射太赫兹波强度大小的变化，经数据处理便可以得到 样品的太赫兹时域光谱图。在该检测 方 法 中，反 射 能 量 变 化 不大，故其适合测量极性液体（如水）和水溶液样品。 图８ 太赫兹衰减全反射系统示意图 Ｆｉｇ．８ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆａｔｔｅｎｕａｔｅｄｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｔｅｒａｈｅｒｔｚｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ （２）检测薄膜厚度 基于太赫兹时域反射光谱的塑料薄膜厚度检测装置能够 很好地解决目前塑料薄膜厚度检测准确性差、测 量 精 度 低、 响应速度慢及易受环境影响等问题，进一步实时快速准确的 进行塑料薄膜厚度的检测。 该装置在传统的太赫兹时域光谱仪（见 图３）的 基 础 上， 增添了系统控制器和计算机。太赫兹探测器的输出信号经系 统控制器被传送到计算机进行进一步的数据处理，根据误差 理论编写程序，运行程序计算得到薄膜厚度。 根据太赫兹波与物质的相互作用原理，太赫兹波垂直入 射到介质０和介质１界面上时将发生透射和反射。图９为太 赫兹波在空气中传输遇到厚度为ｚ的介质１后，太赫兹波在 材料经过多次透射和反射后的传输过程示意图。设太赫兹发 射器到太赫兹探测器的距离为ｌ，薄样品的厚度为ｚ。当介质 １足够大时，由于采样 时 间 窗 的 限 制，可以不用考虑多重反 射效应，此时透射过的太赫兹信号只有第①项 组 成 即 可；而 当样品较薄时，由于厚度较小的缘故会在太赫兹信号中引入 多次反射造成 的 Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ效 应，此 时 透 射 过 的 信 号 应 该 由①，②，③，.所有项之和组成。据此可以得到，太赫兹波 与物质相互作用时，理论传递函数的表达式为 Ｈｔｈｅｏｒｙ（ω）＝ Ｅｓａｍｐ（ω） Ｅｒｅｆ（ω） ＝Ｐ０（ｌ－ｚ）Ｐ１（ｚ）Ｔ０１Ｔ１０· １＋ ∑ δ ｉ＝ｔ Ｒ２ １０Ｐ２ ［ ］ （ ） １（ｚ）ｔ Ｐ０（ｌ－ｚ）＝ｅｘｐ －ｊωｎ珘０（ｌ－ｚ） （ ） ｃ０ Ｐ１（ｚ）＝ｅｘｐ －ｊωｎ珘１ｚ （ ） ｃ０ Ｔ１０ ＝ ２ｎ珘１ ｎ珘１ ＋ｎ珘０ Ｔ０１ ＝ ２ｎ珘０ ｎ珘０ ＋ｎ珘１ Ｒ１０ ＝ｎ珘０ －ｎ珘１ ｎ珘１ ＋ｎ珘０ δ＜ ｃ０ｔｍａｘ ｎ珘１ －１ ２ （８） 式中，Ｐ０（ｌ－ｚ），Ｐ１（ｚ）分别为电磁场在介质０与介质１中的 传播系数，与电磁场的频率 ω 和材料的光学参数ｎ珘 有 关； Ｔ１０，Ｔ０１，Ｒ１０分别为电磁波入射到介质０和介质１界面上时 发生反射、透射现象的反 射 系 数、透 射 系 数；ｃ０ 为 真 空 中 光 速；ｔｍａｘ为取样时间窗长度；δ为多次反射系数，取满足式（８） 的最大整数值。令 Ｈｔｈｅｏｒｙ（ω）＝Ｈｅｘｐｅｒｍｅｎｔ（ω），分别比较其实部 与虚部，可以 得 到 两 个 方 程，当公式中的样品厚度值已知 时，可以联立 两 个 方 程，求出物质的折射系数ｎ（ω）。相 反 地，也可以根据塑料薄膜的厚度先验知识，确定待测样品厚 度的变化范围［ａ，ｂ］，并确定容许误差ｔｏｌ，利用误差理论中 的黄金分割算法进行迭代优化，即可得到满足误差范围的薄 膜厚度ｚ。 图９ 太赫兹波与薄膜样品相互作用示意图 Ｆｉｇ．９ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎ ｔｅｒａｈｅｒｔｚｗａｖｅａｎｄｔｈｉｎｆｉｌｍ 上述传统太赫兹时域光谱测厚方法在工作中通常需要用 到差分数据采集技术［２９－３０］。但是，差分采集装置 往 往 会 带 来 较大的失调误差，需要一系列复杂的机械校准来减小其带来 的影响。同时，该方法还要求待测样品薄膜具有严格的厚度 均匀性。目前，已经有一项多重调制技术被用于提高该方法 的准确性［３１］，更多改进的数据提取算法［３２－３５］也 被 运 用 进 来。 但是，考虑到太赫兹波在样品内的多重反射带来的误差影 响，传统的太赫兹测厚方法依然只适用于测量厚度 在 １００ μｍ 以上的薄膜样品。 在此基础上，Ｓｃｈｅｌｌｅｒ和Ｊａｎｓｅｎ等 提 出 了 一 种 依 托 太 赫 兹时域光谱仪进行薄膜测厚的全新的算法［３６］。该 算 法 利 用 了 Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ振荡效应，所能测量的薄膜厚度下限仅取决 于所使用时域光谱仪的系统带宽。首 先，给出一个理论上的 传递函数，该函数仅取决于折射率ｎ、吸收系数Ａ、样品厚度 Ｌ 以及反射次数 Ｍ。通过假设一个近似的样品厚度Ｌ０，并预 处理计算出一个可能的反射次数 Ｍ０，同时在一定范围内考 虑系统的信噪比，对折射率ｎ和 吸 收 系 数Ａ 进 行 优 化 计 算， 第９期 光谱学与光谱分析 ３９６２
2694 光谱学与光谱分析 第38卷 可将该理论传遍函数与实际测量中的传递雨数进行比较，得 (BWO)及其倍频器拼接起来，给实验带来不便，随着技术的 到一个实际传递函数的基本形式式(9) 发展·更多的可频太赫痘源与接收出现·域光语仪的 H()-Aoexp(-i[i-1]L) 结构与原理也得到了改良与优化，性能也有了很大的提升。 21. 可调频太林 A:exp(-i3n-1]L+. (9) 频域光仪中所使用的太赫兹辐射源为窄带连续波辐 式中 的角频 射。 品射最常用的两种方法 非线性光学汇 术和 子 易地通过计草得 式中指数雨数的参 是线性 品厚度与实际 偏若时 就会号致计算所 得的折射和吸收系数A产生 效应 可以产生率等于 有当所假设的样品厚度与实际厚度完全一致时Fabry-Pero 流a ,这是 种可在很宽 源，可发射从红 据荡才会洁失因此通过不断讲行代改变设的样品 振荡振幅最小的假设厚度，便使的 波段时光电流可沿着发射线传福或 得到薄膜样品的实际厚度。在该算法中。每一个周期内的 射。目前有两种光混须器，分离元件光混颜 Fabr-Pcro1振荡都对应一个离散峰，所以通常可以利用参 器。分高元件光混器使用MEM 微机电系统)技术制作 数QS来更直观地衡量Fabry-Perot振荡效应的强药.该算法 具有微 司施加很大的偏置 也被叫做QS算法，离散的QS值Q5,可以通式(10)来计算 光所照射。分离元件光混颜器工作方式类似极大带宽的电流 5.y)exp(.0.1.N1 源，在太赫兹波段里动天线产生辐射。分布式光混频器基于 相似的隙理。但由激光所产生的光场将沿若泥频器的结构传 10 ,并不像分离元件混频器那样位于一个单独的点上。 式中，y()为一个光谱参数（可以是折射率、消光系数或者 吸收系数)，N为采样的总次数。由于折射率对于振幅波动 (2)自由电子激光技术 自由电子激光器是一种传统的太赫辐射源，其基木 并不敏感，所以在名数情况下，利用折射室作为光谱参数表 理如图0所示：利用通过周期性扭摆磁场产生的高速电子 计算事为代化Qs算法在国是利用太林数时域光谱仪漂 束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射 行测厚的情况下，大大提升了传统方法的薄膜测厚下限，在 而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的盖光器彩 亚微米范围薄膜厚度的测量与参数提取中有者独特的优势 为自由电子光器（荷称FE江），由程子速提供的高速电 并有若广泛的应用前景， 作为一种新兴的光谱分析手段，太赫兹时域光谱由于其 子束（流速接近光速）经偏转德铁导入 个扭摆磁场。由于 场的作用，电子的轨逊将发生偏而沿者正弦曲线运动 本身的技术优势，在诸多应用领城正呈现出蓬勃的发展趋势 运动周期与扭摆磁场的相 电子在洛伦蔓力 与广闲的应用前景。但是目前太赫兹时域光谱的光谱分耕考 过目发播别 光器的 与窄波段技术相比还很粗糙，提高光谱分辨率将是未来太莉 到电能重的大而蹈大 】的 兹时域光谱发展的主要方向，随着激光器成本的降低，太赫 顿语可以从远 X线。同时目由电 微光器还 兹发射与探测技术的发展，以及更先进的光学设计的出现， 峰值 太赫兹时域光谱必将在相关的研究和应用中发挥更大的作 但是它体积虎 使用不方便 般只用于科学研究。这是 前可以获得太裤蔡最高输出功的方法 2太赫兹频域光谐 摆动器一 太赫兹频域光谱的核心是利用须率可调谐的窄带、相 子加速 电子器 信息 2 进行太颜诚光研究的 图10白由电子激光器示意图 为光源的基础上组建起来的]根据测量方式的不同可分 Fig 10 Schematic diagram of free electron laser 为透射式与反射式，然而由回被管组成的太赫兹域光谱 除此之外，还有量子级联激光器、微波倍须、气体激光 在大王1T日，时动任报 的辐射热量仪不易探测到太 赫波。同时当测量很宽的光范围时，需要把很多回波管 等方法用来产生窄带连续波太赫缅射。表5总结了不同的 太兹连续被发射源的相关参数对比 Electronic Publishin
可将该理论传递函数与实际测量中的传递函数进行比较，得 到一个实际传递函数的基本形式式（９） Ｈ（ω）＝ Ａ０ｅｘｐ －ｉω ｃ０ （ ） ［ｎ珘－１］Ｌ ＋ Ａ１ｅｘｐ －ｉω ｃ０ （ ） ［３ｎ珘－１］Ｌ ＋ . （９） 式中，ｃ０ 为光在真空下的传播速度，ω为太赫兹波的角频率， ｎ珘为复折射率，Ａｉ 为函数的 Ｆｒｅｓｎｅｌ（菲涅尔）系数，可以很容 易地通过计算得到。由于该式中指数函数的参数是线性无关 的，当所假设的样品厚度与实际有偏差时，就会导致计算所 得的折射率ｎ和吸收系数Ａ 产生 Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ振荡 效 应。只 有当所假设的样品厚度与实际厚度完全一致时，Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ 振荡才会消失。因此通过不断进行迭代改变假设的样品厚 度，找到使 Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ振荡振幅最小的假设厚度，便 能 够 得到薄膜样 品 的 实 际 厚 度。在 该 算 法 中，每一个周期内的 Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ振荡都对应一个离散峰，所以通常可以利用参 数 ＱＳ来更直观地衡量Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ振荡效应的强弱，该算法 也被叫做 ＱＳ算法。离散的 ＱＳ值ＱＳｋ 可以通式（１０）来计算 ＱＳｋ ＝ ∑ Ｎ－１ ｎ－０ ｙ（ωｎ）ｅｘｐ －ｉ２π （ ）［ ］ Ｎｋｎ ，ｋ＝０，１，.，Ｎ －１ （１０） 式中，ｙ（ωｎ）为一个光谱参数（可以是折射 率、消 光 系 数 或 者 吸收系数），Ｎ 为采样的总次数。由于折射率对于振幅波动 并不敏感，所以在多数情况下，利用折射率作为光谱参数来 计算更为优化［３９］。ＱＳ算法在同是利用太赫兹时域光谱仪进 行测厚的情况下，大大提升了传统方法的薄膜测厚下限，在 亚微米范围薄膜厚度的测量与参数提取中有着独特的优势， 并有着广泛的应用前景。 作为一种新兴的光谱分析手段，太赫兹时域光谱由于其 本身的技术优势，在诸多应用领域正呈现出蓬勃的发展趋势 与广阔的应用前景。但是目前太赫兹时域光谱的光谱分辨率 与窄波段技术相比还很粗糙，提高光谱分辨率将是未来太赫 兹时域光谱发展的主要方向。随着激光器成本的降低，太 赫 兹发射与探测技术的发展，以及更先进的光学设计的出现， 太赫兹时域光谱必将在相关的研究和应用中发挥更大的作 用。 ２ 太赫兹频域光谱 太赫兹频域光谱的核心是利用频率可调谐的窄带、相干 太赫兹辐射源完成频谱的扫描，用太赫兹波能量／功 率 计 测 量不同频率太赫兹波的能量或功率，直接获得样品在频域上 的信息，进而计算获得相关的光学参数。 ２．１ 太赫兹频域光谱仪 进行太赫兹频域光谱研究的基础平台装置为太赫兹频域 光谱仪。最初的太赫兹频域光谱仪，都是在回波管（ＢＷＯ）作 为光源的基础上 组 建 起 来 的［３８］。根据测量方式的不同可分 为透射式与反射式。然而由回波管组成的太赫兹频域光谱仪 在大于１ＴＨｚ时功率很低，常规的辐射热量仪不易探测到太 赫兹波。同时当测量很宽的光谱范围时，需要把很多回波管 （ＢＷＯ）及其倍频器拼接起来，给实验带来不便。随着技术的 发展，更多的可调频太赫兹源与接收器出现，频 域 光 谱 仪 的 结构与原理也得到了改良与优化，性能也有了很大的提升。 ２．１．１ 可调频太赫兹源 频域光谱仪中所使用的太赫兹辐射源为窄带连续波辐 射。产生窄带连续波辐射最常用的两种方法是非线性光学混 频技术和自由电子激光技术。 （１）非线性光学混频技术 两束或两束以上不同频率的单色强光同时入射到非线性 介 质 后，可以产生频率等于两束激光频率差值的 光 电 流［３９－４１］。这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光 源，可发射从红外到紫外的相干辐射。当频率差位于太赫兹 波段时，光电流可沿着发射线传播或通过天线向自由空间辐 射。目前有两种光混频器：分离元件光混频器和分布式光混 频器。分离元件光混频器使用 ＭＥＭＳ（微机电系统）技术制作 具有微小光电导缝隙的电极，在电极之间施加很大的偏置电 场。光电导体放置在天线或天线阵列的策动点上，被 两 束 激 光所照射。分离元件光混频器工作方式类似极大带宽的电流 源，在太赫兹波段驱动天线产生辐射。分布式光混频器基于 相似的原理，但由激光所产生的光场将沿着混频器的结构传 播，并不像分离元件混频器那样位于一个单独的点上。 （２）自由电子激光技术 自由电子激光器是一种传统的太赫兹辐射源，其基本原 理如图１０所示：利用通过周期性扭摆磁场产生的高速电子 束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射 而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称 为自由电子激光器（简称 ＦＥＬ）。由粒子加速器提供的高速电 子束（流速接近光速）经偏转磁铁导入一个扭摆磁场。由于磁 场的作用，电子的轨迹将发生偏转而沿着正弦曲线运动，其 运动周期与扭摆磁场的相同。电子在洛伦兹力作用下加速运 动，通过自发辐射，产生太赫兹电磁波。自 由 电 子 激 光 器 的 频率随入射电子能量的增大而增大，因而是连续可调的，其 频谱可以从远红外跨越到 Ｘ射线。同时自由电子激光器还具 有频谱范围广、峰值功率和平均功率大、相干性好等优点。 但是它体积庞大，使用 不 方 便，一般只用于科学研究。这 是 目前可以获得太赫兹最高输出功率的方法［４２］。 图１０ 自由电子激光器示意图 Ｆｉｇ．１０ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｆｒｅｅｅｌｅｃｔｒｏｎｌａｓｅｒ 除此之外，还有量子级联激光器、微 波 倍 频、气 体 激 光 等方法用来产生窄带连续波太赫兹辐射。表５总结了不同的 太赫兹连续波发射源的相关参数对比。 ４９６２ 光谱学与光谱分析 第３８卷
第9期 光学与光谱分析 2695 表；太赫兹连续波发射源的比较 Table 5 Com 平均功 频诰分桥 可协调性 量子级联光器 nW-mW nW-mW 2TH kHz 几GHz 微被倍刻 W-mW W-mW <L 7 TH 几GH mw 09 国波管( <1 5 THi 100GH 212 。偏岩 U 中顿滤液器 释电 世（中中 0棉出号 入信号 湿频器是一种非线性电子学元件。它可以以直接探测的 参考 形测量太林数短射届于非相王摆测，是敏度较低）。但 是。它的更常见的应用方式是与木地振荡器结合进行差测 力 量，从而极大地提高测量灵敏度，并且由于是相干测量，还 能提供相位信息。如图11所示。差须测量装置要一个本地 图1Ⅱ差频检测示意国 Fig 11 Schematic diagram of difference-frequency detection 比翠该太地垢些翠产出：一个即特叫信县领率接近的单 频率电磁波，称作参考波。待测信号和参考波同时通过混频 器讲行若顿。产生一中箱波。相对于待测信号而言，该中 2)热释电探测 电探测器利用热释电效应探测太赫兹辐射的功率 顿被的颜率较低，容易用电子学方法进行放大与处理。这 中领波经过一个特定顿率的滤波器滤波后，再讲行放大即 电 度政 可获得特定领率的信号。由于差顿测量具各带通浅波的特 性，因此它可以用来进行颜谱的测量，而且具备很高的灵敏 常见的热释电晶 度，它的噪声等效功率能达到101一105W·Hx一1，远高 酸(D S)和酸锂 于直接探测的方式，常用的泥顿器有肖特基二极管混频器 器的灵幼府低。但是它构结简。便 作在常 超导体绝缘体超导体混频器以及热电子辐射热计混顿器」 条件下 别已经成为产 种形式，其中，前者可以工作在常品下，而后两者则需要在 除此之外，常用的非相干探测技 低温下工作。相对而言，背特基二极管混须器的灵敏度孩程 盒等。非相干探测技术的优点是可以探测的段事常宽， 两者低；超导体绝缘体超导体混器可以工作在亚太赫蕊 波段（低于1THz) 而高的测量需要使用热电子辐射热 较大不能反肺相位信息。而比应速度一船比较慢一 混须器。差烦探测的缺点是需要本地振荡 增加了成本和 相干探测技术的特点恰好相反，表6给出了不同的太林兹连 操作的复杂性，而且不容易将其集成为探测器阵列。 续波捉则器的相关参新对比 表6 太赫兹连续液探测器的比较 Table6 Compari on of terahertz continu wave detector 声等效功 率范围 相干性 响应速度 工作益度 热电探测 10 -100 10-1 W.Hz-i 波段 非相 -100m 常司 相 10-4一10-0W,Hx1由本地根荡器决定 相干 (ps~-ns) 液 213型的频域无话仅姑构原理 验证明了利用DFB半导体激光器和低温生长的GaAs混 目前太赫领域中最典型的频域光谱仪主要以非线性光 器能够产生连续频羊可的TH光 ,频率可达 学混频技术与混频器为结构基础。1995年Bown等通过实 THz,但是功率较低，1998年他们又利用DFB半导体激光 994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House
表５ 太赫兹连续波发射源的比较 Ｔａｂｌｅ５ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｗａｖｅｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓ 发射源 平均功率 瞬时功率 频率范围 频谱分辨 可协调性 自由电子激光 Ｗ～ｋＷ ＭＷ 全波段 量子级联光器 ｎＷ～ｍＷ ｎＷ～ｍＷ ＞２ＴＨｚ ｋＨｚ 几 ＧＨｚ 微波倍频 μＷ～ｍＷ μＷ～ｍＷ ＜１．７ＴＨｚ ｋＨｚ 几 ＧＨｚ 气体激光 μＷ～Ｗ ｍＷ～Ｗ ０．９～６ＴＨｚ ｋＨｚ 回波管（ＢＷＯ） ｍＷ ｍＷ ＜１．５ＴＨｚ ｋＨｚ １００ＧＨｚ ２．１．２ 接收器 测量频域光谱仪中的太赫兹连续波，既可以使用非相干 的探测技术，又可以使用相干探测技术。目前最常用的相干 探测技术为混频器差频检测，最常用的非相干探测技术为热 释电探测。 （１）混频器和差频检测 混频器是一种非线性电子学元件。它可以以直接探测的 形式测量太 赫 兹 辐 射（属 于 非 相 干 探 测，灵 敏 度 较 低）。但 是，它的更常见的应用方式是与本地振荡器结合进行差频测 量，从而极大地提高测量灵敏度，并 且 由 于 是 相 干 测 量，还 能提供相位信息。如图１１所示，差频测量装置需要一个本地 振荡器。该本地振荡器产生一个和待测信号频率接近的单一 频率电磁波，称作参考波。待测信号和参考波同时通过混频 器进行差频，产生一个 中 频 波。相对于待测信号而言，该 中 频波的频率较低，容易用电子学方法进行放大与处理。这 一 中频波经过一个特定频率的滤波器滤波后，再 进 行 放 大，即 可获得特定频 率 的 信 号。由于差频测量具备带通滤波的特 性，因此它可以用来进行频谱的测量，而且具备很高的灵敏 度。它的噪声等效功率能达到１０－２１～１０－１９ Ｗ·Ｈｚ－１，远高 于直接探测的方式。常用的混频器有肖特基二极管混频器、 超导体－绝缘体－超导体混频器以及热电子辐射热计混频器三 种形式。其中，前者可以工作在常温下，而 后 两 者 则 需 要 在 低温下工作。相对而言，肖特基二极管混频器的灵敏度较后 两者低；超导体－绝缘体－超导体混频器可以工作在亚太赫兹 波段（低于１ＴＨｚ），而高频的测量需要使用热电子辐射热计 混频器。差频探测的缺点是需要本地振荡器，增 加 了 成 本 和 操作的复杂性，而且不容易将其集成为探测器阵列。 图１１ 差频检测示意图 Ｆｉｇ．１１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎ （２）热释电探测器 热释电探测器利用热释电效应探测太赫兹辐射的功率。 热释电效应即当晶体的温度改变时，其两端产生电势差的现 象。具有热释电效应的晶体，其晶胞具有极性。热 释 电 探 测 器利用热释电晶体在受到辐射时的温度改变，从而引起的电 压改变来测量辐射在该晶体上的能量。常见的热释电晶体包 括氯化硫酸三甘氨 酸（ＤＴＧＳ）和 钽 酸 锂 等。虽然热释电探测 器的灵敏度低，但是它 结 构 精 简，便 于 操 作，且 可 工 作 在 常 温条件下。当前，热释电二维探测器阵列已经成为产品。 除此之外，常用的非相干探测技术还有辐射热计、戈 莱 盒等。非相干探测技术的优点是可以探测的频段非常宽，而 且使用相对比较简单；缺点包括灵敏 度 低，被背景噪声影响 较大，不能反映相位信 息，而且其响应速度一般比较慢。而 相干探测技术的特点恰好相反。表６给出了不同的太赫兹连 续波探测器的相关参数对比。 表６ 太赫兹连续波探测器的比较 Ｔａｂｌｅ６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｗａｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ 探测器 噪声等效功率 频率范围 相干性 响应速度 工作温度 辐射热计 １０－１５～１０－１２ Ｗ·Ｈｚ－１／２ 全波段 非相干 ～ｍｓ 液氮 热释电探测器 １０－９ Ｗ·Ｈｚ－１／２ 全波段 非相干 ～１００ｍｓ 常温 戈莱盒 １０－１０ Ｗ·Ｈｚ－１／２ 全波段 非相干 ～１００ｍｓ 常温 肖特基二极管（直接探测） １０－１０ Ｗ·Ｈｚ－１／２ 小于１．８ＴＨｚ 相干 ～ｐｓ 常温 差频检测（肖特基二极管） １０－１９ Ｗ·Ｈｚ－１ 由本地振荡器决定 相干 ～ｐｓ 常温 差频检测（辐射热计， 超导体－绝缘体－超导体混频器） １０－２１～１０－２０ Ｗ·Ｈｚ－１ 由本地振荡器决定 相干 ～（ｐｓ～ｎｓ） 液氮 ２．１．３ 典型的频域光谱仪结构原理 目前太赫兹领域中最典型的频域光谱仪主要以非线性光 学混频技术与混频器为结构基 础。１９９５年 Ｂｒｏｗｎ等 通 过 实 验证明了利用 ＤＦＢ半导体激光器和低温生长的 ＧａＡｓ混 频 器能够产生连续频率可调的 ＴＨｚ光 源 辐 射［４３］，频 率 可 达５ ＴＨｚ，但是功率较 低。１９９８年 他 们 又 利 用 ＤＦＢ 半 导 体 激 光 第９期 光谱学与光谱分析 ５９６２
2696 光谱学与光谱分析 第38卷 器和两片低温GaA泥器实现了连续TH的光源辐射和 的应用，其性能还有很大的提升空间。 证明了以DFB半导体激光器和Ga 混频器为基 工2应用领域 要由两 太赫兹频域光谱在研究需要高光谱分辨奉体系和物理系 统单频响应方而有着重要的应用： 图13即为典型的太赫 自两个DFB半导体光的光 顿线光谱仪测量样品所得到的顿域 福射到加有解压装直的 样品 可 以这 的 BO)系结有的山 并且由于DFB半导体道光器 器等器件的轻便简单与耐用性 使得整 简、容易操作 0.5 15 Frea Laser #1 图13典型太赫兹频域光谱图 Fig 13 Typical terahertz frequeney domain spectrogram (1)太赫蕊顿域光谱在气体检测中的应用 当特测样品为气体时，为了得到更为准确的样品光谱信 息，需要仪器分辨率保持在MHx的水平，这是传统的时域 R 光诸所难以达到的。而频域光谱仪由于其独特的结构原理 ack-in detection 拥有较高的光谱分辨率，能够满足检测气体样品的条件 图12典型太赫兹频域光谱仪实验装置图 求，这是太持域光语最为突出的过用领域 图14 Fig 12 Schematic dias am of typical THz-FDS systen 为监测煤自燃气体中CO浓度的太赫兹频域光谱装置，是太 频域光语在气体检测方面典型的应用。 2004年.们利摇尼亚大学的Biarna0n签.利用找名Er 电 原子的低温低生GaAs基片，实现了20GHz2THz的辐 射，功率在88GHz时最高可达124W阿，这为太赫兹顿域 光仪提供了更为理想的辐射光源，也使人们对于太赫兹频 域来仪的研与体用步入了 个新的阶段 214仪器性能特点 太林兹频域光谱仪相对于时域光谱仪而言有着自己独料 的优势： (1)它可以测量样品对某一特定频率太林整被的响应 图14监测煤自燃气体中C0浓度的太赫兹频域光谱 间或者其他物理量的连续变化曲线，进行定類测量，时域光 装置示意图 谐仪不具备此特点 Fig 14 Schematic diagram of terahertz frequency-domair 《)箱域瑞潮位的测最分雄率坊高 一般在MHz的水 spectroscopy for monitoring the concentration of car 平，远高于时域光谱仪的测量分辨率： bon monoxide in spontaneous combustion gases 《3)铺线光进仪在理量中得到样品信息点接在顿域博 呈现，不需要像时域光谱仪一样进行博里叶变换等繁琐的数 其工作原理为：利用智能真空泵将装置内部抽空，用 据处理，有效地诚少了系统误差，提高了实验结果的可靠 化器净化自燃性测定仪产生的煤自燃气体，安全倒门保持 室内压力的恒定 并过调节、或止战、用等实现 作为一种新兴的太赫兹光谐系统，太赫装顿域光谱仪相 中各部分的开与关，采用太赫频域光错仪，太赫兹波透 比于时域光谱仪的发展来说并不是十分成热，存在着一些显 室时部分会0吸收·再利用太测接收透过 著的缺陷。首先，在高颠率下工作时，倾域太赫兹光谱仪过 至的太 根据相应公式计算C0滚 低的辐射功率导致常规的辐射热量仪无法进行探测：其次， 实现对()浓度的监测，该装置利用太赫兹频域光语分 频域光谱仪与时域光谱仪相比，所能测量的频谱带宽要窄很 气相物质的特岛 将其应用 多，这些不足在一定程度上制钓了顿域光谱仪在实际生产中 onic Publishi
器和两片低温 ＧａＡｓ混频器实现了连续 ＴＨｚ的 光 源 辐 射 和 探测［４４］，证明了以 ＤＦＢ半 导 体 激 光 器 和 ＧａＡｓ混 频 器 为 基 础的频域太赫兹光谱仪的稳定性。它 主 要 由 两 个 ＤＦＢ半 导 体激光器、ＧａＡｓ混频器、锁定探测装置、加压装置组成，其 装置示意图如图１２。来 自 两 个 ＤＦＢ半导体激光器的光束先 汇合再分束，其中一束辐射到加有偏压装置的混频器上产生 ＴＨｚ波，该波经过样品后到达作为探测器的混频器上与分束 的另一束激光汇合，二者混频之后产生出可以探测的电流信 号。由于是相干探测，能同时探测到样品 ＴＨｚ频谱的相位和 幅度。以这种方式组建的太赫兹频域光谱仪，不 仅 拥 有 回 波 管（ＢＷＯ）系统 所 有 的 优 点，并 且 由 于 ＤＦＢ 半 导 体 激 光 器、 混频器等器件的轻便简单与耐用性强，使得整个系统更加精 简、容易操作。 图１２ 典型太赫兹频域光谱仪实验装置图 Ｆｉｇ．１２ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｙｐｉｃａｌＴＨｚ－ＦＤＳｓｙｓｔｅｍ ２００４年，加利福尼亚大学的 Ｂｊａｒｎａｓｏｎ等，利 用 掺 杂 Ｅｒ 原子的低温低生 ＧａＡｓ基 片，实 现 了２０ＧＨｚ～２ＴＨｚ的 辐 射，功率在８８ＧＨｚ时最高可达１２μＷ［４５］。这为太赫兹 频 域 光谱仪提供了更为理想的辐射光源，也使人们对于太赫兹频 域光谱仪的研究与使用步入了一个新的阶段。 ２．１．４ 仪器性能特点 太赫兹频域光谱仪相对于时域光谱仪而言有着自己独特 的优势： （１）它可以测量样品对某一特定频率太赫兹波的响应时 间或者其他物理量的连续变化曲线，进 行 定 频 测 量，时 域 光 谱仪不具备此特点； （２）频域光谱仪的测量分辨率较高，一 般 在 ＭＨｚ的 水 平，远高于时域光谱仪的测量分辨率； （３）频域光谱仪在测量中得到样品信息直接在频域谱上 呈现，不需要像时域光谱仪一样进行傅里叶变换等繁琐的数 据处理，有效 地 减 少 了 系 统 误 差，提高了实验结果的可靠 性。 作为一种新兴的太赫兹光谱系统，太赫兹频域光谱仪相 比于时域光谱仪的发展来说并不是十分成熟，存在着一些显 著的缺陷。首先，在高频 率 下 工 作 时，频 域 太 赫 兹 光 谱 仪 过 低的辐射功率导致常规的辐射热量仪无法进行探测；其 次， 频域光谱仪与时域光谱仪相比，所能测量的频谱带宽要窄很 多。这些不足在一定程度上制约了频域光谱仪在实际生产中 的应用，其性能还有很大的提升空间。 ２．２ 应用领域 太赫兹频域光谱在研究需要高光谱分辨率体系和物理系 统单频响应方面有着重要的应用。图１３即为典型的太赫兹 频域光谱仪测量样品所得到的频域谱。 图１３ 典型太赫兹频域光谱图 Ｆｉｇ．１３ Ｔｙｐｉｃａｌｔｅｒａｈｅｒｔｚｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍ （１）太赫兹频域光谱在气体检测中的应用 当待测样品为气体时，为了得到更为准确的样品光谱信 息，需要仪器分辨率保持在 ＭＨｚ的 水 平，这 是 传 统 的 时 域 光谱所难以达到的。而频域光谱仪由于其独特的结构原理， 拥有较高的光 谱 分 辨 率，能够满足检测气体样品的条件要 求，这是太赫兹频域光谱最为突出的应用领域之一。图１４即 为监测煤自燃气体中 ＣＯ 浓度的太赫兹频 域 光 谱 装 置，是 太 赫兹频域光谱在气体检测方面典型的应用。 图１４ 监测煤自燃气体中 ＣＯ浓度的太赫兹频域光谱 装置示意图 Ｆｉｇ．１４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｃａｒ－ ｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅｉｎｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｇａｓｅｓ 其工作原理为：利用智能真空泵将装置内部抽空，用 净 化器净化自燃性测定仪产生的煤自燃气体，安全阀门保持气 室内压力的恒定，并通 过 调 节 阀、截 止 阀、闸 阀 等 实 现 装 置 中各部分的开与关，采用太赫兹频域 光 谱 仪，太 赫 兹 波 透 过 气室时部分会被 ＣＯ 吸收，再利用太赫兹探测器接收透过气 室的太赫兹波，根据相 应 公 式 计 算 ＣＯ 浓 度，连 续 进 行 即 可 实现对 ＣＯ 浓度的监测。该装置利用太赫兹频域光谱仪分辨 率高及能够透过气相物质的特点，将其应用于煤自燃气体中 ＣＯ 浓度的监测中，无 需 重 复 实 验，且大大缩短了进样的间 ６９６２ 光谱学与光谱分析 第３８卷
第9期 光诺学与光谱分析 269 多和向，实现了C四浓度的连续监测。检测结果同时得到振 相色仪相比】 境彭响很 结果精度高 (2)太赫兹频域光端在分子磁体研究上的应用 分子休由于在低温下各向异性势的存在。其各个能 级的占据数不同，会出现对应能级间距的光吸收，而大多数 分子磁体的能级间距都处在THz光子能量范围内，非常适 合用太林婆類域光端研究其性质。德国Physikalisches研究 40K 所的研究人员利用他们组建的一套太赫顿域光仪对单分 10 1000 千磁体通n12表棒进行得究，发理了M1之AC的跃迁殿吹 在零场冷却和场冷却线性的不同〔)。琴场冷却时，零场的吸 图16 MgB,薄膜的光电导率实部和虚 收峰是对称的。而当场冷却时，其对应的吸收峰是不对称 Fig 16 The real part and ry part o 的。根据这一实验现象渠云了来白于化率张量作对角元的 pho 非均匀加宽效应 (3)太赫英顿域光谱在超导体研究方面的应用 两种光谱的对比 超导能障作为超导序参量，是超导物理中 ·个重要的研 究对象，各类超导体的能隙 一较在几个到十几个毫电子伏的 31 量级上·适合用太赫慈频域光谱研究其能隙性质，探索其内 在的规律。图15为利用频域光谱仪获得的LaSaCuO 仪。 单品太转兹顿域透射谱「)，可以明显看出超导以后能隙以 下的低频反射率接近1，随者温度降低能隙变大，低高反 太科学 手段，但是由 的限 在使用上依名 射率区域向高频扩展，并且温度越低台阶形反射串曲线越 有很老 )仪器的稳定性由 疑，曲线疑变的位置是超导能原；图5是根据gB博 的THz频域透射谱和相应的相移算出的光电导率实部和虚 (2)作为射源的 能煤直在低观的小处。患线是理论计算的 为品贵 定程度 ，其丁，=32K,超导前后改变能明显看出光电导的变化 制了时域光谱在建东生 (3)根据仅器的工作原理，系统的分辨率与所得时域信 0.2 0.8 号的长度成反比，而时域信号的长度又与延迟线的可调 度有关，系统中的延迟线可调节长度铰短，从结构原理上决 定了太赫兹时域光谱仪的分辨率较低 较之于太赫兹时域光诺仪，缬域光谱仪在结构上轻便很 ,所使用的器件更为康价，对实验环境的要求也更为宽 松，这就使太赫兹频域光谱仪更容易在生产应用中进行普及 与推广，同时域光谱仪在使用中所产生的THz辐射为连 续波，这区别于时域光谱仪中所产生的THz脉冲波，能够得 到审为全面的样品细射信息而独特的结构短理也在根本； 决定了领域光语仪拥有较高的顿谱分辨率，这是时域光谱位 新无法秋利的 图15 Lak mSr。:Cu0,单品的太赫兹透射诺 2性能特点对比 Fig 15 Terahertz transmission spectrum of LaCuO. 根据上文所述，二者在性能上互有优劣。表7给出了二 者在性能特点上的相关参数对比。 与时域光谱相比，频域光谱在应用方面还处于起步阶 33应用领城对比 段，但是卓越的性能特点，让其在基础研究领城、工业生户 太林兹时域光谐与颜域光谱凭借各自独特的性能特点 生活及军事领城都有着极其广阀的应用前景与潜力。尤其在 有着不同的应用方向，时域光谐适用于对传统的固体、液体 气体检测方面，颠域光谱因其较高的颜谱分辨率表现尤为突 样品进行光谱测量分析，获得其折射系数、吸收率、反射率 出. 介电常数等光学参数。并且由于时域光谱在使用时产生的太 赫兹辐射为脉冲辐射，更侧重应用于物质在T波段的特 1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing Hous
隔时间，实现了 ＣＯ 浓度 的 连 续 监 测。检测结果同时得到振 幅和相位的 信 息，且得到的吸收峰很尖锐，无 谱 线 重 叠 现 象，因此气体浓度的检测精度高。与传统的超声检测仪及气 相色谱仪相比，实现了小流量气体的浓度监测及连续监测， 且受周围环境影响很小。同时，该装置结构简单，操作方便， 结果精度高。 （２）太赫兹频域光谱在分子磁体研究上的应用 分子磁体由于在低温下各向异性势垒的存在，其各个能 级的占据数不同，会出现对应能级间 距 的 光 吸 收，而 大 多 数 分子磁体的能级间距都处在 ＴＨｚ光子能量范围内，非 常 适 合用太赫兹频域光谱研究其性质。德 国 Ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅｓ研 究 所的研究人员利用他们组建的一套太赫兹频域光谱仪对单分 子磁体 Ｍｎ１２家族 进 行 研 究，发 现 了 Ｍｎ１２－ＡＣ 的 跃 迁 吸 收 在零场冷却和场冷却线性的不同［４６］。零场冷却时，零场的吸 收峰是对称 的；而 当 场 冷 却 时，其对应的吸收峰是不对称 的。根据这一实验现象揭示了来自于磁化率张量非对角元的 非均匀加宽效应。 （３）太赫兹频域光谱在超导体研究方面的应用 超导能隙作为超导序参量，是超导物理中一个重要的研 究对象，各类超导体的能隙一般在几个到十几个毫电子伏的 量级上，适合用太赫兹频域光谱研究其能隙性质，探 索 其 内 在的规律。图１５为利用频域光谱仪获得的 Ｌａ１．８８Ｓｒ０．１２ＣｕＯ４ 单晶太赫兹频域 透 射 谱［４７］，可以明显看出超导以后能隙以 下的低频反射率接近１，随着温度降低能隙变大，低 频 高 反 射率区域向高 频 扩 展，并且温度越低台阶形反射率曲线越 陡，曲线陡变的位置就是超导能隙；图１６是根据 ＭｇＢ２ 薄膜 的 ＴＨｚ频域透射谱和相应的相移算出的光电导率实部和虚 部［４７］，能隙位置在实部低频的极小处。虚线是理论计算的曲 线，其 Ｔｅ＝３２Ｋ，超导前后改变能明显看出光电导的变化。 图１５ Ｌａ１．８８Ｓｒ０．１２ＣｕＯ４ 单晶的太赫兹透射谱 Ｆｉｇ．１５ ＴｅｒａｈｅｒｔｚｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＬａ１．８８Ｓｒ０．１２ＣｕＯ４ 与时域光 谱 相 比，频域光谱在应用方面还处于起步阶 段。但是卓越的性能特点，让其在基础研究领域、工 业 生 产 生活及军事领域都有着极其广阔的应用前景与潜力。尤其在 气体检测方面，频域光谱因其较高的频谱分辨率表现尤为突 出。 图１６ ＭｇＢ２ 薄膜的光电导率实部和虚部 Ｆｉｇ．１６ Ｔｈｅｒｅａｌｐａｒｔａｎｄｉｍａｇｉｎａｒｙｐａｒｔｏｆ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｆｏｒＭｇＢ２ ３ 两种光谱的对比 ３．１ 产生原理对比 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。太赫兹时域光谱仪相比于频域光谱仪出现的更早，普 及 度更高。经过长时间的发展与积累，时域光谱仪已经成为研 究太赫兹科学的一个重要手段。但是由于结构原理的限制， 其在使用上依然有很多不足： （１）仪器的稳定性由于系统中延迟线的存在而降低。 （２）作为辐射源的飞秒激光器体积过于庞大笨重，而 体 积轻便的光纤飞秒激光器价格又极为昂贵，这在一定程度限 制了时域光谱仪在实际生产中的应用。 （３）根据仪器的 工 作 原 理，系统的分辨率与所得时域信 号的长度成反比，而时域信号的长度又与延迟线的可调节长 度有关。系统中的延迟线可调节长度较短，从结构原理上决 定了太赫兹时域光谱仪的分辨率较低。 较之于太赫兹时域光谱仪，频域光谱仪在结构上轻便很 多，所使用的 器 件 更 为 廉 价，对实验环境的要求也更为宽 松，这就使太赫兹频域光谱仪更容易在生产应用中进行普及 与推广。同时，频域光谱仪在使用中所产生的 ＴＨｚ辐射为连 续波，这区别于时域光谱仪中所产生的 ＴＨｚ脉冲波，能够得 到更为全面的样品辐射信息。而独特的结构原理也在根本上 决定了频域光谱仪拥有较高的频谱分辨率，这是时域光谱仪 所无法达到的。 ３．２ 性能特点对比 根据上文所述，二者在性能 上 互 有 优 劣。表７给 出 了 二 者在性能特点上的相关参数对比。 ３．３ 应用领域对比 太赫兹时域光谱与频域光谱凭借各自独特的性能特点， 有着不同的应用方向。时域光谱适用于对传统的固体、液 体 样品进行光谱测量分析，获得其折射系数、吸收率、反射率、 介电常数等光学参数。并且由于时域光谱在使用时产生的太 赫兹辐射为脉冲辐射 ，更侧重应用于物质在ＴＨｚ波 段 的 特 第９期 光谱学与光谱分析 ７９６２