太赫兹时域光谱的衍生系统优化

太赫兹时域光谱系统是太赫兹研究中重要的测量系统,为了满足不同的测量目的和条件要求,人们对太赫兹时域光谱系统进行了各种改进。

1.反射式太赫兹时域光谱系统

反射式太赫兹时域光谱系统是测量对太赫兹波全反射或半反射材料的系统。根据菲涅耳定律,反射率与样品材料的复折射率有关,所以从反射信号中也可以提取样品材料的参数信息。与透射式太赫兹时域光谱系统相比,反射式太赫兹时域光谱系统中的探测部分不放置在样品之后,而是放置于与入射的太赫兹波方向成一定角度的位置(对应于斜入射反射测量情况),或者是利用放置于入射光路中的半透半反镜将探测信号反射到探测器上(对应于正入射反射测量情况)。反射式太赫兹时域光谱系统大体上可以分为两种。一种是单反射式太赫兹时域光谱系统,入射太赫兹波在样品表面反射一次,直接被PCA探测器接收,如图3.4所示。另一种是双反射式太赫兹时域光谱系统,也称为自参考结构,需要在样品表面加工一层高阻硅透射窗结构。测量时,太赫兹波探测器所接收到的信号包含了太赫兹波在窗口材料与空气交界面上的第一次反射信号,以及太赫兹波在窗口材料与样品材料交界面上的第二次反射信号,如图3.5所示。探测到的这两个反射信号分别作为参考信号和样品信号来计算样品参数。

图3.4　单反射式太赫兹时域光谱系统的光路示意图

图3.5　双反射式太赫兹时域光谱系统的光路示意图

2.差分式时域光谱系统

在普通的太赫兹时域光谱测量中,锁相放大器仅对与斩波器同频率且同相位的输入信号进行放大并测量。这样能够有效地屏蔽其他频率上的噪声信号,有利于提高系统测量的信噪比。但是,锁相放大器对于太赫兹波本身可能携带的噪声信号则没有办法消除。差分式时域光谱系统是一种直接测量参考信号和样品信号之间差异的系统,避免了当样品对太赫兹波的调制度很低时,太赫兹波所包含的样品信息容易被自带噪声湮没,从而能够有效提高对于此类样品光谱的测量精度。差分式时域光谱系统示意图如图3.6所示。其中样品并不固定,而是与参考物体一起以一个较低频率摆动,交替通过太赫兹波照射范围。接收端使用双重锁相放大器,前一台锁相放大器使用斩波器或其他光学调制器件的频率作为参考频率,其输出信号输入到后面串联着的以样品摆动频率为参考频率的第二台锁相放大器中。这种方法可以用来准确测量微米量级的超薄样品的光学参数,还可以用来对分子之间亲和力进行传感测量,也可以对单层细胞变化、极性液体等样品进行实时测量。

图3.6　差分式时域光谱系统示意图[5]

3.太赫兹波导光谱系统

太赫兹波导光谱系统是指将太赫兹波导器件(如平行金属板波导、金属线波导等)与太赫兹时域光谱系统相结合所构成的系统。太赫兹波导器件的使用能够有效减小太赫兹波在传播过程中的损耗,增强太赫兹波与样品的相互作用,使测量更加精确。以平行金属板波导太赫兹时域光谱系统为例,其结构如图3.7所示。

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图3.7　平行金属板波导太赫兹时域光谱系统的结构

4.空间扫描太赫兹光谱成像系统

空间扫描太赫兹光谱成像系统是在太赫兹时域光谱系统的基础上发展起来的,可以测量样品一个区域的光谱数据。其与普通的太赫兹时域光谱系统的不同之处在于,在原本样品的位置上放置了一个二维平移台,被测样品固定于平移台上。通过调整平移台,被测样品可以在垂直于入射太赫兹波的平面上移动,从而实现对样品区域的二维扫描。二维平移台由计算机程序控制,可以随着光谱系统的测量同步移动,扫描精度由太赫兹波聚焦在样品上的光斑大小决定,样品每一点的透射或反射的时域光谱都被依次记录,最终形成物体的整体太赫兹光谱图像。与普通光学成像不同的是,这种扫描成像的每个像素点都可以构成一个完整的太赫兹脉冲时域波形。空间扫描太赫兹光谱成像系统不仅能够获得样品的图像信息,还能够由每个像素点的光谱信息得到样品各部分的物质组成。通过太赫兹波的相位分析还可以确定样品的折射率分布或各部分厚度分布,如图3.8和图3.9所示。

图3.8　空间扫描太赫兹光谱成像系统测量芯片[6]

封装半导体集成电路的太赫兹成像(塑料封装)

图3.9　空间扫描太赫兹光谱成像系统测量树叶[7]

(a)新鲜树叶的太赫兹成像,太赫兹波的衰减主要是由于树叶中的水分蒸发;(b)同一片树叶48 h后的太赫兹成像,除了茎秆部分,水分已经基本蒸发了;(c)水分含量的颜色尺,颜色越深则水分越多

5.二维太赫兹电光成像系统

由于需要逐点扫描,而且扫描点的移动是依靠机械平移的,所以空间扫描太赫兹光谱成像过程非常耗时。为了缩短成像时间,基于二维探测阵列和电光晶体的泵浦-探测原理的二维电光成像技术得到了快速发展,如图3.10所示。由样品透射或反射的太赫兹波直接调制电光晶体,探测光经过被太赫兹波调制的电光晶体后再成像到电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)相机中,可以直接获得能够反映经样品后太赫兹波强度分布的光学图像。

图3.10　二维太赫兹电光成像系统示意图[8]