光学太赫兹辐射源及其应用

太赫兹波段包括大部分分子的转动能级和一部分振动能级,很多分子在这一波段都具有特征指纹,因而太赫兹光谱技术可以被用来研究材料的远红外性质和频率的关系,这些关系可以帮助我们深入地了解与材料应用相关的重要的材料性质。目前已经有很多方法可以得到材料的太赫兹光谱。

太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)技术是20世纪80年代由AT&T、Bell实验室和IBM公司的T.J.Watson研究中心发展起来的,是最新的太赫兹技术。THz-TDS技术基于利用飞秒激光技术获得的宽波段太赫兹脉冲,具有高灵敏度、时间分辨相位信息、高信噪比等优点,越来越多地被应用于各种材料特性的研究当中。

太赫兹波段的中心频率为0.33 THz,属于远红外区域,光子能量范围为0.4~80 meV,对应分子能级间变化的基本能量范围。当太赫兹光子与一个分子作用时,分子会吸收特定能量的太赫兹光子而改变自身的转动状态。很多材料在太赫兹波段都有基本能量,对太赫兹光子的吸收能够揭示分子转动或振动状态的变化。

在光谱技术中目前主要有傅里叶变换光谱、窄波段技术和太赫兹时域光谱。傅里叶变换光谱(Fourier Transform Spectrometer,FTS)可能是最常见的用来研究分子共振的手段,这种技术的优越性是有着很宽的光谱波段,可以用来研究材料从太赫兹到红外波段的光谱性质。在FTS的实验中,材料样品被一个宽波段的辐射源如电弧灯照明,一个直接的测量装置(如液氦冷却的热辐射测量仪)被用来测量干涉信号。样品被置于一个光学干涉仪系统中,扫描干涉仪的一个臂的行程获得被样品调制的红外辐射的时间域的信号,然后对信号进行傅里叶变换,就获得了样品的功率谱密度。FTS方法的缺点是它的光谱分辨率十分有限。

窄波段技术比FTS使用更窄波段的可调谐太赫兹光源或者探测器,可以实现更高光谱分辨率的测量。在窄波段技术系统中,可调的太赫兹光源或者探测器被调谐到需要的波段,样品在光谱上的反应被直接测量。FTS和窄波段的光谱技术主要用于天文学的研究中,也都被广泛地用于被动监视分子热发射谱线的系统中。

太赫兹时域光谱是一种十分有效的相干探测技术,是太赫兹技术中应用最为普遍的技术之一,它是通过飞秒激光脉冲得到太赫兹脉冲,进而得到幅值和相位信息。通常的TDS系统光路基本由超快飞秒激光器、太赫兹发射元件、太赫兹探测元件和时间延迟控制系统组成,如图3-2所示。(www.xing528.com)

图3-2　太赫兹时域光谱系统示意

太赫兹时域光谱系统的实现方式主要有透射式、反射式、差分式和椭偏式等,其中最常用的是透射式和反射式两种。这两种系统的基本工作原理大致相同：飞秒激光脉冲被分束器分成两束光,一束是泵浦光,用于激发太赫兹发射元件产生超短太赫兹脉冲;另一束是探测光,用于探测太赫兹脉冲的瞬时电场振幅,通过扫描探测激光和太赫兹脉冲相对时间延迟获得太赫兹脉冲电场强度随时间变化的波形,最后连接到锁相放大器上,经计算机进行相应的数据采集和处理。

通过太赫兹时域光谱系统可以获得时域波形的振幅和相位信息,并由快速傅里叶变换可同时获得被测样品的吸收和色散光谱的频域波形,且太赫兹脉冲峰值功率很高,脉宽在皮秒量级,便于进行时间分辨的研究。同时,通过对测定到的频谱数据进行处理和分析,由此能够得到被测物的折射率和吸收系数等参数曲线。太赫兹时域光谱系统的这些独特性质能够很好地应用于太赫兹成像技术中,对提高太赫兹成像的分辨率和辨别度有着重要的意义。