太赫茲光譜技術簡單介紹及應用詳解

1、太赫茲介紹

太赫茲（THz）輻射通常指的是頻率在0．1THz一10THz（波長在30m～3mm）之間的電磁波，其波段在微波和紅外光之問，屬于遠紅外波段．有著豐富的物理和化學信息。同時，THz輻射的優點決定了它在很多方面可以成為傅立葉變換紅外光譜技術和x射線技術的互補技術，使THz電磁波在很多基礎研究領域、工業應用及軍事應用領域有相當重要的應用。隨著THz技術的發展，THz技術的應用領域也在不斷地拓寬，它在生物學、醫學、微電子學、農業及其它領域也有很大的應用潛力。目前，世界上許多研究機構相繼開展了THz技術的深入研究，并且已取得了很多重要的進展。

THz脈沖光源與傳統光源相比具有很多獨特的性質：

（1）瞬態性：THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級，不但可以方便地進行時間分辨的研究。而且通過取樣測量技術，能夠有效地抑制背景輻射噪音的干擾。目前，輻射強度測量的信噪比可大于l0m。

（2）寬帶性：THz脈沖源通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可覆蓋從GHz至幾十THz的范圍。

（3）相干性：THz的相干性源于其產生機制，它是由相干電流驅動的偶極子振蕩產生．或是由相干的激光脈沖通過非線性光學差頻變換產生。

（4）低能性：THz光子的能量只有毫電子伏特，因此不容易破壞被檢測的物質。

2、太赫茲與物質的相互作用

1）基本原理

目前研究太赫茲和物質相互作用一般采用里得伯原子模型（Rydbergatom），該模型中原子的電子具有很高的主量子數。

圖1所示為只有一個價電子的里德伯原子模型的示意圖。

圖1里德伯原子模型簡圖

里德伯原子模型采用波爾半徑經典原子理論來　　描繪核外電子的運動，認為核外電子繞核運動，其角動量是量子化的。電子只能在量子化的特定軌道上運動，并且具有特定的量子化的能級。

相比于紅外和可見光，太赫茲的頻率很低．光子的能量也非常小。在里德伯原子模型中。如果主量子數n=lO0，電子離核的距離n2ao1m，對應的偶極矩dR=nZeaol0D，這個尺度比常見的極性分子CO和HO大了好幾個數量級。此時的結合能En—lmeV，和太赫茲光子的能量相當。所以太赫茲光子適合于和大的偶極矩和小結合能特征的里德伯原子相互作用。

2）太赫茲與水的相互作用

由于水對開展太赫茲光譜的使用具有特別重要的的影響，所以，需要盡可能地詳細研究水和太赫茲的相互作用圜。圖2所示為水和冰在不同溫度下太赫茲波段介電常數實部和虛部的譜分布。

圖2水和冰在不同溫度下太赫茲波段介電常數實部和虛部的譜分布

液態水的介電響應是由若干物理過程決定的，最主要的過程是由兩種分子弛豫過程決定，一種是快弛豫過程（10fs弛豫時間），一種是慢弛豫過程（1Ops弛豫時間）。慢弛豫過程和轉動動力學有關，快弛豫過程目前還沒有研究清楚。另外水分子中強氫鍵相互作用也很明顯。分子中的伸縮在5．6THz處有共振響應，并具有很寬的譜線寬度。

圖3室溫下，水的折射率譜和吸收系數譜

如圖3所示．太赫茲波段水的吸收效應非常明顯，并且，太赫茲對水的吸收還有一個很重要的特點，就是隨著溫度的變化，水的太赫茲吸收系數會有明顯的變化．其結果如圖4所示。

圖4溫度對水太赫茲吸收系數的影響

3、太赫茲光譜技術應用

1）太赫茲光譜測量技術

在THz技術中．THz時域譜fTHz—TDS）是一種非常有效的測試手段。典型的THz時域譜實驗系統主要是由超快脈沖激光器、THz發射元件、THz探測和時間延遲控制系統組成，如圖5所示。來自超快激光器的具有飛秒脈寬的激光脈沖串列被分為兩路。一路作為抽運光，激發THz發射元件產生THz電磁波。THz發射元件可以是利用光整流效應產生THz輻射的非線性光學晶體．也可以是利用光電導機制發射THz輻射的赫茲偶極天線。另一路作為探測光與THz脈沖匯合后共線通過THz探測元件。由于THz波的周期通常遠大于探測光的脈寬，因此探測光脈沖通過的是一個被THz電場調制的接收元件。

圖5THz時域光譜測量實驗系統示意圖

和THz脈沖的激發方式類似，檢測技術也分為兩種：

（1）使用電光（EO）晶體作為THz脈沖接收元件，這里利用了晶體的Pockels效應，即THz電場對探測光脈沖的偏振狀態進行調制：

（2）使用半導體光電導赫茲天線作為THz接收元件，利用探測光在半導體上產生的光電流與THz驅動電場成正比的特性，測量THz脈沖的瞬間電場。延遲裝置通過改變探測光與抽運光間的光程差，使探測光在不同的時刻對THz脈沖的電場強度進行取樣測量。最后獲得THz脈沖電場強度的時間波形。

對THz時間波形進行傅里葉變換，就可以得到THz脈沖的頻譜。分別測量通過試樣前后f或直接從試樣激發的）THz脈沖波形．并對其頻譜進行分析和處理，就可獲得被測樣品介電常數、吸收系數和載流子濃度等物理信息。

在傳統的THz時域譜測量系統的基礎上，加入對被測樣品的調制．就形成了THz時域差異譜技術。應用此技術可實現對微米乃至亞微米量級厚度的薄膜進行介電常數的測量。THz時域光譜技術對材料的光學常數測量的精度可高于1％。由于許多大分子的振動能級或轉動能級間的間距正好處于THz的頻帶范圍．THz時域光譜技術在分析和研究大分子（質量數大于100的分子）方面具有廣闊的應用前景。

2）太赫茲光譜分析技術

傳統上，爆炸物的光譜分析技術主要是拉曼光譜分析技術。拉曼光譜技術是一種基于拉曼散射效應的光譜分析技術，可以根據分子的振動、轉動信息來識別未知化合物。與常規化學分析技術相比，拉曼光譜技術具有無損、快速、準確度高等優點。

目前，軍用炸藥主要有以下幾種類型：

（1）TNT，2，4，6一三硝基甲苯，磷狀結晶片，淡黃色，分子式C7H5N3O6，既有強爆炸力（每英寸225萬鎊的爆炸力），又有高度靈活性（在185攝氏度下溶化，能澆鑄成任何形狀），有毒，在地雷等爆炸后會殘留在土壤中；

（2）DNT，2，4一二硝基甲苯，分子式C7H6N204，是軍用炸藥的主要成分，蒸汽壓力高于TNT。探測其蒸汽濃度可以發現隱藏的地雷或未爆炸的軍火：

（3）HMX，環四次甲基四硝胺，俗稱奧克托金，分子式C4H8N8O8，是生產RDX的副產品，由于爆炸速率極高而與TNT等混合作為形狀填料：

（4）RDX，環三次甲基三硝胺，俗稱黑索今或旋風炸藥，分子式C3H6N6O6，通常用來與其他爆炸材料和可塑劑混合制成塑膠炸藥：

（5）HNIW（CL一20），六硝基六氮雜異伍茲烷（2，4，6，8，10，l2一六硝基；2，4，6，8，10，12一六氮雜四環十二烷），分子式C6H6N12012，是迄今為止能量水平最高的高能量密度化合物。

在實際應用中，反射譜的應用場景是主要的應用場景，下列各圖分別是拉曼反射光譜和THz反射光譜的測量數據。