太赫茲時域光譜與頻域光譜研究綜述（四）

除此之外, 還有量子級聯激光器、 微波倍頻、 氣體激光等方法用來產生窄帶連續波太赫茲輻射。 表5總結了不同的太赫茲連續波發射源的相關參數對比。

表5 太赫茲連續波發射源的比較Table 5 Comparison of terahertz continuous-wave emission sources

2.1.2 接收器

測量頻域光譜儀中的太赫茲連續波, 既可以使用非相干的探測技術, 又可以使用相干探測技術。 目前最常用的相干探測技術為混頻器差頻檢測, 最常用的非相干探測技術為熱釋電探測。

(1)混頻器和差頻檢測

混頻器是一種非線性電子學元件。 它可以以直接探測的形式測量太赫茲輻射(屬于非相干探測, 靈敏度較低)。 但是, 它的更常見的應用方式是與本地振蕩器結合進行差頻測量, 從而極大地提高測量靈敏度, 并且由于是相干測量, 還能提供相位信息。 如圖11所示, 差頻測量裝置需要一個本地振蕩器。 該本地振蕩器產生一個和待測信號頻率接近的單一頻率電磁波, 稱作參考波。 待測信號和參考波同時通過混頻器進行差頻, 產生一個中頻波。 相對于待測信號而言, 該中頻波的頻率較低, 容易用電子學方法進行放大與處理。 這一中頻波經過一個特定頻率的濾波器濾波后, 再進行放大, 即可獲得特定頻率的信號。 由于差頻測量具備帶通濾波的特性, 因此它可以用來進行頻譜的測量, 而且具備很高的靈敏度。 它的噪聲等效功率能達到10^-21~10^-19 W· Hz^-1, 遠高于直接探測的方式。 常用的混頻器有肖特基二極管混頻器、 超導體-絕緣體-超導體混頻器以及熱電子輻射熱計混頻器三種形式。 其中, 前者可以工作在常溫下, 而后兩者則需要在低溫下工作。 相對而言, 肖特基二極管混頻器的靈敏度較后兩者低; 超導體-絕緣體-超導體混頻器可以工作在亞太赫茲波段(低于1 THz), 而高頻的測量需要使用熱電子輻射熱計混頻器。 差頻探測的缺點是需要本地振蕩器, 增加了成本和操作的復雜性, 而且不容易將其集成為探測器陣列。

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	圖11 差頻檢測示意圖Fig.11 Schematic diagram of difference-frequency detection

(2)熱釋電探測器

熱釋電探測器利用熱釋電效應探測太赫茲輻射的功率。 熱釋電效應即當晶體的溫度改變時, 其兩端產生電勢差的現象。 具有熱釋電效應的晶體, 其晶胞具有極性。 熱釋電探測器利用熱釋電晶體在受到輻射時的溫度改變, 從而引起的電壓改變來測量輻射在該晶體上的能量。 常見的熱釋電晶體包括氯化硫酸三甘氨酸(DTGS)和鉭酸鋰等。 雖然熱釋電探測器的靈敏度低, 但是它結構精簡, 便于操作, 且可工作在常溫條件下。 當前, 熱釋電二維探測器陣列已經成為產品。

除此之外, 常用的非相干探測技術還有輻射熱計、 戈萊盒等。 非相干探測技術的優點是可以探測的頻段非常寬, 而且使用相對比較簡單; 缺點包括靈敏度低, 被背景噪聲影響較大, 不能反映相位信息, 而且其響應速度一般比較慢。 而相干探測技術的特點恰好相反。 表6給出了不同的太赫茲連續波探測器的相關參數對比。

表6 太赫茲連續波探測器的比較Table 6 Comparison of terahertz continuous-wave detectors

2.1.3 典型的頻域光譜儀結構原理

目前太赫茲領域中最典型的頻域光譜儀主要以非線性光學混頻技術與混頻器為結構基礎。 1995年Brown等通過實驗證明了利用DFB半導體激光器和低溫生長的GaAs混頻器能夠產生連續頻率可調的THz光源輻射^[43], 頻率可達5 THz, 但是功率較低。 1998年他們又利用DFB半導體激光器和兩片低溫GaAs混頻器實現了連續THz的光源輻射和探測^[44], 證明了以DFB半導體激光器和GaAs混頻器為基礎的頻域太赫茲光譜儀的穩定性。 它主要由兩個DFB半導體激光器、 GaAs混頻器、 鎖定探測裝置、 加壓裝置組成, 其裝置示意圖如圖12。 來自兩個DFB半導體激光器的光束先匯合再分束, 其中一束輻射到加有偏壓裝置的混頻器上產生THz波, 該波經過樣品后到達作為探測器的混頻器上與分束的另一束激光匯合, 二者混頻之后產生出可以探測的電流信號。 由于是相干探測, 能同時探測到樣品THz頻譜的相位和幅度。 以這種方式組建的太赫茲頻域光譜儀, 不僅擁有回波管(BWO)系統所有的優點, 并且由于DFB半導體激光器、 混頻器等器件的輕便簡單與耐用性強, 使得整個系統更加精簡、 容易操作。

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	圖12 典型太赫茲頻域光譜儀實驗裝置圖Fig.12 Schematic diagram of typical THz-FDS system

2004年, 加利福尼亞大學的Bjarnason等, 利用摻雜Er原子的低溫低生GaAs基片, 實現了20 GHz~2 THz的輻射, 功率在88 GHz時最高可達12 μ W^[45]。 這為太赫茲頻域光譜儀提供了更為理想的輻射光源, 也使人們對于太赫茲頻域光譜儀的研究與使用步入了一個新的階段。

2.1.4 儀器性能特點

太赫茲頻域光譜儀相對于時域光譜儀而言有著自己獨特的優勢:

(1)它可以測量樣品對某一特定頻率太赫茲波的響應時間或者其他物理量的連續變化曲線, 進行定頻測量, 時域光譜儀不具備此特點;

(2)頻域光譜儀的測量分辨率較高, 一般在MHz的水平, 遠高于時域光譜儀的測量分辨率;

(3)頻域光譜儀在測量中得到樣品信息直接在頻域譜上呈現, 不需要像時域光譜儀一樣進行傅里葉變換等繁瑣的數據處理, 有效地減少了系統誤差, 提高了實驗結果的可靠性。

作為一種新興的太赫茲光譜系統, 太赫茲頻域光譜儀相比于時域光譜儀的發展來說并不是十分成熟, 存在著一些顯著的缺陷。 首先, 在高頻率下工作時, 頻域太赫茲光譜儀過低的輻射功率導致常規的輻射熱量儀無法進行探測; 其次, 頻域光譜儀與時域光譜儀相比, 所能測量的頻譜帶寬要窄很多。 這些不足在一定程度上制約了頻域光譜儀在實際生產中的應用, 其性能還有很大的提升空間。

2.2 應用領域

太赫茲頻域光譜在研究需要高光譜分辨率體系和物理系統單頻響應方面有著重要的應用。 圖13即為典型的太赫茲頻域光譜儀測量樣品所得到的頻域譜。

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	圖13 典型太赫茲頻域光譜圖Fig.13 Typical terahertz frequency domain spectrogram