太赫茲時域光譜技術原理分析和應用

太赫茲時域光譜技術是最新的電磁波譜技術。作為近年來頗受關注的一個技術領域，太赫茲技術在很多基礎研究領域、工業應用領域、醫學領域、軍事領域及生物領域中有重要的應用前景。

電磁波譜技術作為人類認識世界的工具，擴展了人們觀察世界的能力。人眼借助于可見光可以欣賞五顏六色的世界，利用付利葉變換紅外光譜技術和拉曼光譜技術等可以了解分子的振動和轉動等性質，利用X射線衍射技術可以了解物質的結構信息。而太赫茲光譜技術作為新興的光譜技術能夠與紅外、拉曼光譜技術形成互補，甚至在某些方面能夠發揮不可替代的作用，從而成為本世紀科學研究的熱點領域。太赫茲光譜技術不僅信噪比高，能夠迅速地對樣品組成的微細變化做出分析和鑒別，而且太赫茲光譜技術是一種非接觸測量技術，它能夠對半導體、電介質薄膜及物體材料的物理信息進行快速準確的測量。

太赫茲輻射（THz輻射，1THz=1012Hz）在電磁波譜上位于微波和紅外之間，屬于遠紅外波段，如圖1所示。

圖1太赫茲波段在電磁波譜中的示意圖

通常所研究的THz輻射指的是頻率在0.1THz～10THz，即波長在30μm～3mm，波數在3.3cm-1～330cm-1之間的電磁波段。現在，太赫茲時域光譜技術所發展的100GHz到3THz之間的線性光譜學，為物質探測提供了巨大的靈活性。近十幾年來，由于超快激光技術的迅速發展，這為太赫茲脈沖的產生提供了穩定、可靠的激發光源，使太赫茲輻射的產生和應用得到進一步的發展。

1、太赫茲時域光譜技術的優勢

目前，國際上對太赫茲輻射已達成如下共識，即太赫茲是一種新的、有很多獨特優點的輻射源。太赫茲技術是一個非常重要的交叉前沿領域，給技術創新、國民經濟發展和國家安全提供了一個非常誘人的機遇。它之所以能夠引起人們廣泛的關注、有如此之多的應用，首先是因為物質的太赫茲光譜（包括透射譜和反射譜）包含著非常豐富的物理和化學信息，所以研究物質在該波段的光譜對于物質結構的探索具有重要意義;其次是因為太赫茲脈沖光源與傳統光源相比具有諸如瞬態性、寬帶性、相干性、低能性等很多獨特的性質，利用太赫茲脈沖可以分析材料的性質，其中太赫茲時域光譜（THz-TDS）是一種非常有效的測試手段.THz-TDS技術是太赫茲光譜技術的典型代表，出現于20世紀90年代，是一種新興的、非常有效的相干探測技術。

THz-TDS技術有如下一些特性：

1）THz-TDS系統對黑體輻射不敏感，在小于3THz時信噪比可高達104，這要遠遠高于傅立葉變換紅外光譜技術，而且其穩定性也比較好。

2）由于THz-TDS技術可以有效地探測材料在太赫茲波段的物理和化學信息，所以它可以用于進行定性的鑒別工作，同時它還是一種無損探測方法。

3）利用THz-TDS技術可以方便、快捷地得到多種材料如電介質材料、半導體材料、氣體分子、生物大分子（蛋白質、DNA等）以及超導材料等的振幅和相位信息。

4）在導電材料中，太赫茲輻射能夠直接反映載流子的信息，THz-TDS的非接觸性測量比基于Hall效應進行的測量更方便、有效。而且，THz-TDS技術已經在半導體和超導體材料的載流子測量和分析中發揮出了重要的作用。

5）由于太赫茲輻射的瞬態性，可以利用THz-TDS技術進行時間分辨的測量。另外，THz-TDS技術還具有寬的帶寬、探測靈敏度高，以及能在室溫下穩定工作等優點，所以它可以廣泛地應用于樣品的探測。以上這些特點決定了太赫茲技術在很多基礎研究領域、工業應用領域、醫學領域、生物領域、軍事領域及國家安全中有重要的應用前景。

2、太赫茲時域光譜系統

THz-TDS系統是基于相干探測技術的太赫茲產生與探測系統，能夠同時獲得太赫茲脈沖的振幅信息和相位信息，通過對時間波形進行傅立葉變換，能直接得到樣品的吸收系數和折射率、透射率等光學參數。太赫茲時域光譜有很高的探測信噪比和較寬的探測帶寬，探測靈敏度很高，可以廣泛應用于多種樣品的探測。

THz-TDS系統可分為透射式、反射式、差分式、橢偏式等，其中最常見的為透射式和反射式THz-TDS系統。典型的THz-TDS系統如圖2所示，它主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產生裝置及相應的探測裝置，以及時間延遲控制系統和數據采集與信號處理系統組成。目前，在THz-TDS技術中常用來產生太赫茲脈沖的方法主要有3種：光導天線、半導體表面輻射和光整流，而相應的探測方法也主要有3種：熱輻射計、光導開關和電光取樣。

圖2典型的太赫茲時域光譜系統

在太赫茲光譜系統中最常用的飛秒激光器是鈦寶石鎖模激光器，它能產生波長在800nm左右的飛秒激光脈沖。飛秒激光脈沖經過分束鏡后被分為泵浦脈沖和探測脈沖，前者經過時間延遲系統后入射到太赫茲輻射產生裝置上產生太赫茲脈沖，后者和太赫茲脈沖一同共線入射到太赫茲探測裝置上，并以此來驅動太赫茲探測裝置進行測量。通過控制時間延遲系統來調節泵浦脈沖和探測脈沖之間的時間延遲，最終可以探測出太赫茲脈沖的整個時域波形。通過傅立葉變換就可以得到被測樣品的頻域譜，從而獲得其吸收系數和折射率、透射率等光學參數（見圖2）。

太赫茲時域光譜系統的信噪比和動態范圍，除了與太赫茲發射極的材料及輻射機理有關外，主要還取決于飛秒激光器的性能，而且太赫茲脈沖光譜儀的大小和費用也取決于飛秒激光器。又因為THz-TDS系統主要有透射式和反射式兩種，所以用它既可以作透射探測，也可以作反射探測。在實際應用中，可以根據不同的樣品，不同的測試要求采用不同的探測方式。

3、太赫茲時域光譜技術原理

3.1、透射式太赫茲時域光譜技術

如圖2所示，在時域光譜系統中可測得含有樣品信息的太赫茲透射脈沖Esam（t）和不含樣品信息的參考脈沖Eref（t），然后分別對它們進行傅立葉變換，將它們轉換到頻域中的復值Esam（w）和Eref（w），可求出它們的比值為：

3.2、反射式太赫茲時域光譜技術

反射式THz-TDS系統在實驗技術上要求比較高。這是因為掃描參考信號時，樣品架的位置應該放上與樣品的表面結構基本一樣的金屬反射鏡，而且要求反射鏡的位置和樣品的位置嚴格復位。這就加大了樣品、樣品架及用作參考的金屬反射鏡的制作難度。它的參數提取方法與透射式系統相比也有共通之處。

3.3、其他探測方法

另外，THz-TDS技術還包括泵浦探測技術以及基于連續波（CW）太赫茲輻射的互相關THz-TDS技術。太赫茲發射光譜技術是直接探測由樣品所激發產生的太赫茲脈沖輻射方法。由前文可知，樣品在被超短飛秒脈沖激發之后所輻射出的太赫茲脈沖包含了關于瞬態電流強度或極化強度的信息。通過直接測量太赫茲脈沖輻射可以研究樣品中的超快過程，從而得到樣品的各種性質。這種技術可以用于研究量子結構、半導體表面、等離子體、磁場在載流子動力學中的影響等等。

泵浦探測技術是利用延遲的太赫茲脈沖來探測樣品，研究樣品在超短強激光脈沖激發下的反應函數，該項技術是基于透射式光譜系統發展而來的，所不同的是在樣品上加一束激發光。此項技術可成功地用于半導體、超導體、和液體中載流子動力學的研究。

4、太赫茲時域光譜技術的應用

THz-TDS技術可以用來研究平衡系統和非平衡系統。對于平衡系統，主要是獲取材料樣品在太赫茲波段的復折射率;而對于非平衡系統，主要是通過研究太赫茲脈沖的波形來獲取材料樣品中的電流強度或極化強度的瞬態變化。根據不同的樣品、不同的測試要求可以采用不同的探測裝置。另外，正如前文所述，利用THz-TDS技術還可以研究半導體電性的非接觸特性、鐵電晶體和光子晶體的介電特性、生物分子中小的生物分子之間的分子間相互作用以及生物大分子的低頻特性等等。而基于THz-TDS技術的太赫茲時域光譜成像技術更有其廣袤的應用領域和美好的應用前景。

5、總結和展望

太赫茲時域光譜系統技術作為一種新興的太赫茲技術，由于其獨有的優點，使其在近十年間得到了快速的發展及廣泛的應用。但是目前THz-TDS技術的光譜分辨率與窄波段技術相比還很粗糙，其測量的頻譜范圍也比傅立葉變換光譜（FTS）技術小。提高光譜分辨率和擴大測量頻譜范圍將是未來THz-TDS技術發展的主要方向。同時，現有的太赫茲時域光譜系統及成像系統的設備不僅價格昂貴，信息處理過程也很復雜，有待于進一步實用化。隨著激光器成本的降低，更高效的太赫茲發射器和探測器的出現，以及更先進的光學設計，THz-TDS技術將有著廣闊的商業應用前景。為了在現場應用太赫茲技術，還要使太赫茲系統向微型化發展.