第三章--太赫兹波的探测

第三章太赫兹波的探测和太赫兹辐射源一样，太赫兹探测也是太赫兹科技中的另一项关键技术，是太赫兹技术投入到实际应用的另一关键环节。由于目前太赫兹辐射源的功率普遍都较低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。太赫兹的探测方法比较多，不过依据太赫兹辐射的形式不同，可以将它们大致分为太赫兹脉冲辐射的探测和太赫兹连续波信号的探测两类。另外，本章对太赫兹单光子的探测技术也做了简要的介绍。3.1脉冲太赫兹信号探测光电导取样和电光取样是两种应用最广的相干探测THz脉冲的方法。其中，电光取样又可分为时分电光取样和波分电光取样两种。此外，对应第二章中的空气产生太赫兹辐射的相关内容，本节会相应介绍一下利用空气探测太赫兹脉冲。3.1.1光电导取样光电导取样是基于光导天线（photoconductiveantenna,PCA）发射机理的逆过程发展起来的一种探测THz脉冲信号的探测技术。如要对THz脉冲信号进行探测，首先，需将一个未加偏置电压的PCA放置于太赫兹光路之中，以便于一个光学门控脉冲（探测脉冲）对其门控。其中，这个探测脉冲和泵浦脉冲有可调节的时间延迟关系，而这个关系可利用一个延迟线来加以实现；尔后，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在PCA上的偏置电场，以此来驱动那些载流子运动，从而在PCA中形成光电流。最后，用一个与PCA相连的电流表来探测这个电流即可，如图3-1所示。其中，这个光电流与THz瞬时电场是成正比的。图3-1光电导偶极天线探测脉冲（飞秒量级）的持续时间要远短于太赫兹脉冲（皮秒量级）的，所以通过改变这两个脉冲之间的时间延迟，就可以“取样”出THz的波形来，可参见图3-2。其中，这里所探测到的太赫兹信号只是入射太赫兹脉冲与PCA响应函数的卷积。在实际的光谱实验中，探测器和发射极的响应可以通过解卷积来求得，也可将信号与参考脉冲正交化来求得。最常用的光导天线是在低温生长的砷化镓（LT-GaAs）上制作的，PCA探测器的最大带宽约为2THz。近年来，利用持续时间约为15飞秒的超快门控脉冲，可使探测带宽达到40THz。现在这种方法普遍采用的低温生长的GaAs、Si、半绝缘的InP等作为工作介质。图3-2光电导取样过程3.1.2电光取样电光取样技术具有极宽的频谱响应和很高的信噪比。此外由于其测量孔径大，因而也可以用此项技术进行直接二维成像测量。其中，时分电光取样，即自由空间电光取样是对太赫兹脉冲的时间波形进行取样测量的；而波分电光取样则是将太赫兹脉冲的时域波形一次复制到被啁啾展宽的啁啾脉冲的各频率分量上，在通过对啁啾脉冲的光谱测量得到太赫兹波形。1.时分电光取样电光取样测量技术基于线性电光效应：当太赫兹脉冲通过电光晶体时，它会发生瞬态双折射，从而影响探测（取样）脉冲在晶体中的传播。当探测脉冲和太赫兹脉冲同时通过电光晶体时，太赫兹脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性的改变，致使探测脉冲的偏振态发生变化。调整探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟，检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到太赫兹脉冲电场的时域波形。图3-3电光采样原理自由空间电光取样太赫兹探测，如图3-3所示。图中的激光器为飞秒激光器，当它所发出的飞秒激光脉冲激光分束器之后，分为探测脉冲和泵浦脉冲。泵浦脉冲是用来激发太赫兹发射极使其产生太赫兹脉冲，然后太赫兹脉冲又被离轴抛物面镜准直聚焦后，经半透镜照射到电光晶体之上，电光晶体的折射率椭球将会被其改变。当线偏振的探测脉冲在晶体内与太赫兹光束共线传播时，它的相位会被调制。由于电光晶体的折射率会被太赫兹脉冲电场改变，所以探测光经过电光晶体时，其偏振状态将会由线偏振转变为椭圆偏振，再经偏振分束镜（这里常用的是沃拉斯通（Wollaston）棱镜）分为s偏振和p偏振两束，而这两束光的光强差则正比于太赫兹电场。使用差分探测器可以将这两束光的光强差转换为电流差，从而探测到太赫兹电场随时间变化的时域光谱来。利用机械电动延迟线可以改变太赫兹脉冲和探测脉冲的时间延迟，通过扫描这个时间延迟可得到太赫兹电场的时域波形。为了提高灵敏度和压缩背景噪声，可以采用机械斩波器来调制泵浦光，而后利用锁相探测技术，即可获得太赫兹电场振幅和相位的信息。常用的电光晶体主要有ZnTe、ZnSe、CdTe、LiTaO3、LiNbO3、GaP等。其中ZnTe电光晶体在灵敏度、测试带宽和稳定性等方面的性能都优于其他晶体。有机电光晶体DAST也可以用来探测THz波。2.波分电光取样传统的时域光谱测量如泵浦-探测法太赫兹时域光谱，利用机械电动平移台来改变泵浦脉冲和探测脉冲之间的光程差，以此实现对样品的逐点扫描。而载有泵浦脉冲的探测脉冲的强度和偏振态会在每一个瞬间的时间延迟被记录下来。通常情况下，时域扫描测量中的数据获取是一连续的过程，而探测脉冲取样期间所记录的信号只是太赫兹波形的很小一部分（探测脉冲的脉冲持续时间）。由于对一个太赫兹脉冲的时域扫描仅为几十皮秒，所以这种探测法的数据采集速率很慢（100Hz以内）。很显然，这种数据采集速率不能满足对快速运动物体的时域太赫兹光谱，如火焰分析等实时测量的需要。为了提高采集速率，可采用并行数据采集，即波分电光取样，也可称其为啁啾脉冲光谱探测。图3-4啁啾脉冲测量装置图，其中R表示参考光谱，S表示信号光谱。对波分和时分电光取样的光路系统进行比较可知，它们大体上是相同的，只是波分电光取样光路系统中多有一对用来对探测光束进行啁啾展宽的光栅对，另外它所用的探测器是电荷耦合器件（CCD）而不是时分电光取样光路系统中所用的差分探测器，如图3-4所示。当探测脉冲经过光栅对之后，它会被频率啁啾以及时间展宽。而且，由于光栅的负啁啾效应，脉冲的短波部分会超前于长波部分。此外，这套系统中的延迟线只是用于将太赫兹脉冲定位于同步光探测脉冲（获得窗口）的持续时间内和时域标定。当啁啾探测脉冲和太赫兹脉冲共线通过ZnTe晶体时，由于朴克尔效应（Pockelseffect），啁啾脉冲的不同波长极化分量会被太赫兹脉冲场的不同部分所旋转，而旋转的角度和方向则正比于太赫兹场的强度和极性。而后经过光学检偏器，这时探测脉冲光谱由偏振调制转化为振幅调制。光谱仪在这里的作用是将准直过了的探测脉冲聚焦到CCD相机上。由于探测器阵列（CCD）的动态范围有限，所以电光调制应在探测光的零透射附近完成，以避免探测器达到饱和。另外，ZnTe晶体的剩余双折射会造成背景调制。而与背景光相比，探测脉冲的净变化很小，因此，即使在光路中使用了正交检偏器，这种电光取样测量还是可以近似为一种线性测量。对比有无太赫兹调制下的光谱，它们差值正比于太赫兹电场，如图3-5（a）所示。而通过改变太赫兹脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，可以发现太赫兹调制在光谱上发生了移动，见图3-5(b)，由此可知我们所要利用时域窗口在哪儿，以及证实了前文所说的这种电光取样确是一种线性测量。图3-5实验结果：(a)有和无太赫兹调制的光谱分布；(b)不同太赫兹-探测延迟下的各个信号。因为啁啾脉冲测量是一种并行测量，所以单个啁啾脉冲包含了所有的光谱信息。由此可知，使用单个啁啾脉冲测量是可行的。图3-6给出了单个啁啾脉冲的空间-时间图像。图3-6单啁啾脉冲空间时间成像对于单点测量，没有太赫兹调制的参考光谱（R）会被同时输入到光谱仪和CCD之中做动态参考，因此利用单个啁啾脉冲是可以实现单脉冲测量的。由于激光辐射波动能被动态修正，因而这种方法的信噪比也就非常高，如图3-7所示。图3-7实际的单脉冲测量.R：参考光谱，S：信号光谱啁啾脉冲测量技术的并行取样特性具有传统取样技术所无法匹及之处：单脉冲取样测量、超快测量速度。由于这些特点，此项技术可用于研究传统取样技术所不适用的情况，如对那些不可重复性事件的研究，这其中又包括：发射极开启、非太赫兹信号的空间-时间成像、非同步微波和其他非同步超快现象、非线性效应等。虽然啁啾脉冲测量相比于自由空间电光取样的数据获取速度有极大的提高，但是由于啁啾脉冲测量技术是频域技术，而太赫兹脉冲是在时域中调制啁啾探测脉冲的，信号却是在频域被提取得，所以它的时间分辨率由于时间-频率关系而受到限制。另外，对太赫兹信号的并行测量技术除了啁啾脉冲测量之外，还有超快扫描相机，二维（2D）成像等。其中，超快扫描相机是在时域中对太赫兹信号进行测量的，而2D实时成像是利用超快CCD相机来实现的。3.1.3光电导取样与电光取样的比较光电导取样和电光取样都可用来测量自由传播的太赫兹脉冲。而比较两种方法的机制是有价值的。对于低频太赫兹信号(小于3THz)和低斩波频率(kHz量级)，光电导取样有较高的信噪比（SNR，约2个量级)。然而，对于高频斩波技术，电光取样可以大大降低噪声（约2量级），使两种方法的SNR相当。如果频率大于几个太赫兹，光电导取样的可用性会大大降低，而电光取样却仍有很高的灵敏度。图3-8光电导取样和电光取样的比较如图3-8所示，它表示的是由相同发射极产生的，分别由光电导取样和电光取样所测脉冲的能量要比光电导取样低的多，使其具有并行探测到的太赫兹信号。由图可知：电光取样获得的波形明显比光电导取样的窄,由此电光取样的探测频谱较宽。这是因为光电导天线探测太赫兹波时所产生的光生载流子的寿命较长，而且ZnTe晶体在5.3THz处还存在着横向声子吸收，因此它的探测带宽较窄。而电光取样的时间响应只与其所用的电光晶体的非线性性质有关，所以它有较高的探测带宽。另外，由于电光取样所需的探测量的能力，而且它在二维相干太赫兹成像具有很好的应用前景。虽然电光取样的光路调节要比光电导天线的容易，并且其稳定性也要好的多。但是，由于电光取样技术对激光噪声很灵敏，对它的光路调节也是相当麻烦的。3.1.4空气探测太赫兹相对于空气产生太赫兹辐射，同样也可以用空气来探测太赫兹。由于空气无处不在解为三阶非线性效应，类似于在空气中（3-1）两个基频光子与一个太赫兹光子作用产生一个二次谐波光子。它们的偏振状态相，所以空气传感器的最大优势在于能够灵活选择感测位置。前文介绍了利用三阶非线性极化效应在空气中产生太赫兹波的方法，与其相似，也可以利用三阶非线性效应在空气中探测太赫兹波。现着重介绍以下两种装置：（1）探测太赫兹波作用下泵浦脉冲的旋转度；（2）探测空气、太赫兹波及探测脉冲相互作用所产生的二次谐波。前者检测偏振旋转度。后者则检测不同探测脉冲频率下的信号。在背景不强的情况下也能探测到弱信号。此装置已用于液、固体研究，即太赫兹场感生二次谐波(T-FISH)，但还未对气体进行过研究。通常，太赫兹场感生二次谐波的概念可以理产生太赫兹波的方式，可用下式表示：)t(E)t(E)t(E)t(E3(xxxTHz)3(xxxx2ωωωχτχ=−∝)t(I)t(ETHz)xωτ−同。由)t(E)t(E)t(E)t(ETHz2ωωωτ−∝可知，二次谐波的信号强度正比于太赫兹波的强度：)t(空气传感器满足I)t(ITHz2τω−∝，而公式（3-1）是非相干性的，因此丢失了相位信息。1.相干探测太赫兹时域光谱系统是一种太赫兹的相干探测方式。利用本机振荡器进行外差检波（3-2）（3-3），χ(3)为空气极化系数，β从1开始。只考则能实现相干探测。考虑二次谐波本机振荡器的贡献ELO2ω（在石英透镜或等离子体白光上产生高能量激光脉冲，有效极化系数为χ），则电场振荡一个周期后平均时间内二次谐波的总强度可表示为：E()EE()E(I22LO2signal222ωωωω=+=∝)(cosEE(2)E()2LO2signal22LO22signalϕωωωω++其中φ表示Esignal2ω与ELO2ω之间的相位差。另外，THz)3(THz)3(2signalEIEEEEωωωωχχ=∝βωωχIE2LO∝（3-4）其中的三阶极化系数，χ为有本机振荡器的虑透镜或滤波器表面产生的二次谐波时，χ=χ(2)（二阶极化系数），β=1，ωωχIE)2(2LO∝。但本机振荡器还可能来自等离子体中的白光，因而χ与高阶特别在空气转变为电离