第四章-太赫兹时域光谱

第四章太赫兹时域光谱电磁波谱技术作为人类认识世界的工具，扩展了人们观察世界的能力。人眼借助于可见光可以欣赏五颜六色的世界，利用红外变换光谱技术和拉曼光谱技术等可以了解分子的振动和转动等性质，利用X射线衍射技术可以了解物质的结构信息。而太赫兹光谱技术作为新兴的光谱技术能够与红外、拉曼光谱技术形成互补，甚至在某些方面能够发挥不可替代的作用，从而成为本世纪科学研究的热点领域。4.1太赫兹时域光谱技术的优势太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是太赫兹光谱技术的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术。由于太赫兹辐射本身所具有的独特性质（可参见第1章1.3节），太赫兹时域光谱技术对应有如下一些特性：（1）THz-TDS系统对黑体辐射不敏感，在小于3太赫兹时信噪比可高达104，这要远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性业比较好。（2）由于THz-TDS技术可以有效的探测材料在太赫兹波段的物理和化学信息，所以它可以用于进行定性的鉴别工作，同时它还是一种无损探测的方法。（3）利用THz-TDS技术可以方便、快捷的得到多种材料如电介质材料、半导体材料、气体分子、生物大分子（蛋白质、DNA等）以及超导材料等的振幅和相位信息。（4）在导电材料中，太赫兹辐射能够直接反映载流子的信息，THz-TDS的非接触性测量比基于Hall效应进行的测量更方便、有效。而且，THz-TDS技术已经在半导体和超导体材料的载流子测量和分析中发挥出了重要的作用。（5）由于太赫兹辐射的瞬态性，可以利用THz-TDS技术进行时间分辨的测量。另外，太赫兹-TDS技术还具有宽带宽、探测灵敏度高，以及能在室温下稳定工作等优点，所以它可以广泛地应用于样品的探测。4.2太赫兹时域光谱系统THz-TDS系统可分为透射式、反射式、差分式、椭偏式等，其中昀常见的为透射式和反射式THz-TDS系统。典型的THz-TDS系统如图4-1所示，它主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置及相应的探测装置，以及时间延迟控制系统组成。目前，在THz-TDS技术中常用的产生太赫兹脉冲的方法主要有两种：光导天线和光整流（详文可参见第2章），而相应的探测方法业主要有两种：光导取样和电光取样（详文可参见第3章）。在太赫兹脉冲光谱中昀常用的飞秒激光器是钛宝石锁模激光器，它能产生波长在800nm左右的飞秒激光脉冲。飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为泵浦脉冲和探测脉冲，前者经过时间延迟系统后入射到太赫兹辐射产生装置上激发产生太赫兹脉冲，后者和太赫兹脉冲一同共线入射到太赫兹探测装置上，以此来驱动太赫兹探测装置。而后通过控制时间延迟系统来调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，昀终可以探测出太赫兹脉冲的整个时域波形。然后通过傅立叶变换就可以得到被测样品的吸收系数和折射率等光学参数（见图4-1）。太赫兹脉冲光谱系统的信噪比和动态范围，除了和太赫兹发射极的材料及辐射机理有关外，主要还取决于飞秒激光器的性能，而且太赫兹脉冲光谱仪的大小和费用也要取决于飞秒激光器。又因为THz-TDS系统主要有透射式和反射式两种，所以用它既可以作透射探测，也可以作反射探测。在实际的实验当中可以根据不同的样品、不同的测试要求可以采用不同的探测方式。图4-1典型的太赫兹时域光谱系统4.3太赫兹时域光谱技术原理4.3.1透射式太赫兹时域光谱技术如上图所示，在时域中可测得含有样品信息的太赫兹脉冲Esam(t)和不含样品信息的探测脉冲Eref(t)，然后分别对它们进行傅立叶变换，将它们转换到频域中的复值)(~ωsamE和)(~ωrefE，可求出它们的比值为:{}}])(~2exp[)]1(~[]1)(~[1]1)(~[exp]1)(~[)(~4])([exp)()(~)(~222dcninndcninndciTEErefsamωωωωωωωωωωφωωω−+−−⎩⎨⎧−−+=−Δ−=其中，)()()(~ωωωiknn−=是复折射率，)(ωT为所测的透射功率，)(ωφΔ表示固有的相移，而d和c则分别表示被测样品的厚度和真空中的光速。从实验中我们可以测得)(ωT和)(ωφΔ，而后由它们可以求出)(ωn和)(ωk。昀后根据所计算出的复折射率，反复对其进行修正，以使测量值和计算值之间的误差减到昀小。根据昀后所得到的复折射率，很容易能够将其转换为复相对介电常数（也可以是复介电常数）)()()(~21ωεωεωεi−=，或者是复电导率)()()(~21ωσωσωσi−=。它们之间的关系是)(~)(~2ωωεn=(1，)()20ωωεεωσ=，])([)(102∞−−=εωεωεωσ。其中，∞ε为物质在足够高的频率条件下的介电常数，0ε为物质在自由空间的介电系数。太赫兹辐射也可以通过干涉测量法来测得，但是这种方法的缺点是只能测出振幅信息，而相位信息却丢失了。所以利用这种方法很难得到复折射率。4.3.2反射式太赫兹时域光谱技术如果被测样品是光厚介质（如重掺杂载流子的半导体）的话，那么则需要使用反射式THz-TDS来对其进行探测。将从样品上和反射镜上所测得的脉冲信号和进行傅立叶变换后可得到各自的复值)(tEsam)(tEref)(~ωsamE和)(~ωrefE。在垂直入射的条件下，它们的比值为;)](~1)][(~1[)](~1)][(~1[)](exp[)()](exp[)()(~)(~ωωωωωφωωφωωωrefrefrefrefsamnnnniRiREE−++−=Δ−Δ−=上式中)(~ωrefn表示反射镜的折射率。这里还要求反射镜的表面和样品放置在同一水平面上，稍微的错位就会导致相位变化很大，所以它们之间的误差要尽量减小到1μm以下。如果考虑样品内部的多次反射的情况，则上式可变为：}}⎩⎨⎧−−−−−−+×−−−+⎩⎨⎧−−−=])(~2exp[1]1)(~[])(~2exp[]1)(~[]1)(~[])(~2exp[]1)(~[]1)(~[])(~2exp[1]1)(~[)(~)(~222222dncindncinndncinndncinEErefrefrefrefrefRrefRsamωωωωωωωωωωωωωωωω其中，在反射测量中的错位问题可以将太赫兹-TDS技术、衰减全反射（ATR）和椭圆计法结合起来予以解决。反射式THz-TDS系统在实验技术上要求比较高。这是因为扫描参考信号时，样品架的位置应该放上与样品的表面结构基本一样的金属反射镜，而且要求反射镜的位置和样品的位置严格复位。这就加大了样品、样品架及用作参考的金属反射镜的制作难度。它的参数提取方法与透射式系统相比也有共通之处。4.4其他探测方法另外，THz-TDS技术还包括太赫兹发射光谱技术以及泵浦-探测探测技术，还有基于连续波（CW）太赫兹辐射的互相关THz-TDS技术。太赫兹发射光谱技术是直接探测由样品所激发产生的太赫兹脉冲辐射。由前文可知，样品在被超短飞秒脉冲激发之后所辐射出的太赫兹脉冲包含了关于瞬态电流强度或极化强度的信息。通过直接测量太赫兹脉冲辐射可以研究样品中的超快过程，从而得到样品的各种性质。这种技术用于研究量子结构、半导体表面、冷等离子体、磁场在载流子动力学中的影响等等。泵浦-探测技术是利用延迟的太赫兹脉冲来探测样品，研究样品在强超短激光脉冲激发下的反应函数，。该项技术是基于透射式型谱系统发展而来的，所不同的是在样品上加上一束激发光。利用此项技术可以成功的研究半导体、超导体、和液体中的载流子动力学。4.5太赫兹时域光谱技术的应用THz-TDS技术可以用来研究平衡系统和非平衡系统。对于平衡系统，主要是获取材料样品的在太赫兹波段的复折射率；而对于非平衡系统，主要是通过研究太赫兹脉冲的波形来获取材料样品中的电流强度或极化强度的瞬态变化。根据不同的样品、不同的测试要求可以采用不同的探测装置。另外，正如前文所述，利用THz-TDS技术还可以研究半导体电性的非接触特性、铁电晶体和光子晶体的介电特性、生物分子中小的生物分子之间的分子间相互作用以及生物大分子的低频特性等等。而基于太赫兹时域光谱技术的太赫兹时域光谱成像技术更有其广袤的应用领域和美好的应用前景（可参见第5章的相应章节）。4.6总结和展望THz-TDS技术作为一种较新的太赫兹技术，由于其独有的优点，使其在近十年间得到了快速的发展及广泛的应用。但是目前THz-TDS技术的光谱分辨率与窄波段技术相比还很粗糙，其测量的频谱范围也比傅立叶变换光谱（FTS）技术小。提高光谱分辨率和扩大测量频谱范围将是未来THz-TDS技术发展的主要方向。昀近，太赫兹时域光谱技术的频率测量范围已经从远红外扩展到近红外。在不远的将来，THz-TDS技术将成为揭示和分析基础科学，如物理学、化学、和生物学中的超快现象的强有力工具。同时，随着激光器成本的降低，更高效的太赫兹发射器和探测器的出现，以及更先进的光学设计，THz-TDS技术将有着广阔的商业应用前景。