2008年-基于超快飞秒激光技术的太赫兹波产生与探测--产生示意图

第37卷增刊光子学报Vol.37Sup.22008年12月ACTAPHOTONICASINICADecember2008基于超快飞秒激光技术的太赫兹波产生与探测*薛冰，范文慧+，刘海亮，张同意（瞬态光学与光子技术国家重点实验室，中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710119）摘要：分析比较了以超快飞秒激光脉冲作为激发光源而产生太赫兹波的光整流法和光电导天线法；利用自由空间电光取样法对宽频带太赫兹波进行了有效探测，建立了太赫兹时域光谱（THz-TDS）分析系统；探测得到由自制的光电导天线产生，并在空气中传输的THz脉冲时域波形.关键词：太赫兹波；光整流；光电导；飞秒激光中图分类号:O432.1文献标识码：A0引言太赫兹（Terahertz，THz）波主要指频率100GHz～10THz(波长3mm～30μm)、位于微波与红外线之间的电磁辐射波段.近年来，在这片以前尚未深入探索的电磁波区域，许多研究成果不断出现，逐步填补了无线电波段与光波段间的空白..由于THz波的特殊性，它在物质成像、时域谱分析、医疗诊断、宽带通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广泛的应用前景，很多研究机构和科研人员对THz科学技术给予了广泛关注，使得THz成为本世纪科学研究的热点之一[1].首先，在物质结构探索和物质成分识别方面，由于THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以方便地对材料进行时间分辨研究；THz时域光谱系统对黑体辐射不敏感，在小于3THz范围内信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性也更好；此外，许多材料大分子的振动和转动光谱在THz波段存在很多特征吸收峰，通过测量并分析透过这些物质的THz脉冲信号，便可获得关于材料的物理、化学以及生物学等信息.例如，大多数的爆炸性物质在THz波段具有特征谱[2]，此特性可用于对爆炸性物质的安全检测等等.其次，THz波能以很小的衰减穿透如纸张、布料、塑料等物质，THz波甚至还可穿透墙壁，因此在对包装完全的物品进行质量检测方面，以及安全检查[3]等方面，THz技术的应用前景十分广泛.再次，THz脉冲具有很宽的带宽范围(0.1～10THz)，便于在大的光谱范围内对物质性质进行分析.同时，THz波段在高数据率通信、保密通信等方面也有着重要的应用前景.昀后，THz光子的能量只有几个毫电*国家重点基础研究发展计划（2007CB310405）、中科院“百人计划”和中科院西安光机所创新研究基金资助+Tel:[phone]E-mail:[e-mail]收稿日期:2008-12-23子伏特，与X射线相比，不会因为电离而破坏被检测物质，因此THz波适合对生物组织进行活体检查，例如利用THz时域光谱技术研究酶的特性、进行DNA鉴别等[4-6].对于上述诸多的有关应用，均是建立在以拥有稳定、可靠的THz波产生与探测系统为基础之上的，因此，如何建立稳定、性能优良的THz波产生与探测系统，成为THz波相关研究的重中之重.本文通过对基于超快飞秒激光技术的THz波产生及探测方法进行分析比较，进而建立了一套完整的可用于THz波时域光谱分析的系统，并在实验室中探测得到了由自制的光电导天线产生，在空气中传输的THz脉冲时域波形.值得注意的是，大多数极性分子，如水分子、氨分子等对THz波有强烈吸收，所以在THz波的传输中，以及在利用THz波对物质进行检测时，空气中水蒸气与被检测物质中水分的吸收作用将对实验结果造成较大干扰.空气中的水蒸气可以利用空气干燥装置除去，代价是大大增加了系统的体积与复杂性；而对于被检测物质中水分的干扰，目前尚无有效解决办法，有待进一步研究.1THz波的产生方法由于THz波所处的特殊波段，所以无论是电学、光学或是光电结合的手段，都可以用来作为THz波的产生方法.例如，对于窄带THz辐射，可以利用半导体激光器、光混频和光参量等方法产生.而对于宽带THz辐射，可以利用光整流效应、光电导天线辐射和非线性波导线（Nonlineartransmissionlines）等方法实现[7].本文主要讨论THz波产生方法中基于超快飞秒激光技术的光整流效应法与光电导天线法.1.1光整流效应产生THz辐射1.1.1产生原理利用光整流效应在非线性介质内产生电极化场2光子学报37卷的特性，使超短激光脉冲进入非线性介质内作用而得到THz波[8].根据傅立叶变换理论，超快飞秒激光脉冲可以视为一系列单波长光束的叠加，这些单波长光束在非线性介质中不再独立传播，而是互相之间产生和频、差频振荡效应；其中和频振荡产生的是频率接近于二次谐波的光波；而差频振荡会产生一个随时间变化的低频电极化场，这个低频电极化场会辐射出低频的电磁场，其中的高频部分正处在THz波段.1.1.2实验装置通常使用电光晶体（ZnTe、GaAs、InP、CdTe等）作为光整流效应法产生THz辐射的非线性介质，其中ZnTe应用昀广泛.图1用一束超短激光脉冲（脉冲宽度为Δt，亚皮秒量级以上）入射电光晶体，就可在晶体后方得到电场强度为THzE的THz脉冲，其中Δt对THzE影响很大.图1光整流法产生THz辐射Fig.1THzgenerationbyopticalrectification1.2光电导天线产生THz辐射1.2.1原理分析光电导天线产生THz辐射的原理如下：利用飞秒激光脉冲照射半导体材料表面,在其表面激发产生光生载流子,利用载流子在外加电场作用下的加速运动效应而获得THz波[9].因为在禁带中俘获光生载流子的时间比载流子的复合时间短得多，所以光电导天线间的自由载流子寿命近似等于载流子俘获时间.载流子密度的时间特性可由下式给出[7]：d/d/()tntnGtτ=−+（1）其中n为载流子密度，tτ为载流子寿命；载流子产生率20()exp(/Δ)Gtntt=，与激励光脉冲的脉冲宽度tΔ有关.偏置电场下载流子速率与时间的关系如下,,rele,heff,e,h//()/ehehdvdtvqEmτ=−+（2）偏置电场下载流子速率与时间的关系如下e,he,hrele,heff,e,hd/d/()/vtvqEmτ=−+（2）其中br/3EEPε=−，bE为外置偏压，P为电子与空穴分离产生的电极化强度，e,hv为载流子平均速率，e,hq为电子与空穴的电荷，relτ为驰豫时间.又因recdd/PtPJτ=−+（3）recτ为电子与空穴间的驰豫时间，heJnv=+e(e)nv−为电流密度.远场辐射可由下式给出THzeeJnvEvnttt∂∂∂∝∝+∂∂∂（4）式中ehvvv=−，得到的瞬态电磁场由两部分组成，分别描述了载流子密度变化与由偏压电场产生的载流子加速度.1.2.2影响因素由（1）～（4）式，可以得到以下结论：1)远场THz辐射的强度THzE与载流子的有效质量成反比关系.2)（4）式中的第一项比第二项大得多,表明THz辐射的产生主要取决于超快变化的载流子密度，而第二项代表的载流子加速度影响较小.3)激励激光脉冲宽度tΔ越宽，THz脉冲宽度就越宽.4)当使用光电导天线作为探测器时，THz脉冲相当于一个动态偏压.综上所述，影响光电导天线产生THz辐射主要有三个因素：一、激励光脉冲的宽度；二、光电导天线基底必须有较短的载流子寿命和较高的迁移率；三、光电导天线的设计.其中第一点表明了使用超快飞秒激光脉冲的必要性；对第二点，实验中可选择采用同时具有较短载流子寿命和较高耐压性的低温砷化镓（LT-GaAs）作为基底[10]；第三点为通过改变光电导天线设计而得到不同性质的THz波提供了依据.1.2.3实现装置在实验中，通过半导体工艺，在低温砷化镓基底上附着偶极天线，并在偶极天线两极间施加一定强度的电压，当飞秒激光脉冲经过透镜聚焦后，照射在偶极天线之间时[11]，在低温砷化镓后方即可产生THz辐射，如图2.图2光电导天线产生THz辐射Fig.2THzgenerationbyphotoconductiveantenna1.3比较表1对比了上述两种THz波的产生方法，其中光电导天线法受到半导体基底、天线设计、电压场、入射光脉冲等因素的影响，结构复杂，产生的THz辐射频率一般在数个THz左右；而光整流法产生THz辐射增刊薛冰，等：基于超快飞秒激光技术的太赫兹波产生与探测3的频率可达到50THz.表1两种方法产生THz辐射对比方法结构能量频带光整流法简单弱频率高带宽高光电导天线法复杂强频率低带宽低2THz波的探测方法由于包括光电二极管在内的普通传感器灵敏度不够，并且THz辐射背景噪声较高，所以使用一般的探测器是很难检测到频率高于100GHz以上的THz辐射.基于超快飞秒激光技术的THz辐射探测方法，目前主要有两种：光电导天线采样（PhotoconductiveSampling,PCS）和自由空间电光取样（FreeSpaceElectro-opticSampling,FS-EOS）.2.1采样测量原理由于THz波的频率太高，进行实时采样存在困难，所以为解决此类困难，通常使用采样测量法，即数字采样测量法（DigitalSamplingMeasurement，DSM）.它是常用的超快脉冲测量技术手段,可以把高频或快速变化的信号波形变化为慢速的或低频信号，以降低对探测接收系统测量带宽的要求.2.1.1等效时间采样原理采采样测量法研究的对象是离散时间信号.一般离散时间信号是通过对连续时间信号均匀抽样得到的.抽样运算在数学上表示为连续时间信号()agt和周期冲激序列)(tp的乘积，结果产生一个新的冲激序列p()gt.在THz波的探测中，用于探测的超快激光脉冲的宽度为飞秒量级，远小于THz的脉宽（数个皮秒），因此经过相等时延的超快激光脉冲可以作为冲激序列()pt，于是a()gt为待测THz脉冲，p()gt为探测到的信号.等效时间采样原理可以表达为paa()()()()()ngtgtptgttnTδ∞=−∞==−∑即通过在周期信号的不同周期上抽取采样点来重新构建待测信号的波形，新组成的信号的形状与原)(tgp)(tp)(tga图3等效时间采样原理Fig.3Principleofequivalenttimesampling始信号相似，可在时间刻度上比原来的信号宽展了若干倍，从而解决了THz波探测时的困难.如图3.2.1.2实现方法为实现等效时间采样，可以利用光学延迟结构.在延迟结构中，通过改变光束的光程LΔ，从而使采样光脉冲与待测信号间产生/tLcΔ=Δ的相对时间延迟.连续改变相等的光程LΔ，就在实验中得到了等效时间采样的冲激序列()pt.2.2光电导天线采样测量这种探测方法基于光电导天线产生THz辐射机理的逆过程[12].实现装置与产生THz波（图2）相近，只是此时的外加电场由待测的THz波替代，即式（2）中的bE改为THzE.当飞秒激光脉冲照射在光电导天线间时，在THz偏压的作用下，天线间会有光生电流产生.而根据前述分析，光生电流的大小与THz波场强具有线性关系，因此利用等效时间采样原理，通过对光生电流的测量就可以得到THz脉冲的时域波形.2.3自由空间电光取样测量自由空间电光取样技术原理基于光学普克尔效应，即线性电光效应，可描述为在电光晶体上外加电场后，电光晶体的折射率会出现随外加电场成比例改变的现象.从非线性光学的角度看，这是光整流效应的逆效应.图4表明，当探测光脉冲和THz脉冲共线入射到电光晶体上时，入射的THz脉冲通过线性电光效应引起晶体双折射，致使被探测脉冲的偏振方向发生偏转，从而使通过渥氏棱镜分离后的o光与e光的强度相对发生改变.理论证明[13]，光电探测器探测到的强度差与THz脉冲的场强成比例，从而可以探测得到THz脉冲的波形.图4自由空间电光取样测量Fig.4FS-EOS2.4比较光电导天线采样测量法相比于自由空间电光取样测量，结构更为简单，但也有不足之处：其响应速度受制于光电导天线特性和光生载流子寿命，因此光电导天线采样测量的带宽受到相应限制；而自由空间电光取样测量探测的THz信号带宽更大，可达到100GHz～37THz，信噪比更高，并且由于电光晶体制4光子学报