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t t t z 脉冲的产生与检测 摘要 太赫兹( t h z ) 辐射是频率范围为3 0 0 g h z i o t h z 的电磁辐射，这一波段位于红 外光与微波之间，早期由于缺乏有效的产生和探测方法对t h z 技术的研究非常有 限，近十几年来，超快激光技术的迅速发展为t h z 脉冲的产生提供了稳定、可靠 的激发光源，使t h z 辐射的产生、检测和应用得到了蓬勃发展。本文对太赫兹脉 冲的产生和检测技术进行了调研，并提出了自己的设计方案，搭建了试验平台， 具体内容包括： 第一章介绍了t h z 辐射特性及其潜在的应用。物质在t h z 波段的光谱包含着 丰富的物理和化学信息，因此t h z 技术在很多基础研究领域有很重要的应用。随 着t h z 辐射技术的进步，t h z 辐射的应用将会涉及交叉学科领域，包括通讯、成 像、医学诊疗、健康监控、环境控制以及化学和生物标识。 第二章介绍了t h z 辐射脉冲产生和检测的主要方法及原理。对于t h z 辐射脉 冲的产生，介绍了常用的光电导方法和光整流方法。对于t h z 辐射脉冲的测量， 介绍了光电导取样技术和电光取样技术；对t h z 辐射脉冲产生和测量的理论依据 作了简要分析。 第三章采用电流起伏模型，分析了有限厚大孔径光电导天线产生太赫兹脉冲 的表面场与远场的时域特性，模型在包含有限的载流子寿命与瞬变载流子迁移率 等影响因素的基础上，还考虑了激发光脉冲在光电导材料中的时间延迟和吸收衰 减，使模型更加趋近于反映真实的物理过程，根据模型我们分析了光通量、光脉 宽、有限的载流子寿命和瞬变载流子迁移率、以及光电导材料厚度变化对t h z 表 面场和远场时域波形的影响，并对比分析了考虑光电导材料厚度与不考虑厚度 时太赫兹脉冲的远场时域波形，以及t h z 远场辐射强度受传播距离变化的影响。 第四章介绍了自行搭建的t h z 脉冲的产生与探测系统及初步实验。t h z 测量 技术处于起步阶段，而实验系统的搭建是科研工作的起点，因此必须自己搭建实 验系统，我们利用光学整流和电光取样方法对t h z 的产生和检测进行了实验，给 出了整个实验的搭建方法，尤其是电光取样系统的搭建，并对获得的实验结果进 行了分析和讨论。 第五章是对论文的总结。 关键词t h z 脉冲光电导取样 电光取样 t h z p u l s eg e n e r a t i o na n dd e t e c t i o n l if a n ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yh o u x u na n dw a n gy i s h a n t e r a h e r t za h z ) r a d i a t i o n ，w h i c ho c c u p i e sa l a r g ep o r t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u mb e t w e e nt h ei n f l a r e da n dm i c r o w a v eb a n d s i nt h el a s td e c a d e r a p i d p r o g r e s si nu l t r a f a s tl a s e rt e c h n o l o g yp r o v i d e sas t e a d ya n dr e l i a b l eo p t i c a ls o l l r c cf o r t h et e r a h e r t z ( t h z ) p u l s e sg e n e r a t i o n 。w h i c hg r e a t l yp r o m o t e st h er e s e a r c hi nt h e 他 g e n e r a t i o n ，d e t e c t i o na n da p p l i c a t i o nt h a ti sd i f f i c u l tt oa c c e s sb e f o r e t h et h e s i si s o r g a n i z e da sf o l l o w s ： c h a p t e ro n ep r e s e n t sa ni n t r o d u c t i o nt ot h eg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i e so f 他 r a d i a t i o n n i zs p e c t r ac o n t a i na b u n d a n tp h y s i c a la n dc h e m i c a ii n f o r m a t i o no f m a t e r i a l s t h e r e f o r e ，t h zt e c h n o l o g yh a sw i d e l yu s e di nm a n yd o m a i n s ，f o re x a m p l e f u n d a m e n t a lr e s e a r c h a s 仳t e c h n o l o g yi si m p r o v i n g , n e wt r a yc a p a b i l i t i e sw i l l i m p a c tar a n g eo fi n t e r d i s c i p l i n a r yf i e l d s ，i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o n s ，i m a g i n g , m e d i c a ld i a g n o s i s ，h e a l t hm o n i t o r i n g , e n v i r o n m e n t a lc o n t r o l ，a n dc h e m i c a la n d b i o l o i g i c a li d e n t i f i c a t i o n c h a p t e rt w o d e s c r i b e st w o w a y st og e n e r a t e他t a d i a t i o np u l s e ： p h o t o c o n d u c t i v e a n t e n n a sa n do p t i c a lr e c t i f i c a t i o n t h e p h y s i c a le s s e n c eo f g e n e r a t i o no f 毗r a d i a t i o np u l s ei sas e c o n dp o l a r i z a t i o np r o c e s si se m p h a s i z e d w e a l s o g i v e a ni n t r o d u c t i o no ft h et w ow a y st od e t e c t1 h zr a d i a t i o n p u l s e ： p h o t o c o n d u c t i v es a m p l i n ga n df r e es p a c ee l e c t r o o p t i cs a m p l i n g 劝ct h e o r e t i c a lb a s i s i sa n a l y z e da n dd e s c r i b e ds y s t e m a t i c a l l y c h a p t e rt h r e ed i s c t l s s e st h es u r f a c ea n df a rf i e l dt e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t e r a h e r t zr a d i a t i o ng e n e r a t e db yb i a s e dl a r g e - a p e r t u r ep h o t o c o n d u c t i v ea n t e n n a sw i t h f i n i t et h i c k n e s s n o to n l yt h ee f f e c t so ft h ef i n i t el i f e t i m ea n dt r a n s i e n tm o b i l i t y , b u t a l s ot h ee f f e c t so fo p t i c a lt i m el a ga n da b s o r p t i o na t t e n u a t i o ni np h o t o c o n d u c t o r m a t e r i a l ，a r ei n c l u d e di nt h ep r e s e n t e dm o d e l t h ed e p e n d e n c eo ft h ew a v e f o r m so f t h er a d i a t e df i e l do no p t i c a lf l u e n c e ，o p t i c a lw i d t h s ，c a r r i e rr e l a x a t i o nt i m e ，c a r r i e r l i f e t i m ea n dm a t e d a lt h i c k n e s sa r cd i s c u s s e di nd e t a i l ac o m p a r i s o no ft h et e r a h e r t z t e m p o r a lp r o f i l e si sm a d eb e t w e c ni d e a la n t e n n a sw i t h o u tt h i c k n e s sa n dp r a c t i c a i a n t e n n a sw i t hf i l l i t et h i c k n e s s c h a p t e rf o u rp r e s e n t s o u re x p e r i m e n t a ls t u d yo f1 l i zg e n e r a t i o nb yo p t i c a l r e c t i f i c a t i o na n dd e t e c t i o nb ye l e c t r o o p t i cs a m p l i n g w eb u i l da ne x p e r i m e n t a ls e t u p i n - h o u s e w ed e s c r i b ei nd e t a i lt h ep r o c e s s e so ft h eb u i l d i n gt h et h zg e n e r a t i o na n d d e t e c t i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yf r e es p a c ee l e c t r o o p t i cs a m p l i n gs y s t e m e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d c h a p t e rf i v ei st h es u m m a r yo ft h i st h e s i s k e y w o r d s ：t l - zp u l s e p h o t o c o n d u c t i v es a m p l i n g e l e c t r o o p t i cs a m p l i n g 科研道德声明 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 猩导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：翘 日期： 扫5 知识产权声明 本人完全了解中科院露安光学精密极械研究所有关保护知识产权的规定， 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 辩必须征得产衩单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅：产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：机导师签名：迦渔渺 日期：z 竺! 5h 欺： ：o 。占5 第一章绪论 1 1 1t i i z 空隙 第一章绪论 第一节日i z 辐射的基本性质 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彩缤纷的世界，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 射线衍射技术可以得到物质的结构 信息。但在电磁波谱的范围内很长一段时间里一直存在着一个科学研究的空隙， 这就是t h z 波段。i t h z ( 1 0 i z h z ) 对应波数为3 3 c m ，能量为4 i m e v ，波长为3 0 0 肛m 。 在2 0 世纪8 0 年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和便捷的检测手段，科 学家对于t h z 波段电磁辐射性质的研究和了解非常有限，故此波段又被称为t h z 空隙( t e r a h e r t zg a p ) 。 佛兰芒在1 9 7 4 年提出了t e r a h e r t z ( t h z ) 这个术语“1 ，在那时t h z 被用来描 述麦克尔逊干涉仪的谱线频率范围。今天t h z 泛指亚毫米波，指频率在0 3t h z 1 0t h z 之间，波长范围从3 0 m l 咖的电磁波，这一波段位于微波和红外光之 间，是传统微波和光学研究的边缘地区，t h z 波段在电磁波谱中的位置如图卜1 1 所示： 图1 - 1 11 1 z 波段在电磁波谱中位置 t h z 脉冲的产生与检测 1 1 2t i t z 辐射特性 近二千年来，随着激光技术、材料生长技术和非线性光学技术的发展，为 t h z 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使t h z 辐射的产生机理、检测技 术和应用技术的研究得到蓬勃发展”3 1 。 t h z 技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为物质的t h z 光谱( 包括透射 谱和反射谱) 包含着非常丰富的物理和化学信息，研究物质在这一波段的光谱对 于物质结构的探索具有重要意义；其次是因为t h z 脉冲光源与传统光源相比具有 很多独特的性质： ( 1 ) 瞬态性：t h z 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材 料( 包括液体、半导体、超导体、生物样品等) 进行时间分辨的研究，而且通过 相干取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。目前，辐射强度测量 的信噪比可以大于1 0 ”，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好 4 1 ( 2 ) 宽带性：t h z 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频 带可以覆盖从g h z 到几十t h z 的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。 ( 3 ) 相干性：t h z 脉冲的相干性源于其产生机制。它是由相干电流驱动的偶 极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。t h z 脉冲 的相干测量技术能够直接测量t h z 辐射电场振幅和相位，可以直接提取样品的折 射率、吸收系数等参数，与利用k r a m e r s k r o n i g 关系的方法相比，大大减少了计 算和不确定性。 ( 4 ) 低能性：t h z 光子的能量只有几个毫电子伏特，与x 射线相比，不会因 为电离而破坏被检测的物质。1 。 ( 5 ) t h z 辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等包 装材料有很强的穿透力，可用来对已经包装好的物品进行质量检查或者用于安全 检查嘲。 ( 6 ) 大多数极性分子如水分子、氨分子等对t h z 辐射有强烈的吸收州，可以 通过分析它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制埘。同时，许多极性 大分子的振动能级的间距和转动能级的间距正好处于t h z 频带范围，使t h z 光谱 技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景“。 第一章绪论 以上这些特点决定了它在光谱技术方面可以成为红外光谱技术、拉曼光谱技 术的互补技术，在成像方面可以成为x 射线成像技术的互补技术；且在很多基础 研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景， 从而成为本世纪科学研究的热点。 第二节t h z 辐射的应用 2 1t h z 时域光谱技术 t h z 辐射可以作为材料的分析和测试光源，其中t h z 时域光谱是一种非常 有效的测试手段，典型的t h z 时域谱实验系统主要是由超快激光器、t h z 发射元 件、t h z 探测元件和时间延迟控制系统组成，t h z 时域光谱测试系统如图卜2 一i 所示啪，分别测量通过样品前后的t h z 时域脉冲波形，作其傅立叶频谱曲线，对 频谱进行分析和处理就可以获得被测样品的折射率、介电常数、吸收系数和载流 子的浓度等物理信息。 图卜2 11 1 l z 时域光谱测试系统示意图 在半导体、电介质薄膜及材料的研究方面，德国人做了大量工作“，如 b r o r s o n 等人用t h z 时域光谱技术研究了高温半导体材料的电动力学特性“”， w i l k e 等研究了高温半导体薄膜的t h z 表面阻抗及低温生长的g a a s 的载流子特 性“，特别是h u b e r 等人利用t h z 技术成功地研究了等离子体受超快激发后的 演化过程“。 在液体和气体研究方面，利用t h z 时域谱技术可以测量液体中的电流输运和 载流子特性“。美国的e x t e r 等人在1 9 8 9 年测量了水蒸气在t h z 波段的特征 t i t z 脉冲的产生与检测 谱恤1 。c h e v i l l e 利用t l l z 技术研究了火焰的远红外t h z 时域光谱及火焰中水的 纯转动吸收谱汹州，b o y d 等人利用t n z 光谱测定了由去垢剂包覆的纳米尺寸水 球的表面特性螂1 ，并对气体进行鉴别等汹“1 。 在分析和研究大分子方面，1 9 8 6 年德国的w i t t l i n 等人测定了不同温度、 不同湿度下b n a 大分子的性质，2 0 0 0 年，德国的w a l t h e r 等入对不同的视网 膜进行了研究，同年b r u c h e r s e i f e r 等人探测了d n a 的键联状态洲。通过实验 和理论研究发现，用t h z 技术进行d n a 鉴别是可能的隅“，这意味着t h z 技术 在医学、生物方面有很好的应用前景。近两年来，采用光纤传播t h z 波，大大提 高了t h z 时域谱的信噪比”。为了提高t h z 时域谱探测样品的灵敏度，近年 来人们又发展了t h z 时域微分谱探测技术啪删，可以对厚度为微米、亚微米量级 的样品进行探测。 1 2 2t h z 或像技术 t h z 辐射作为一种光源和其他辐射( 如可见光、x 射线、中近远红外、超声波 等) 一样也可以作为物体成像信号源。t h z 辐射成像的基本原理是：利用成像系 统把成像样品的透射谱或反射谱所记录的信息( 包括振幅和相位信息的二维信息) 进行处理和分析，就可以得到样品的t h z 图像。t h z 成像系统的结构如图1 - 2 - 2 所示翻：与t b z 时域光谱相比。多了图像处理及扫描控制装置。利用透射扫描或 者反射扫描都可以成像，主要取决于样品及系统的性质。 图1 2 - 2t h z 成像系统示意图 t h z 辐射成像与x 射线成像相比，t h z 辐射的光子能量极低( 只有几个毫电 4 第一章绪论 子伏特) ，可以用来对人体或物品进行无损成像。t h z 对于电介质材料及塑料、 纸箱等包装材料有很强的穿透力，可用来对已经包装的物品进行成像”。t h z 辐 射对水的穿透力很差，可以通过测量物质中的水分含量来控制质量，如对于已经 包装好的食品，可以通过测定食品的水分含量来确定其新鲜程度。通过对肉制品 的t h z 检测发现瘦肉对t h z 辐射吸收很强，而脂肪几乎不吸收t h z 辐射，利用此 特性可以对肉制品进行质检嘲。另外，通过测量t h z 光谱，不仅可以得到物体光 谱的强度( 振幅) 信息，还可得到其相位信息，因而可以用来对物体进行三维立 体成像。目前，t h z 显微成像的分辨率可以达到几十微米，能清晰地看到皮肤中 的肿瘤，可用于进行皮肤癌的诊断。 目前，利用近场成像和“动态孔径”的原理，可以使t h z 显微成像的分辨率 达到几十微米8 “。同时，t h z 光谱技术的信噪比也很高，对振幅而言，已 经达n 1 0 5 。但是，总体看来，t h z 技术研究仍然处于初级阶段，尤其是在生物 医学方面的应用仍有很多困难，存在许多亟待解决的问题。 1 2 3 应用t h z “雷达”技术进行敏感探溯 t h z “雷达”技术是利用来自目标各层次界面反射的t h z 电磁波的波形和时 间差信息，探知目标或探测其内部形貌。由于t h z 辐射具有比微波更短的波长以 及更为精确的时间检测装置，t h z “雷达”技术可以比微波雷达探测更小的目标 和实现更精确的定位，因而t h z “雷达”技术有望在军事装备的实验室模拟研制、 安全监测和医学检验上发挥其潜力。在实验室，已经利用t h z “雷达”技术对动 物组织的烧伤进行了探测，并且可以对烧伤深度和程度做出标定，以辅助诊断皮 肤的烧伤程度0 4 综上所述，作为一种新兴的光谱分析手段，t h z 技术由于光源本身和探测技 术所具有的特点，在时域光谱研究等领域正呈现出蓬勃的发展趋势，在基础研究、 信息和光电子材料的检测、化学和生物样品的分析鉴定、生物医学、物体内部断 层探测，乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力。 1 2 4t h z 技术存在的问题 t h z 技术的研究虽然发展迅速，但仍处于初级阶段存在不少问题尚待研究“”， t l i z 脉冲的产生与检涮 首先，由于大部分生物组织中含有丰富的水分，而水对t h z 射线吸收很强“。“1 ， 大大降低了生物样品成像的灵敏度，对含水量较多的样品不能成清晰的像，特别 是厚的样品不能进行透射成像，严重限制了t h z 成像在生物医学上的应用。 其次，目前所产生的脉冲t h z 波的平均能量只有纳瓦到微瓦数量级，对于单 点探测可以达到l 妒或更高的信嗓比，但是实时二维成像的信噪比却很低。成像 要获得高的信噪比，需要有更高的能量源，通常用光导天线辐射的t h z 电磁波能 量尽管较强，也仅有几个微瓦，同时其产生的t h z 辐射带宽太窄。而光整流产生 的t h z 辐射带宽较宽，但能量很低。德国的科学家利用二极管激光器激发t h z 辐 射源，使其产生连续可调的t h z 电磁波m ，一方面可以大大降低成本消耗，同时 有可以连续调节的频率范围，对于清晰地分辨生物组织中的不同成分很重要。通 过用不同频率范围的t t t z 波进行成像，可以得到生物组织韵不同成分的像。但是 由于使用低频成像，其空间分辨率较低，同时信噪比只有几十，需要近一步的研 究。 再次，由于t h z 波的波长较长，限制了t h z 成像系统的空间分辨率，尽管利 用“动态孔径”技术大大提高了空间分辨率，但是要在生物样品( 如生物细胞或 生物组织) 上加一层控制材料是很困难的。 在数据处理方面，提取样品参数的方法还不太成熟，处理过程尽管已经比较 复杂但仍然有一些问题没有考虑进去( 如散射问题) 。各个实验室处理数据的方法 不尽相同，没有一个成熟的统一方案，处理得到的结果有时存在歧义。许多物质 在t h z 波段的特性还是未知的，如国际上没有一个生物医学光谱数据库可以对 照。 目前大多数t h z 成像实验获取数据时间较长，对于生物样品可能会有样品的 变性问题。n a g e l 等人采用二维电光取样技术大大提高了成像速度，但是却降低 了原有的信噪比。张希成等人采用啁啾方法”1 ，使t h z 频带展宽，提高了实 验速度，但在信噪比和数据处理方面仍需要迸一步探索。 现有的t h z 时域光谱系统及成像系统的设备不仅价格昂贵，信息处理过程也 很复杂，有待于进一步实用化。为了在医学上应用t h z 技术，还要使t h z 系统向 微型化发展。特别是在国内，关于t h z 技术的研究处于初步阶段，有大量的工 作需要进一步的开展。 第一章绪论 第三节本论文的工作 ( 1 ) 在理论方面：发展了著名的电流起伏模型，并用之分析了有限厚大孔 径光电导天线产生t h z 辐射波表面场和远场的时域特性。在包含有限的载流子寿 命、瞬变载流子迁移率等影响因素的基础上，还考虑了激发光脉冲在光电导材料 中的时间延迟和吸收衰减，使模型更加趋近于反映真实的物理过程，根据计算我 们分析了光通量、光脉冲宽度、有限的载流子寿命和瞬变载流子迁移率、以及光 电导材料厚度变化对t h z 表面场和远场时域波形的影响：并对比了考虑光电导体 厚度与不考虑厚度对t h z 波形的影响，以及t h z 远场辐射强度受传播距离的变化 的影响。 ( 2 ) 在实验方面：根据t h z 脉冲的产生和探测原理，我们自行构建了t h z 脉冲的产生与自由空间电光取样探测系统，利用光学整流方法，采用l m 厚的 ( 1 1 0 ) 闪锌矿晶体z n t e 产生t h z 脉冲，基于光学整流方法辐射t h z 脉冲，并用 另一块相同的z n t e 晶体的线性电光效应，对信号进行取样探测。 t l z 脉冲的产生与检测 第二章t i - l z 脉冲的生成与检测 第一节t l - l z 脉冲的产生 t h z 脉冲的产生有很多方法，最常用的方法是基于光导天线机制o 和光学 整流机制铷。在利用光导天线和光学整流方法产生t h z 之前，能够产生t h z 电磁波的辐射源非常贫乏，而这两种方法都是用飞秒激光脉冲的激励来产生亚皮 秒的t h z 脉冲，且所产生的电磁辐射能够覆盖大部分的t t t z 频谱域。 2 1 1 偏置与未偏置的光电导辐射t l t z 脉冲 偏置的光电导方法是利用高转换率的光电导材料提供瞬态电流，金属电极用 来在光电导体上施加偏置电压，形成天线。在光电导天线中，发射太赫兹光束的 机理是超快的激光光束( 光子的能量大于该种材料的能隙宽度，hy2e g ) 在光电 导材料中产生电子一空穴对，自由载流子被偏置电场加速，产生瞬变的光电流。 这种快速的、随时间变化的电流能够辐射电磁波，原理如图所示2 一卜1 。太赫兹 辐射的能量是受偏置电场和激发光强限制的，材料的击穿电场决定了可以施加的 最大电场。 电 争 l l 、 r 电场中加 的载流子 光导天线 图2 _ 卜l 光导天线受激示意图 光导天线有两个基本特征： 一、它具有天线结构，能够辐射出亚毫米电磁波：天线结构通常有赫兹偶极予天 线、锥形天线、传输线及大孔径光导天线嘲刮。高功率的t h z 辐射天线一般由共 第三章有限厚大孔径光电导天线辐射太赫兹时域波形的理论模拟 面传输线和大孔径光导天线产生脚删。 二、天线的衬底材料在激光脉冲照射下能产生超快瞬态电流，此电流在天线的外 加偏置电场作用下驱动天线辐射出t h z 脉冲。光导天线可以设计成多种形式，可 以用不同材料作为衬底。不同光导天线辐射的t h z 脉冲的带宽不同，t h z 脉冲的 最大功率由光导开关材料的性质和天线的藕合效率决定。 光电导材料作为产生t h z 脉冲的关键部件，应该具有尽可能短的载流子寿 命、低的光折射率、低的带隙、强的光吸收能力、高的载流子迁移率、高的介质 耐击穿强度等呻“1 。常见的光导材料有s i 、掺c r 的g a a s 、掺f c 的i n p 、宝 石上外延生长硅及低温生长的g a a s 等呻“伽。由于半导体材料中光生载流子寿 命的限制，产生的t h z 脉冲频谱一般在0 - 2 t h z 左右m 1 。减少载流子寿命的有效 方法是在半导体材料中引入适当浓度的缺陷，形成陷阱或复合中心。这可以通过 辐射损伤、掺杂或者是用大浓度的自然缺陷材料( 如多晶或非晶半导体) 。近年来， 低温分子束外延( m b e ) 生长的砷化镓( l t - g a a $ ) 由于其短的载流子寿命、高的暗 电阻和高的载流子迁移率而得到广泛的应用。 光导天线辐射的t h z 脉冲，能量一般在纳瓦到微瓦量级，在激发光脉冲一定 的情况下，振幅与天线所加的偏置电压有关，可以通过调节天线上外加电场的大 小来获得能量较强的t h z 波。例如，用功率为2 m w 的激光脉冲入射光导天线可 以产生平均功率为3 # w 的t h z 波。 口电板。激光辐照区 图2 - 1 - 2 ( a ) 代表小孔径光电导天线( b ) 代表大孔径光电导天线 若辐射源的尺寸远小于t h z 辐射的中心波长( 1 t i - i z = 3 0 0 # m ) ，如图2 - 1 - 2 ( a ) 所示，可将发射源视为一个具有偶极动量丽的偶极源，在距离为r ；，与偶极子 轴线夹角为0 的地方所产生的电场可以描述为m 1 ： 9 - t h z 脉冲的产生与检测 川- 南( 等哆警+ 竺c 2 r 幽a t 2 卜公式( 2 - 1 - 1 ) 其中c 是真空中的光速， ，是偶极子之间介质的折射率，偶极动量由瞬态光电流 决定，( f ) 。旦攀，式中的三项分别表示准静态场、近场和远场，所以轴线上的 d f 远场辐射场可简单地表示为： p ) “百i 。3 j ( t ) 公式( 2 - 1 - 2 ) 随着高功率超快激光的发展，使用大孔径发射器( 电极间的距离一般为几毫 米甚至几厘米) 成为可能，如图2 - 1 - 2 ( b ) 所示。大孔径发射器能够产生低发散、 高强度的t h z 脉冲，它的辐射场可通过基本偶极子的叠加得到咖。计算表明大孔 径辐射器的辐射更具有方向性，因此，更容易得到高强度的t h z 辐射。公式( 2 一卜1 ) 和( 2 - 1 - 2 ) 在远场依然有效，只是比例系数有所变化。起初，辐射电场随着光通 量线性增加，但是在高光通量时达到饱和o “删，因此，为了充分利用光通量，需 要较大的发射器。辐射场随偏置电场线性增加，但是在高电压时己发生损伤。 未偏置的半导体表面同样可以产生t h z 波，这是由于靠近半导体表面与空气 交晃处的费密能级被固定，使得导带和价带发生弯曲，从而产生一个耗尽区并形 成一个表面强电场e ，如图2 一卜3 所示，l d 为耗尽区的宽度，e ，为费米能级。 这个电场与交界面垂直，其方向指向半导体表面，代表值为1 0 5 v c m 。 空气 e c e f e v 图2 - 1 3 半导体表面能带图 当一个光子能量大于半导体带隙的超短光脉冲照射半导体表面时，入射的光 生载流子被半导体表面耗尽区的电场加速，结果便产生一瞬变电流，进而辐射出 第三章有限厚大孔径光电导天线辐射太赫兹时域波形的理论模拟 位于t h z 领域的电磁波，所产生的t h z 波可通过改变激发脉冲的入射角进行调整。 如图2 - 1 4 所示： 幺 图2 1 - 4 半导体表面辐射t h z 不惹图 产生的t h z 辐射由下面两式给出嗍： 乓( f ) - z , j , ( t ) s i n o , ( c o s o , + 吃c o s g ) 易( f ) 。三盟乓( f ) 公式( 2 - 1 3 ) 其中互为半导体的特征阻抗，i s 为发射材料的折射率，只为t h z 辐射的反射角， r ) 为半导体与空气界面的透射系数，b ( f ) 、岛( f ) 分别为t h z 辐射在反射和 透射方向的电场，( f ) 为耗尽区的电流密度 与偏置的光电导方法相比，这种方法不需要外加偏置电场，也不需要天线。 很多半导体如i n p ，g a a s ，g a s b ，i n s b ，c d t e ，c d s e ，g e ，g a a l a s 等都 己用于这种方法产生t h z 辐射。 2 1 2 光学整流机镧 另一种产生t h z 辐射脉冲的方法是利用电光晶体中的光整流效应，光整流效 应是一种二阶非线性效应可以看作是普克尔效应的逆过程。我们知道，两个光束 在线性介质中可以独立传播，而不改变各自的振荡频率。但是在非线性介质中， 两个单色光束将发生混合，产生和频振荡和差频振荡。在出射光中，除了和入射 光相同频率的光波外还有其他频率( 例如和频) 的光波。而且当一束高强度的单色 激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通过差频振荡效应激发一个恒定 t h z 脉冲的产生与检测 ( 不随时间变化) 的电极化场。恒定的电极化场不辐射电磁波，但在介质内部建立 一个直流电场。这种现象称为光学整流效应，它是最早发现的非线性光学效应之 一。由于这种效应缺乏实际的应用背景，所以除了早期用于验证它和线性电光效 应之间的关系之外，并没有受到研究者的重视。 超短激光脉冲的发展为光学整流效应的研究和应用开辟了新的途径。根据傅 立叶变换理论，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，其频谱决定于 该脉冲的中心频率和脉冲宽度。在线性介质中，因为每个单色分量都可以独立传 播，出射光的频谱和波形与入射光相比没有根本的变化。其差别仅来源于介质的 色散特性。但是，非线性介质中，这些单色分量不再独立传播，它们之间将发生 混合。和频振荡效应产生频率接近于二次谐波的光波，而差频振荡效应则产生一 个低频振荡的电极化场。这种低频的电极化场可以辐射出太赫兹波段的低频电磁 波。由于飞秒激发光脉冲变化很快，因此产生的极化强度p ( t ) 也变化很快且具 有很宽的频谱，其频谱主要受测不准原理( t e 兰) 决定的激光脉冲频谱展宽 q 的限制，产生的频率范围一般在o - 3 t h z ，现在利用光整流可产生频谱达5 0 t h z 的 电磁脉冲m 删。因此，光整流方法己经逐渐成为一种常用的产生t h z 辐射脉冲的 有效手段。 利用光整流效应产生t h z 辐射时，t h z 辐射的能量主要来自入射的激光脉冲 的能量。t h z 辐射的最大功率既受超快激光脉冲的影响，又受介质的损伤阈值的 制约。t h z 辐射的产生效率受介质的二阶非线性系数、介质对t h z 辐射的吸收及 激光脉冲与t h z 脉冲之间的相位匹配影响m “1 。其中，介质的二阶非线性系数与 晶体的切向和方位有关叭1 。 图2 - 1 4 光整流效应 为了描述这一现象，我们将其看作一个差频的产生过程，作为一种二阶非 线性效应，光整流是通过二阶非线性极化率张量z 2 来描述的，在某一差频q 处 第三章有限厚大孔径光电导天线辐射太赫兹时域波形的理论模拟 的二阶非线性极化强度可表述为： p 伪( q ) 一j 二z 2 ( q ；+ q ；一) ：置咿( + q ) e 乙( ) d m 公式( 2 - 1 - 4 ) 其中e ， ) 是光脉冲正0 ( f ) 的傅里叶变换式。如果我们假设物质响应是瞬时的， 即二阶非线性极化率z 2 与频率无关( 如果z 2 远离激发脉冲与1 1 乜辐射的共振 频率，该条件即可满足) ，我们就可以到一个很简单的结果。在这种情况下上式 在时域中可表述为： p ( 2 ( q ) 一z 2 i e 0 0 ) | 公式( 2 - 1 5 ) 由此式可见，在非共振介质中通过光整流产生的二阶非线性极化强度随着光 激发脉冲的强度而变化并有正比例关系。入射脉冲越短，其频谱越宽，则更多的 频率能够被混合，所产生的t h z 频谱就越宽。但是该方程只是在t h z 产生晶体无限 薄的情况下成立。对于有一定厚度的晶体，色散、吸收、群速度失配等效应将使 所产生的t h z 辐射脉冲具有一定的振荡环，尤其是群速度失配效应，我们将在后 面对其进行专门的讨论。 在光整流中，如果泵浦光束被紧聚焦，且非线性晶体很薄，则二阶非线性极 化源可被近似为一偶极源，其偶极动量为：；( f ) 。f d f ，f ) 。根据方程 ( 2 - 1 - i ) ，远场的时域t h z 辐射： e l ( 0 “粤 公式( 2 - 1 - 6 ) 根据方程( 2 - 1 - 5 ) 和( 2 - 1 - 6 ) ，可以看出远场t h z 辐射也正比于激发脉冲 光强对时间的二阶偏导。因此，激发脉冲的特性和边界条件决定了t b l z 辐射的电 场波形。 不同材料中产生的不同t h z 波形能方便地用于区分产生机制。当入射光频率 高到能够激发带问跃迁，自由的载流子将产生和移动，非线性磁化率将由于共振 而达到很高的值。相反，当没有跃迁发生时，被束缚的载流子只会偶尔变位。在 这种情况下，非线性磁化率无共振并且只有较低的值，相匹配条件的满足程度非 常重要，其通常用离散度来表征，利用z n t e 光整流辐射t h z 脉冲就属于不发生 共振跃迁并满足相位匹配条件的情况。当共振跃迁发生时，入射光在几微米内被 完全吸收，所以相匹配条件可以不用考虑。此时的非线性系数非常高，所以能够 t h z 脉冲的产生与检测 产生很强的t h z 辐射。只要入射光子能量高于能带隙，这类光整流可以在g a a s 、 i n p 、c d t e 中发生。在既无共振跃迁，又不满足相匹配条件的情况下，t h z 辐射 也能通过极化激波产生。l i t a o ，就是一例，用它可以产生最高到4 t h z 的远红外 辐射。 这两种产生t h z 电磁波的方法中，用光导天线辐射的t h z 电磁波能量通常比 用光整流效应产生的t h z 波能量强。因为光整流效应产生的t h z 波的能量仅仅来 源于入射的激光脉冲的能量，而光导天线辐射的t h z 波的能量主要来自天线上所 加的偏置电场，可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的t h z 波。例如用 功率为2 r o w 的激光脉冲入射光导天线可以产生平均功率为3 胛y 的t h z 波，用功 率为1 7 5m w 的激光脉冲激发非线性介质通过光整流效应产生t h z 波的平均功率 只有3 0 w 。但是，光导天线产生的t h z 电磁波的频率较低，而光整流产生的t h z 电磁波的频率较高。 第二节t r z 脉冲的检测 在t h z 场的研究中，与t h z 辐射产生技术互补的技术就是t h z 辐射场的探测， 传统的远红外探测方法是b o l o m c t o r 探测，它是一种非相干探测，而光电导取样慷删 和电光取样”已成为目前最主要的两种相干t h z 探测技术，这两种探测技术不 仅可以获得电场的幅值信息，而且可以获得电场的相位信息，它们都依赖于超快 激光脉冲及合适的取样门。由于产生与探钡d t h z 辐射所用的光源是同一光源，因 此整个系统具有较高的稳定性。另外，因为它们的门控特性，这两种探测技术都 可以区分脉冲t h z 辐射与背景黑体辐射，从而提供了非常高的灵敏度。 光电导采样在t h z 测量技术发展中扮演了一个重要的角色，由于它具有优良 的信噪比和合理的带宽等优点而得到广泛的应用。在1 9 9 5 年z h a n g x c 等人发 明了自由空间电光采样技术，将其用于测量自由空间传播的t h z 辐射脉冲”侧， 与光电导采样相比，自由空间电光采样技术克服了光生载流子寿命的限制，具有 更短的响应时间和更大的带宽，带宽可达到3 7 t h z 洲，提高了测量的分辨率，目 前自由空间电光采样技术已成为一种广泛使用的t h z 辐射脉冲测量方法。 第三章有限厚大孔径光电导天线辐射太赫兹时域波形的理论模拟 2 2 1t h z 辐射脉冲的测量系统 由于t h z 辐射脉冲具有几百g h z 甚至t h z 的频谱宽度，已远远超过传统电子 测量技术的能力，必须相应的采用更高的分辨率、更大的带宽和更短响应率的测 量系统。这种新的测量系统必须满足：( 1 ) 使用一定的辅助技术，将极短时间内 出现的信号分开并加以储存，以便人们在测量期间或测量之后一段时间内对它们 进行同时的研究：( 2 ) 测量系统的带宽应达到t h z 的水平；( 3 ) 对测量对象的测量 能实现无扰探测，避免出现传统的电测量技术在测量时引入的分布电容等干扰 量。 同传统的电测量技术相比，光学的测量技术测量能力要高两、三个数量级。 而现今超短激光技术得到了迅速的发展，我们可以用超短光脉冲作为光探针来实 现对t h z 辐射脉冲的测量。它的基本原理使用同一束飞秒激光脉冲作为泵浦光和 采样光，利用光电导效应、电光效应或其它方法来实现采样光与被探测信号的位 相相关。同时采样技术是超快光电测量系统中普遍采用的一种信息处理技术，利 用采样技术可以把高频或快速变化的信号波形变为慢速或低频信号，以降低探测 接收系统的带宽。目前常采用的t h z 辐射脉冲测量技术有：光电导采样测量和电 光采样测量。 圃区亟丑必 图2 2 - 1 典型的t h z 辐射脉冲测量系统。 o ) f l 由空间电光取样测量； 光电导测量，其它部分同( a ) 图2 2 1 中( a ) 和( ( b ) 分别给出了电光采样测量系统和光电导测量系统。由 图可知，光电导采样和电光采样测量测量系统都是由激光光源、采样系统、t h z 辐射脉冲产生和探测系统和信号处理系统四部分组成的。飞秒激光光源产生的飞 秒激光由分束器分为泵浦光和采样光，泵浦光能量与探测光能量