太赫兹时域光谱

1、太赫兹时域光谱&太赫兹在物理学中的应用太赫兹时域光谱太赫兹时域光谱技术的优势太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术特性： （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，其稳定性也比较好。 （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

2、 -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，THz-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。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，其中最常见的为透射式和反射式THz-TDS系统。典型的太赫兹时域光谱系统典型的THz-TDS系统主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置及相应的探测装置，以及

3、时间延迟控制系统组成。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，最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。其他探测方法 THz-TDS技术还包括太赫兹发射光谱技术以及泵浦-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

4、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。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。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。

5、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。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。太赫兹在物理学中的应用发展机遇太赫兹不仅在量子相干和量子控制实验中占有重要的位置，而且它还是研究局部效应（localization effect）、非线性光学中的单周期脉冲等基础光学物理的理想之选。目前，随着高分辨率的连续波测量和时域测量等太赫兹光

6、谱技术的逐步提高，在很大程度上扩展了太赫兹在天体物理和大气科学中的应用范围。此外，太赫兹技术还可以研究在极端条件下如火焰、等离子体中的物质。随着超快光学的不断发展，人们利用太赫兹光谱技术来控制和表征在亚波长、压皮秒量级的电磁场的能力也不断增强。随着太赫兹脉冲强度和带宽的不断增加，研究人员相信该领域必将出现很多新的机遇。例如，在高于 1MV/cm 的场强中，太赫兹脉冲不仅能够进行探测，而且还能激发气相和溶液中的离子态。从而可以对一些基础性问题进行研究，如溶液中太赫兹活性分子（THz-active molecules）的溶剂环境。太赫兹技术还为识别周围环境中复杂的有机分子提供了新的方法。利用整形过

7、后的强太赫兹脉冲可以来研究经典量子通信、量子算法、量子局域化以及量子混沌等许多量子问题。太赫兹在光物理中的基础研究随机介质中的电磁波传播 利用光子研究随机介质中的安德森局域化问题是光物理中的一项长期的研究。到目前为止，人们只在微波频段观察到了这种效应。在太赫兹波段，人们可以得到材料很好的光学特性。例如，人们可以获得很高的介电常数（金属锗的 n 约等于 4）。因此，在太赫兹频段很容易能够观察到三维随机介质中的局域化效应。正是因为太赫兹有众多的特性，所以它是研究重散射波和波漫射的理想平台，而这些问题在医疗光学、地球物理学等许多物理科学领域都会经常出现的。太赫兹能够以亚波长的空间分辨率、亚周期的时间

8、分辨率来对复杂的波阵面进行相干测量。另外，利用太赫兹还可以对场统计学和场相关性进行直接研究。左手材料“左手材料”是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律。目前研究人员对于这类材料的研究还集中在微波波段。但人们会很自然把这一想法扩展到其他频段，而太赫兹波段理所应当的属于最佳的候选波段。如果在导体内加入杂质，电子在传导时会被这些杂质散射，多重散射波则发生互相干扰，结果能导致电子的运动停止，金属的导电性消失，呈现出绝缘体的性质。太赫兹在光物理中的基础研究近场电磁效应 近场辐射的相干探测为人们提供了电磁波近场的许多重要信息。在真空环境中，

9、电磁波的电场分量和磁场分量具有固定的关系，但是在近场条件下，这一关系就会变得极为复杂。磁光学能够让研究人员直接测量静磁场，这对于研究一维磁场所激发的样品具有重要的意义。利用太赫兹技术不但可以测量近场和远场这两个极限，而且还可以测量它们之间的过渡区域。由此也会进一步推动人们对近场测量的研究。单周期脉冲在太赫兹频段中, 目前科研人员已经能够产生出单周期的脉冲，这也表明了太赫兹是研究宽频辐射传输的理想工具。在频率极宽的情况下，缓变振幅近似也就不再适用了。这对于飞秒光学领域是十分重要的，因为通过锁模技术得到的脉冲已经可以窄到 1.5 倍周期左右。这种脉冲的传输、聚焦、变换和操作已经和窄频带脉冲完全不同

10、，而且目前仍有许多问题没有得以解决。上述这些使得利用太赫兹技术来研究单周期脉冲变得十分有意义，因为在太赫兹该频段可以比较容易获得高分辨的振幅和相位信息。量子相干和控制 量子数 n=20 到 n=60 的里德伯原子正好覆盖了太赫兹光谱频段，所以它们是研究许多量子力学问题的最佳模型。已经有许多实验证明了太赫兹辐射在这项研究中的可用性，如在里德伯原子中产生和探测任意的电子波包。对于这项研究工作，半周期的太赫兹脉冲是十分重要的，因为它具有宽广的光谱范围，所以可以同时和上百个里德伯能级发生相互作用。实际上半周期脉冲已经被用来分析波包的动量分量了，通过它不仅可以分析量子轨道、量子色散，而且还可以对本征函数

11、的动量分布进行测量。从这一研究之中得出了一个有趣概念，那就是波包的脉冲（冲击）电离，这一新的电离机制与散射电离有点相类似，但是它与直流电离和光电离却迥然不同。里德伯原子具有丰富的结构，这使得它成为进行量子信息处理的佳选之一。为了能够进行量子信息处理，研究人员利用太赫兹辐射以多种方式来对量子态进行操控。例如采用太赫兹脉冲来搜索一个量子数据库，在该实验当中脉冲引发了数据库中的模间干涉，而这种干涉可以使得相位信息转化成为振幅信息。极端条件下的物质探测采用高强度飞秒激光激发的等离子体存有许多潜在的应用价值。比如它能产生软X射线脉冲、相干谐波，以及构成基于等离子体的加速器等。从基础研究的角度来看，人们就能够探测物质和极强电磁场之间的相互作用，这种电磁场一般比原子中束缚电子的电场要大几个数量级。最近的研究工作表明这种等离子体可以成为太赫兹强场的辐射源。激光和物质相互作用之后