太赫兹时域光谱与频域光谱研究综述（四）

2020.10.06

除此之外, 还有量子级联激光器、微波倍频、气体激光等方法用来产生窄带连续波太赫兹辐射。表5总结了不同的太赫兹连续波发射源的相关参数对比。

表5 太赫兹连续波发射源的比较Table 5 Comparison of terahertz continuous-wave emission sources

2.1.2 接收器

测量频域光谱仪中的太赫兹连续波, 既可以使用非相干的探测技术, 又可以使用相干探测技术。目前最常用的相干探测技术为混频器差频检测, 最常用的非相干探测技术为热释电探测。

(1)混频器和差频检测

混频器是一种非线性电子学元件。它可以以直接探测的形式测量太赫兹辐射(属于非相干探测, 灵敏度较低)。但是, 它的更常见的应用方式是与本地振荡器结合进行差频测量, 从而极大地提高测量灵敏度, 并且由于是相干测量, 还能提供相位信息。如图11所示, 差频测量装置需要一个本地振荡器。该本地振荡器产生一个和待测信号频率接近的单一频率电磁波, 称作参考波。待测信号和参考波同时通过混频器进行差频, 产生一个中频波。相对于待测信号而言, 该中频波的频率较低, 容易用电子学方法进行放大与处理。这一中频波经过一个特定频率的滤波器滤波后, 再进行放大, 即可获得特定频率的信号。由于差频测量具备带通滤波的特性, 因此它可以用来进行频谱的测量, 而且具备很高的灵敏度。它的噪声等效功率能达到10^-21~10^-19 W· Hz^-1, 远高于直接探测的方式。常用的混频器有肖特基二极管混频器、超导体-绝缘体-超导体混频器以及热电子辐射热计混频器三种形式。其中, 前者可以工作在常温下, 而后两者则需要在低温下工作。相对而言, 肖特基二极管混频器的灵敏度较后两者低; 超导体-绝缘体-超导体混频器可以工作在亚太赫兹波段(低于1 THz), 而高频的测量需要使用热电子辐射热计混频器。差频探测的缺点是需要本地振荡器, 增加了成本和操作的复杂性, 而且不容易将其集成为探测器阵列。

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	图11 差频检测示意图Fig.11 Schematic diagram of difference-frequency detection

(2)热释电探测器

热释电探测器利用热释电效应探测太赫兹辐射的功率。热释电效应即当晶体的温度改变时, 其两端产生电势差的现象。具有热释电效应的晶体, 其晶胞具有极性。热释电探测器利用热释电晶体在受到辐射时的温度改变, 从而引起的电压改变来测量辐射在该晶体上的能量。常见的热释电晶体包括氯化硫酸三甘氨酸(DTGS)和钽酸锂等。虽然热释电探测器的灵敏度低, 但是它结构精简, 便于操作, 且可工作在常温条件下。当前, 热释电二维探测器阵列已经成为产品。

除此之外, 常用的非相干探测技术还有辐射热计、戈莱盒等。非相干探测技术的优点是可以探测的频段非常宽, 而且使用相对比较简单; 缺点包括灵敏度低, 被背景噪声影响较大, 不能反映相位信息, 而且其响应速度一般比较慢。而相干探测技术的特点恰好相反。表6给出了不同的太赫兹连续波探测器的相关参数对比。

表6 太赫兹连续波探测器的比较Table 6 Comparison of terahertz continuous-wave detectors

2.1.3 典型的频域光谱仪结构原理

目前太赫兹领域中最典型的频域光谱仪主要以非线性光学混频技术与混频器为结构基础。 1995年Brown等通过实验证明了利用DFB半导体激光器和低温生长的GaAs混频器能够产生连续频率可调的THz光源辐射^[43], 频率可达5 THz, 但是功率较低。 1998年他们又利用DFB半导体激光器和两片低温GaAs混频器实现了连续THz的光源辐射和探测^[44], 证明了以DFB半导体激光器和GaAs混频器为基础的频域太赫兹光谱仪的稳定性。它主要由两个DFB半导体激光器、 GaAs混频器、锁定探测装置、加压装置组成, 其装置示意图如图12。来自两个DFB半导体激光器的光束先汇合再分束, 其中一束辐射到加有偏压装置的混频器上产生THz波, 该波经过样品后到达作为探测器的混频器上与分束的另一束激光汇合, 二者混频之后产生出可以探测的电流信号。由于是相干探测, 能同时探测到样品THz频谱的相位和幅度。以这种方式组建的太赫兹频域光谱仪, 不仅拥有回波管(BWO)系统所有的优点, 并且由于DFB半导体激光器、混频器等器件的轻便简单与耐用性强, 使得整个系统更加精简、容易操作。

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	图12 典型太赫兹频域光谱仪实验装置图Fig.12 Schematic diagram of typical THz-FDS system

2004年, 加利福尼亚大学的Bjarnason等, 利用掺杂Er原子的低温低生GaAs基片, 实现了20 GHz~2 THz的辐射, 功率在88 GHz时最高可达12 μ W^[45]。这为太赫兹频域光谱仪提供了更为理想的辐射光源, 也使人们对于太赫兹频域光谱仪的研究与使用步入了一个新的阶段。

2.1.4 仪器性能特点

太赫兹频域光谱仪相对于时域光谱仪而言有着自己独特的优势:

(1)它可以测量样品对某一特定频率太赫兹波的响应时间或者其他物理量的连续变化曲线, 进行定频测量, 时域光谱仪不具备此特点;

(2)频域光谱仪的测量分辨率较高, 一般在MHz的水平, 远高于时域光谱仪的测量分辨率;

(3)频域光谱仪在测量中得到样品信息直接在频域谱上呈现, 不需要像时域光谱仪一样进行傅里叶变换等繁琐的数据处理, 有效地减少了系统误差, 提高了实验结果的可靠性。

作为一种新兴的太赫兹光谱系统, 太赫兹频域光谱仪相比于时域光谱仪的发展来说并不是十分成熟, 存在着一些显著的缺陷。首先, 在高频率下工作时, 频域太赫兹光谱仪过低的辐射功率导致常规的辐射热量仪无法进行探测; 其次, 频域光谱仪与时域光谱仪相比, 所能测量的频谱带宽要窄很多。这些不足在一定程度上制约了频域光谱仪在实际生产中的应用, 其性能还有很大的提升空间。

2.2 应用领域

太赫兹频域光谱在研究需要高光谱分辨率体系和物理系统单频响应方面有着重要的应用。图13即为典型的太赫兹频域光谱仪测量样品所得到的频域谱。