全国服务热线:86-0769-23623023

基于光学方法搭建太赫兹时域光谱系统

日期:2018-09-26 15:24 人气:
利用光学手段产生太赫兹波的方法目前主要有光电导天线、晶体光整流和激光等离子体等方法。但是在进行上述方法的系统搭建及产品采购等方面常常会出现或多或少的问题。
 
我总结了一些多年的实验经验和心得,对比了这三种系统的优缺点和适用场合,供同行参考和交流。

 

01

 

光电导天线

 

光电导天线的原理比较简单,这里不再赘述。在进行光电导天线的选购时要根据自身激光波长以及功率进行选择,最好是选择光纤耦合式的,这样调节起来稍微方便一些。天线的生产厂家主要有Batop以及Menlo system等厂家,价格不同,性能也会有些不同。总体上遵循了一分钱一分货的原则。

 

表1 光电导天线厂家

 

对于自由空间式的光电导天线,无论是发射端以及接收端最好都能在调节架下安装手动三维平移台,这样调节起来会比较快。单纯地依靠镜架手调还是比较费劲。这里推荐国外某厂家专用的太赫兹天线调整架或国内某厂家的手动三维平移台+精密镜架的调节方式。

 

图1 天线专用调节架(左)手动三维平移台(右)

 

对于天线光路的布置,如果是自己搭建,最好遵循紧凑适中的原则,将样品测量的空间尽量预留出来。如果买来的天线焦距不合适,可采用TPX透镜组或者离轴抛物面镜进行焦距调节,以期达到样品探测需要的空间。

 

图2 离轴抛物面镜的太赫兹聚焦系统

 

图3 TPX透镜的太赫兹聚焦系统

 

光路一般会被分为抽运光以及探测光,对于两束光路光程差的补偿,一般选取高精度步进电机进行补偿(原则上能用就行,实际上贵一点总是好的,一般PI和Newport家做的都比较好)。这部分的调节以遵循反射镜组在整个平移台行程内出射光斑位置不变为准。这样才能保证在整个采集数据的过程中光路不发生变化。反射镜组的选择可以是两个夹角呈90°的反射镜,也可以选择更为方便的中空回射器。

 

图4 中空回射器延时线装置

 

以上是基于自由空间的光电导天线系统的光路搭建部分,为了运行稳定,调节方便考虑,目前很多厂家都推出了基于天线的成套全光纤式太赫兹系统。比如Batop,Menlo system,Ekspla,Rainbow Photonics,Advantest,API等。价格不一,购买时也需要根据自身需求仔细鉴别。

 

对于光电导天线,除了搭建上述常见的太赫兹时域光谱系统之外,还可搭建突破衍射极限的近场系统,通过逐点成像的方法,可将成像分辨率提高到微米量级。此处探测端的天线集成到了近场探针上,探针与样品间距维持在微米量级。与样品发生相互作用的太赫兹波被探针接收,随后进入探测系统进行探测。整套系统中光导探针由于距离样品较近,很容易导致探针损坏,因此实验中要十分注意。

 

图5近场太赫兹光谱仪[1]

 

说到近场成像,就不得不提及基于散射型的太赫兹近场光学显微镜。德国的Neaspec公司在NeaSNOM近场光学显微镜的基础上,成功开发出了一套空间分辨率达到30 nm的太赫兹系统,这对于需要纳米分辨率细微尺度的材料分辨研究意义重大。当然这套系统的价格也十分昂贵,目前国内少数几家高校和研究所也在进行研制,如中科院重庆院、上海理工、上海微系统所等。由于系统难度太大,目前国内还没有研制成功的单位。

 

图6 太赫兹近场显微镜示意图[2]

 

02

 

晶体光整流

 

光整流是另一种能有限产生太赫兹波的方法,其原理是电光晶体的二阶非线性光学效应。当飞秒激光脉冲在晶体中传播时,抽运脉冲各频谱之间会通过差频效应激发一个低频的电极化场,该电极化场向外辐射的电磁波正好落在太赫兹频段。

 

比较常见的太赫兹晶体有GaAs,ZnSe,LiNbO3等,目前基于波前倾斜LiNbO3晶体的太赫兹系统较多。通过放大级飞秒激光系统激发该晶体可产生较强的太赫兹脉冲,太赫兹电场强度也可高达MV/cm量级。其能量转换效率大约在3%左右。这对于太赫兹非线性科学的研究十分重要。该套系统根据激光能量的不同需要采用不同尺寸的LiNbO3晶体,且晶体切割角度比较重要,购买时需要注意。

 

对于晶体产生的太赫兹辐射角度,可通过热释电探测器进行探测。探测端则采用传统的ZnTe电光晶体探测,目前已有商业化的ZnTe电光晶体探测器,搭建系统时可以方便采用。

 

图7 基于LiNO3晶体太赫兹时域光谱示意图[3]

 

除了传统的无机晶体外,目前有机非线性晶体也能产生较强的太赫兹辐射,比较典型的有DAST,DSTMS,OH1,BNA等,这类晶体相比无机晶体,其太赫兹辐射吸收较低,非线性系数较大,且可采用共线抽运的方案产生,省略了非共线方案时候复杂的光路调节。因而其产生的太赫兹脉冲光束质量也更高。

 

03

 

激光等离子体

 

相对于上述两种方案,基于激光等离子体的太赫兹辐射源研究则相对较少,比较常见的为双色场抽运的太赫兹辐射源,其原理是基频光和倍频光在空气或惰性气体中聚焦,焦点处的不对称瞬变电流能产生一个不对称的瞬变电场,从而向外辐射太赫兹波。探测端若采用空气探测,其原理为产生端的逆过程。目前已有商用的太赫兹进行探测,搭建光路时用起来也十分方便。

 

该种方法的优点在于可以探测整个太赫兹频段(0.1-10 THz)。搭建的难点在于产生端BBO晶体角度和位置的优化以及探测端高压电极位置的移动。晶体的购买可选择福晶科技。

 

图8 基于LiNO3晶体太赫兹时域光谱示意图[4]

本文主要介绍了几种基于光学方法的太赫兹时域光谱系统,对于系统的搭建则是个体力活儿,干的时间长了自然会比较熟悉。

 

总体而言:

 

1.如果需要进行快速测谱或者成像研究,且需要较高信噪比时,可选择基于光电导天线的太赫兹系统;

 

2.需要进行强场非线性太赫兹波研究(如光抽运太赫兹波探测或太赫兹抽运太赫兹探测)时,可选择基于LiNO3晶体光整流的太赫兹系统;

 

3.需要进行宽频太赫兹波(0.1-10 THz)研究时,可选择基于双色场抽运空气或惰性气体方案的太赫兹系统。

文中图片均来自东莞市明阳光电有限公司

 

参考文献:

[1]许悦红, 张学迁, 王球,等. 基于光导微探针的近场/远场可扫描太赫兹光谱技术[J]. 物理学报, 2016, 65(3):227-238.

[2]Dai G, Yang Z, Geng G, et al. Signal detection techniques for scattering-type scanning near-field optical microscopy[J]. Applied Spectroscopy Reviews, 2018(1):1-30.

[3]Wu X, Carbajo S, Ravi K, et al. Terahertz generation in lithium niobate driven by Ti:sapphire laser pulses and its limitations[J]. Optics Letters, 2014, 39(18):5403.

[4]Nicholas Karpowicz, Jianming Dai, Xiaofei Lu. Coherent heterodyne time-domain spectrometry covering the entire terahertz gap[J]. Applied Physics Letters, 2008, 92(1):1759.

繁體中文版