太赫茲(THz, 1THz=1012Hz)頻段是指頻率從十分之幾到十幾太赫茲，介于毫米波與紅外光之間相當(dāng)寬范圍的電磁輻射區(qū)域。 近年來(lái), 超快激光技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了 THz 脈沖產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用研究也得到蓬勃發(fā)展。由于物質(zhì)的THz 光譜包含豐富的物理和化學(xué)信息，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索具有重要意義，同時(shí)THz輻射還具有瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和光子能量低等特點(diǎn)，使得 THz 技術(shù)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)及軍事應(yīng)用領(lǐng)域有深遠(yuǎn)研究?jī)r(jià)值和重要的應(yīng)用前景。目前，THz技術(shù)在基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究主要包括研究物質(zhì)THz波段的光譜響應(yīng)，對(duì)THz光譜進(jìn)行理論解析, 探索凝聚態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的聲子、偶極子動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其結(jié)構(gòu)性質(zhì)。在應(yīng)用領(lǐng)域的研究則涵蓋了微電子學(xué)、光電子學(xué)、通信、天文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等及由此帶動(dòng)的交叉研究, 如安全檢測(cè), 特別是對(duì)炸 藥、毒品等相關(guān)材料的檢測(cè)研究已成為熱點(diǎn)。

THz波的產(chǎn)生分為連續(xù)波的THz產(chǎn)生和THz脈沖的 產(chǎn) 生。 產(chǎn) 生 連 續(xù)THz波 的 方 法 主 要 有４ 種：（1）通 過(guò) FTIR（Fourier Transform Infrared Spectrometer） 使用熱輻射源產(chǎn)生， 如汞燈和SiC棒；（2）是通過(guò)非線性光混頻產(chǎn)生；（3）通過(guò)電子振蕩輻射產(chǎn)生，如反波管、耿式振蕩器及肖特基二極管產(chǎn)生；（4）通過(guò)氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器等THz激光器直接產(chǎn)生。目前產(chǎn)生THz脈沖常用的方法有光導(dǎo)天線法、光整流法、THz參量振蕩器法、空氣等離子體法等，其中空氣等離子體能產(chǎn)生相對(duì)較高強(qiáng)度的THz波而備受關(guān)注，此外，還可以用半導(dǎo)體表面產(chǎn)生THz波。

太赫茲光譜用短脈沖太赫茲輻照來(lái)探測(cè)材料的性質(zhì)。樣品的輻射在MHz頻率范圍內(nèi)檢測(cè)和調(diào)制。由一個(gè)或多個(gè)激光器驅(qū)動(dòng)的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生可以用鎖相放大器測(cè)量和檢測(cè)的斬波的THz脈沖。HF2LI鎖相放大器用于太赫茲光譜儀器的連接圖如下圖一所示。

  圖一 HF2LI鎖相放大器連接到THz光譜儀系統(tǒng)

電光取樣技術(shù)

電光取樣測(cè)量技術(shù)基于線性電光效應(yīng)：當(dāng)THz脈沖通過(guò)電光晶體時(shí)，會(huì)發(fā)生電光效應(yīng)，從而影響探測(cè)（取樣） 脈沖在晶體中的傳播。 

當(dāng)探測(cè)脈沖和THz脈沖同時(shí)通過(guò)電光晶體時(shí)，THz脈沖電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致晶體的折射率發(fā)生各向異性的改變，致使探測(cè)脈沖的偏振態(tài)發(fā)生變化。 調(diào)整探測(cè)脈沖和THz脈沖之間的時(shí)間延遲，檢測(cè)探測(cè)光在晶體中發(fā)生的偏振變化就可以得到THz脈沖電場(chǎng)的時(shí)域波形。

自由空間電光取樣THz探測(cè)原理如下圖二所示。 圖中的激光器為飛秒激光器，它所發(fā)出的飛秒激光脈沖經(jīng)分束器之后，分為泵浦脈沖和探測(cè)脈沖。 泵浦脈沖用來(lái)激發(fā)THz發(fā)射極使其產(chǎn)生THz脈沖，然后該脈沖被離軸拋物面鏡準(zhǔn)直聚焦，經(jīng)半透鏡照射到電光晶體之上，由此改變電光晶體的折射率橢球。 當(dāng)線偏振的探測(cè)脈沖在晶體內(nèi)與THz光束共線傳播時(shí)，其相位會(huì)被調(diào)制。 由于電光晶體的折射率會(huì)被THz脈沖電場(chǎng)改變，所以探測(cè)光經(jīng)過(guò)電光晶體時(shí)，其偏振狀態(tài)將會(huì)由線偏振轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振，再經(jīng)偏振分束鏡（這里常用的是沃拉斯通（Wollaston） 棱鏡） 分為 ｓ 偏振和 ｐ偏振兩束，而這兩束光的光強(qiáng)差則正比于THz電場(chǎng)。 使用差分探測(cè)器可以將這兩束光的光強(qiáng)差轉(zhuǎn)換為電流差，從而探測(cè)到THz電場(chǎng)隨時(shí)間變化的時(shí)域光譜。 利用機(jī)械電動(dòng)延遲線可以改變THz脈沖和探測(cè)脈沖的時(shí)間延遲，通過(guò)掃描這個(gè)時(shí)間延遲可得到THz電場(chǎng)的時(shí)域波形。 為了提高靈敏度和壓縮背景噪聲，可以采用機(jī)械斬波器來(lái)調(diào)制泵浦光，而后利用鎖相探測(cè)技術(shù)，即可獲得THz電場(chǎng)振幅和相位的信息。

  圖二  電光探測(cè)技術(shù)的太赫茲光譜系統(tǒng)

時(shí)域太赫茲光譜技術(shù)

THz- TDS系統(tǒng)是基于相干探測(cè)技術(shù)的太赫 茲產(chǎn)生與探測(cè)系統(tǒng), 能夠同時(shí)獲得太赫茲脈沖的振幅信息和相位信息, 通過(guò)對(duì)時(shí)間波形進(jìn)行傅立葉變換, 能直接得到樣品的吸收系數(shù)和折射率、透射率等光學(xué)參數(shù).太赫茲時(shí)域光譜有很高的探測(cè)信噪比和較寬的探測(cè)帶寬, 探測(cè)靈敏度很高, 可以廣泛應(yīng)用于多種樣品的探測(cè).
THz- TDS 系統(tǒng)可分為透射式、 反射式、 差分式、 橢偏式等, 其中最常見(jiàn)的為透射式和反射式THz- TDS 系統(tǒng).典型的 THz- TDS 系統(tǒng)如下圖三所示,它主要由飛秒激光器、 太赫茲輻射產(chǎn)生裝置及相應(yīng)的探測(cè)裝置, 以及時(shí)間延遲控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)組成.目前, 在 THz- TDS 技術(shù)中常用來(lái)產(chǎn)生太赫茲脈沖的方法主要有 3 種: 光導(dǎo)天線、半導(dǎo)體表面輻射和光整流, 而相應(yīng)的探測(cè)方法也主要有 3 種: 熱輻射計(jì)、光導(dǎo)開(kāi)關(guān)和電光取樣

  圖三  時(shí)域太赫茲光譜系統(tǒng)