太赫兹实验系统和关键组件

1. 特征
基于半导体的太赫兹发射源和探测器
光谱范围0.1-3 THz
亚皮秒的时间分辨率
用电脑控制并完成数据分析

2. 应用THz时域光谱分析
THz 成像
光泵浦THz探针

3. 介绍
太赫兹和亚太赫兹的频段（100GHz-10THz）正好填补现有物理学电磁波谱中毫米波和红外线波段之间的这一段空白。被科学界戏称为太赫兹“空隙”的这段光谱是非常有吸引力的，因为已经发现许多潜在的应用，除了我们下面将提到的三大主流研究方向外，在特殊物体成像、生物检测以及先进通信系统等方面同样具有十分广阔的应用前景。

4. 太赫兹时域光谱分析（THz—TDS）
典型的THz时域光谱学系统如图1。用亚皮秒的太赫兹脉冲透过样品，再经一段对称的自由空间后由探测器接收，测量由此产生的电磁场强度随时间的变化（利用傅立叶变换获得频域上幅度和相位的变化量），进而得到样品的信息。这样的测量方法已经成功地用于气体和有机材料的测量。

5. 太赫兹成像（THz Imaging）
太赫兹射线能够深入到许多有机材料内部而不伤害材料，这个类似于X射线的特长使太赫兹成像非常适合用来测量生物样品。通过聚焦后的太赫兹光束来对样品进行光栅扫描，这套工具包就能轻易的实现太赫兹成像。

6. 太赫兹泵浦探针试验(Pump-Probe THz Experiments)
而飞秒激光器的引入为研究超快过程的非平衡动态力学提供了手段。在采用光泵浦探针技术的试验中，样品一面被超短的强激光脉冲照射，激发出自由电信号，同时一束相对较弱的泵浦信号光从另一面射入，这束THz波改变了样品的光学性质。与纯粹的光学探针技术恰恰相反——研究发现THz泵浦脉冲在半导体的级带上是非共振的，这就避免了自由电子动力学领域试验中许多人工的假象干扰，可以放心地直接作为探针应用于光泵浦-光学探针系统。

7. THz光谱应用组件
标准的成套工具包由：含光电导天线的THz发射和接收器、引导泵浦光路的光学组件、电机延迟线、给THz光路定向的光学镜片、样品台、带控制器的斩波器和锁相放大器多部分组成。配置简单灵活可应需更改，比如，把样品台安装在X-Y电动调整架上即转换成成像实验用的装置了。

图2是收集来的数据典型示例。这是发射级和接收级间未嵌入样品时的THz波形和傅立叶光谱图样。

8. THz 应用相关元件
THz发射和接收器均集成了低温环境下生长的GaAs晶体材料光电导天线（含微波传输带）和一些THz透镜，分别安置在两个X-Y调整架当中。电子迁移率和诱捕时间这两个技术指标分别决定了光电导天线在发射器和接收器上的表现。低温环境生长的GaAs（LTG-GaAs）是最适于太赫兹应用的材料之一，因为它有极高的电子迁移率、较快的电信号捕获时间、很高的击穿电压以及高抗性。另外，我们在低温环境生长GaAs的过程中采用了一种特别的技术，使得光电激发寿命获得了一个远宽于正常的可控波谱范围：从低于100fs 一直到100ps！除了光电导天线的几何设计，像THz透镜组的参数的准确选择和低温GaAs晶体外延法生长过程选择哪类材料的附着层，这些都是非常关键的因素。我们希望在保留最佳的带宽情况下，通过优化还能输出最高能量的THz辐射。所克服的技术难点也正是这套工具包的价值所在。
就拿THz透镜来说，这套THz发射和探测级所选配的透镜，用了许多不同材料来满足如此宽范围的波长的辐射，一般来说，像绝缘材料和硅质都是比较常用的。镀金的反射镜则是保证THz“光束”准直和聚焦的重要元件。