光泵浦太赫茲探測實(shí)驗系統原理（OPTP）
光泵浦太赫茲探測(OPTP)系統簡(jiǎn)介
光泵浦太赫茲探測（OPTP）技術(shù)是一種新興的應用前景良好的超快載流子動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)。太赫茲輻射，其波段在紅外與毫米波之間，屬于遠紅外波段，當它透射半導體樣品時(shí)，對半導體表面的載流子分布和變化十分敏感，很適合被用作探測波來(lái)反映載流子的運動(dòng)狀況。 當泵浦光對半導體進(jìn)行光激發(fā)時(shí)，導帶中的電子和價(jià)帶中的空穴占據了一些能態(tài)，從而會(huì )減少樣品對太赫茲探測光的透射，產(chǎn)生飽和吸收，但隨著(zhù)受激載流子的復合，這種飽和效應也隨之退化，對太赫茲探測光的透射也隨之升高。因此，通過(guò)對太赫茲探測光瞬態(tài)透射譜的研究，我們可以獲得半導體材料中非平衡載流子分布的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其他光學(xué)信息。
OPTP 技術(shù)的出現和崛起使超快光譜學(xué)可用的技術(shù)手段又多了一種。它是光學(xué)泵浦探測技術(shù)和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的結合應用，主要優(yōu)勢在于既能直觀(guān)地觀(guān)測到樣品信號的光致變化所反映出來(lái)的信息，又能提供一個(gè)亞皮秒量級的時(shí)間分辨率。運用 OPTP 技術(shù)可以讓我們通過(guò) THz 光譜在載流子動(dòng)力學(xué)的研究過(guò)程中獲得樣品的復電導率的光致變化狀況，能夠實(shí)現對準粒子和超導冷凝物的動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)測量。OPTP 技術(shù)在早期主要應用于凝聚態(tài)物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)探測。但是近幾年來(lái)，隨著(zhù)電光技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對 OPTP 技術(shù)了解的逐漸深入，OPTP技術(shù)找到了適合發(fā)揮其特點(diǎn)的新的應用領(lǐng)域——探測光導材料中光生載流子的動(dòng)力學(xué)。 國外對 OPTP 技術(shù)和其他超快光譜學(xué)技術(shù)的研究較為廣泛和深入。實(shí)驗方法主要以光泵浦 THz 探測的方式居多，同時(shí)也有通過(guò)改變溫度條件來(lái)促使物質(zhì)內部載流子發(fā)生變化，從而通過(guò) THz 探測信息等其他形式。研究對象也多種多樣，但大部分還是以半導體材料、一些復合有機材料及異質(zhì)結結構為主，也有小組用此來(lái)研究傳統金屬（例如金和銀）中電子間、電子與聲子間的相互作用過(guò)程，有的甚至還進(jìn)行過(guò)對液體中的載流子動(dòng)力學(xué)研究。 在國內，只有中科院物理所曾研究過(guò)半導體材料 GaAs 作為輻射源產(chǎn)生 THz的研究，其他報道暫時(shí)未見(jiàn)到。
OPTP 系統同典型的 THz-TDS 系統的區別
典型的THz-TDS系統主要由飛秒激光器、THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射探測裝置和時(shí)間延遲控制系統組成。以透射式THz-TDS系統為例，其具體實(shí)驗裝置示意圖如下圖所示。飛秒激光經(jīng)分束鏡分為兩束，其中一束經(jīng)斬波器(Chopper)斬波后，入射ZnTe晶體。利用光整流效應在ZnTe晶體中產(chǎn)生的THz脈沖經(jīng)過(guò)兩對離軸拋面鏡，后聚焦于ZnTe探測晶體上。由分束鏡分出的另一束光作為探測光也通過(guò)ZnTe晶體，THz的輻射電場(chǎng)通過(guò)電光效應使經(jīng)過(guò)該電光探測晶體的探測光偏振態(tài)發(fā)生變化，從而反映出了THz電場(chǎng)的變化。THz輻射時(shí)域波形由探測光對泵浦光的時(shí)間延時(shí)來(lái)追蹤測量，鎖相放大器(lock in)將信號放大。
OPTP 系統以上圖中實(shí)驗系統為例，激光脈沖從鈦寶石正反饋放大器中出射，經(jīng)過(guò)第一個(gè)分束鏡 BS 1 分束后，分為兩束：其中最強的一束光（顏色最深）我們稱(chēng)其為光泵浦路，它沿著(zhù) stage 1 的方向傳播，經(jīng)幾個(gè)反射鏡反射后斜入射到樣品上，對樣品進(jìn)行光激勵；另一束傳播向 BS2，再次進(jìn)行分成兩束激光。這兩束激光則如上文所描述構成太赫茲時(shí)域光譜儀系統。
OPTP 系統與 THz-TDS 系統相比，結構大致相同，產(chǎn)生 THz 信號和探測接受信號的方式也可以一樣，但其主要區別在于：分光過(guò)程中 OPTP 系統將一束超快激光脈沖分成三束脈沖——產(chǎn)生路，探測路和泵浦路，比 THz-TDS 系統多分出一路泵浦光路作為泵浦源來(lái)激勵樣品。在實(shí)驗測量方面，THz-TDS 系統主要靠移動(dòng)圖中的 Delay Stage 2來(lái)掃描 THz脈沖的時(shí)域波形；而 OPTP 系統的數據掃描過(guò)程有一維掃描和二維掃描之分，既能觀(guān)測時(shí)域波形中某一點(diǎn)的 THz 透射強度隨著(zhù)時(shí)間延遲（泵浦路和產(chǎn)生路）變化而變化的情況，又能在確定泵浦路和產(chǎn)生路間的時(shí)間延遲的情況下，掃描 THz時(shí)域波形進(jìn)行進(jìn)一步分析。正是因為有一維和二維掃描的模式，及太赫茲脈沖探測提供的亞皮秒量級的時(shí)間分辨率，OPTP 系統能讓我們可以比較直觀(guān)地、時(shí)間分辨地觀(guān)測到實(shí)驗中所得的 THz 時(shí)域信號所反映出來(lái)的樣品載流子信息，對進(jìn)行半導體超快載流子動(dòng)力學(xué)的研究提供了一種便利的方法。
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太赫茲時(shí)域光譜儀系統（TDS）原理視頻
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