基于有機晶體的寬帶太赫茲波的產(chǎn)生與探測
· Rainbowphotonics應用說(shuō)明
· 寬帶太赫茲的產(chǎn)生與探測
· 廣泛可調和窄帶THz源
· THz波的應用
人們對太赫茲電磁輻射的興趣源于這些射線(xiàn)與物質(zhì)之間獨特的相互作用，這種作用可以在各種應用中得到利用。太赫茲波激發(fā)材料的分子振動(dòng)和晶格振動(dòng)，這使得太赫茲輻射在光譜學(xué)和材料識別中非常有趣。太赫茲輻射是非電離的，對水和水合狀態(tài)非常敏感，對非極性物質(zhì)如不導電聚合物、紙張、包裝材料等透明。因此，材料的不規則性、缺陷、外殼，用太赫茲輻射是看不到的。因此，THz輻射具有很高的無(wú)損檢測潛力。
有幾種技術(shù)可以產(chǎn)生太赫茲輻射，我們開(kāi)發(fā)了新型的有機晶體THz發(fā)生器，其優(yōu)化的性能使其成為高效產(chǎn)生和檢測太赫茲輻射的理想材料。基于這些有機晶體材料，我們開(kāi)發(fā)了袖珍的THz時(shí)域光譜系統:
1) TeraSys?- ULTRA，具有超寬的THz帶寬，可用于光譜和成像，最高可達20 THz，每秒可實(shí)時(shí)采集4個(gè)光譜。
2) TeraSys12?，具有寬THz帶寬的光譜學(xué)和成像高達12 THz；改進(jìn)的檢測，允許每秒實(shí)時(shí)獲取4個(gè)光譜。
3) TeraSys?- AiO，提供高達20 THz的帶寬
4)TeraSys?，高達12 THz
5) TeraIMAGE?，用于高達14 THz或20 THz的傳輸和成像，檢測速度為每分鐘3個(gè)光譜。我們還開(kāi)發(fā)了一種獨特的可調單頻THz源，TeraTune?，具有非常寬的可調范圍1-20 THz和窄線(xiàn)寬< 100 GHz。
太赫茲輻射
電磁波譜的太赫茲范圍位于高頻電子(微波)和長(cháng)波光子學(xué)(紅外光)之間。
太赫茲輻射很容易通過(guò)黑體輻射的方式獲得，但將信號與自然背景分離是一個(gè)挑戰。在這個(gè)所謂的“THz頻率間隔”上下產(chǎn)生電磁波的技術(shù)有好幾種。電子技術(shù)可用于產(chǎn)生頻率高達0.5 THz左右的波(主要是通過(guò)低頻源的電子倍頻)。從0.3到3 THz的Auston開(kāi)關(guān)是非常流行的源。非線(xiàn)性光學(xué)技術(shù)(光學(xué)整流和差頻產(chǎn)生)可以用來(lái)覆蓋0.3到50 THz之間的頻率范圍，量子級聯(lián)激光器大約在20 THz到100 THz之間。
寬帶太赫茲源
大多數寬帶THz源是基于不同材料在飛秒范圍內的超短激光脈沖的激發(fā)，光傳導和光學(xué)整流是產(chǎn)生寬帶THz脈沖的兩種最常見(jiàn)的方法。光學(xué)方法用于寬帶太赫茲源的產(chǎn)生，由于激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些方法是近20年來(lái)發(fā)展最迅速的。
在光導方法中，飛秒激光利用電場(chǎng)載流子加速在光導開(kāi)關(guān)或半導體中產(chǎn)生超快光電流。由于半導體中載流子壽命的固有限制，可實(shí)現的帶寬被限制在幾個(gè)THz以?xún)取９鈱W(xué)整流是脈沖太赫茲產(chǎn)生的另一種機制。也使用飛秒激光，太赫茲輻射的能量直接來(lái)自于激發(fā)的激光脈沖。在這種情況下，除了泵浦激光的參數外，轉換效率主要取決于光電系數和材料的相位匹配條件的距離。
在光學(xué)整流中，高強度超短激光脈沖通過(guò)透明晶體材料，透明晶體材料在不施加任何電壓的情況下發(fā)出太赫茲脈沖。圖2顯示了使用有機晶體發(fā)生器DAST或DSTMS的脈沖飛秒激光進(jìn)行光學(xué)整流的原理圖。在這種非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程中，非線(xiàn)性材料在高光強下迅速電極化。這種變化的電極化發(fā)出太赫茲輻射。由于激光脈沖電場(chǎng)的快速振蕩被整流，只剩下振蕩的包絡(luò )，故稱(chēng)為整流。由于介質(zhì)吸收低，極化瞬間遵循脈沖包絡(luò )暗示幾乎沒(méi)有限制的速度極化可以開(kāi)啟和關(guān)閉,即沒(méi)有內在限制帶寬的光電導天線(xiàn)。
產(chǎn)生太赫茲的材料
由于有機材料與無(wú)機材料相比具有更大的非線(xiàn)性光學(xué)靈敏度和速度匹配，因此利用有機材料作為T(mén)Hz發(fā)生器可以獲得更大的功率級，但受到材料損傷閾值的限制。
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表1：光學(xué)-太赫茲頻率轉換研究的有機和無(wú)機非線(xiàn)性光學(xué)材料的相關(guān)參數。在泵浦光波長(cháng)處的折射率n0和基團指數ng;折射率nTHz在THz范圍內;電光系數r;利用光學(xué)整流產(chǎn)生THz的優(yōu)點(diǎn)FMTHz圖。 有機晶體:DAST, DSTMS, OH1 LAPC:主-客體聚合物 無(wú)機晶體:GaAs, ZnTe, InP, GaP, ZnS, CdTe, LiNbO3
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最好的無(wú)機電光材料，如LiNbO3離最佳相位匹配條件還很遠，只能在特殊配置下使用。因此，雖然具有較低的電光系數和優(yōu)點(diǎn)，但最常用的半導體電光材料，如ZnTe，因為它們可以操作接近相位匹配。有機材料結合了高質(zhì)量和速度匹配的可能性，因此我們選擇了這些材料來(lái)制作我們的儀器。有機晶體DAST、DSTMS和OH1在波長(cháng)1200-1600 nm范圍內對飛秒激光光源的相位匹配最佳，這使得它們對于袖珍桌上型THz儀器非常有吸引力。它們還可以在寬范圍的THz頻率范圍內進(jìn)行接近速度匹配的操作，使低功率飛秒激光源實(shí)現產(chǎn)生寬帶THz成為可能。顯示了一個(gè)使用TeraSys?- ULTRA在有機晶體DSTMS中生成寬帶THz場(chǎng)的例子，與使用微型的飛秒光纖激光源的半導體天線(xiàn)生成的場(chǎng)相比。
在有機晶體DSTMS (TeraSys?- ULTRA)中使用飛秒泵浦激光器和THz時(shí)域光譜學(xué)產(chǎn)生的THz脈沖的頻率函數和典型的PC天線(xiàn)范圍內的THz場(chǎng)振幅。
有機THz發(fā)生器和探測器
太赫茲發(fā)生器和探測器是在瑞士的彩虹光子學(xué)工廠(chǎng)生產(chǎn)和光學(xué)準備的。彩虹光電股份有限公司是世界上唯一的有機單晶THz發(fā)生器的商業(yè)生產(chǎn)商。
我們的THz發(fā)生器的最佳應用范圍：泵浦激光器的波長(cháng)范圍在1200-1600nm是最合適的。當使用光整流時(shí)，脈沖越短，產(chǎn)生的THz帶寬越大。
探測：在太赫茲時(shí)域光譜學(xué)中，可以使用常見(jiàn)的技術(shù)來(lái)檢測有機晶體中產(chǎn)生的太赫茲信號。為了在較寬的THz范圍內達到最佳的檢測效率，同樣的有機材料也可以用于電光檢測，使用與標準電光采樣不同的原理，而標準電光采樣僅限于光學(xué)各向同性材料。對于有機晶體(或其他雙折射材料)，THz感應的透鏡可以使用與電光采樣類(lèi)似的靈敏度。
太赫茲時(shí)域光譜和成像：TeraSys?- ULTRA和TeraIMAGE?
TeraSys?- ULTRA為光譜和成像提供市場(chǎng)上超寬的THz帶寬，并為實(shí)時(shí)、THz成像和光譜提供最終解決方案。它是一個(gè)微型的太赫茲儀器尋址：在太赫茲(THz)頻率實(shí)時(shí)感應、檢測、分析和處理方法。它是基于有機晶體，允許使用的太赫茲頻率高達20太赫茲，這是傳統天線(xiàn)所不能達到的，它具有每秒4個(gè)光譜的實(shí)時(shí)采集功能。TeraSys12?提供了一個(gè)THz帶寬高達12 THz的實(shí)時(shí)采集。
TeraSys?- ULTRA中的THz檢測是使用特殊的光學(xué)和電子元件(細節是保密的)進(jìn)行優(yōu)化的，因此可以使用相對低功率的飛秒光纖激光器實(shí)現高信噪比。時(shí)域THz信號及其頻譜的一個(gè)例子如圖所示，它具有每秒4個(gè)光譜的采集時(shí)間。
在TeraSys?- ULTRA中使用0.45 mm厚的DSTMS晶體來(lái)產(chǎn)生和檢測THz，并使用一個(gè)脈沖長(cháng)度為20 fs的泵浦激光器，平均功率為120 mW，能量/脈沖為3.5 nJ。
TeraIMAGE?THz時(shí)域光譜儀具有成像選項，除了與TeraSys?相同的光譜部分外，還包括成像部分，該部分具有所有必要的機械控制和數據采集軟件，用于掃描50 x 50 mm2以下的物體(可根據要求提供更大的尺寸)。
光學(xué)圖像(由普通相機拍攝)和太赫茲圖像(由TeraIMAGE?拍攝)，顯示一塊具有視覺(jué)上缺陷不可見(jiàn)的塑料
使用TeraIMAGE?檢測UHMWPE(超高分子量聚乙烯)中的隱藏洞的THz圖像
窄帶可調諧太赫茲源：TeraTune?
許多材料不僅在高達約3 THz的THz范圍內都表現出特定的吸收特性（指紋），因為光電導天線(xiàn)可以達到該范圍，但也高于上面的范圍，因此進(jìn)行了廣泛的研究，請參見(jiàn)下表。水蒸氣的吸收導致在空氣中的衰減，這限制了大約10 THz以下的應用可能性范圍變得更小（在18 THz時(shí)達到四個(gè)數量級），這使得高達20 THz擴展THz的范圍引起了關(guān)注。
空氣中THz輻射的衰【來(lái)自Appleby等人，IEEE 2007】。在10 THz以上，空氣中的衰減明顯小于10 THz以下。這開(kāi)辟了廣泛的新應用可能性，如遠程成像和遙感。
在某些應用中，窄帶內的高THz波束功率比寬帶脈沖更可取。寬帶產(chǎn)生技術(shù)產(chǎn)生的總太赫茲功率分布在脈沖的頻譜范圍內；因此，任何特定頻率下的功率密度本來(lái)就很低。為了在一定的THz頻率下獲得合理的轉換效率，首選具有高波束峰值功率的窄帶脈沖輸出。
TeraTune?一個(gè)可調諧的窄帶THz源，窄線(xiàn)寬小于100 GHz，調優(yōu)范圍為1-20 THz。2012年，彩虹光電將這一獨特的THz光源引入市場(chǎng)，它是基于有機THz發(fā)生器DSTMS和OH1中納秒脈沖的差頻產(chǎn)生。合適的紅外泵浦光脈沖是在一個(gè)獨特設計的雙波長(cháng)OPO(光參量振蕩器)中產(chǎn)生的，該光參量振蕩器可在1330-1480 nm范圍內進(jìn)行調諧，產(chǎn)生兩個(gè)頻率差在THz范圍內的窄帶納秒脈沖。波長(cháng)可以通過(guò)角度調整OPO晶體來(lái)調整，OPO晶體由相應的軟件控制。為了在不同的THz頻率下獲得最佳的效率，發(fā)生器晶體可外接開(kāi)關(guān)。
高THz峰值功率超過(guò)30 W使用OH1產(chǎn)生晶體可以達到1.25 THz，使用1毫米厚DSTMS晶體的可調諧譜如圖所示。
TeraTune?:可調(1-20 THz)窄線(xiàn)寬(<100 GHz) THz源
使用1毫米DSTMS THz發(fā)生器的TeraTune?調諧曲線(xiàn)。在某些頻率，可達到的THz峰值功率較低，這可能是由于產(chǎn)生材料本身對THz的吸收，也可能是由于相位匹配不完善。產(chǎn)生晶體相對較厚(1mm)，因此產(chǎn)生相位匹配的地方可以獲得較高的效率。
THz波的應用
太赫茲波的某些應用與這些波的獨特性質(zhì)有關(guān)，以激發(fā)“Reststrahlen”范圍內的分子振動(dòng)和晶格振動(dòng)。此外，太赫茲波顯示出低吸收性，并通過(guò)大多數非導電的均質(zhì)塑料、紙張、卡通、大多數衣服等傳播，因此可以檢測到隱藏的有害物質(zhì)。因此，除了材料的太赫茲光譜外，這些波還可能對安全性應用有用，而且還可用于識別非導電材料中的缺陷。對于導電和部分導電的材料，太赫茲光譜可以深入了解這些材料中電荷傳輸的機理。在這里，我們給出了太赫茲光譜的一些示例，并說(shuō)明了使用有機非線(xiàn)性光學(xué)材料產(chǎn)生和檢測太赫茲波的材料測試。
(a) 顯示了使用THz時(shí)域光譜測量的幾種爆炸物的THz光譜。
(b) 顯示了隱藏在兩個(gè)特氟龍板后面的Semtex炸藥樣品，可以看到;光波(左)和THz波(右，炸藥:綠色;右上角的黃色區域對應于左圖中的紅色貼紙)。
(c) 顯示了隱藏在一個(gè)信封中的蠟樣芽孢桿菌(炭疽)樣本的圖片和THz圖像。
(d) 顯示了一堆透明膠片的光學(xué)和THz圖片，其中標簽“ ETH”已在其中一張透明膠片中被切掉（可見(jiàn)光看不到），并且由于相位的原因，其THz透射圖像給出了完整的對比度圖像，切除區域中太赫茲波的偏移（“缺陷”）。 第二張圖片顯示了如何通過(guò)太赫茲波使嵌入塑料中的金屬缺陷或夾雜物（帶有“ NLO”符號的金屬線(xiàn)）可見(jiàn)。最后一幅圖顯示了一塊塑料上的一個(gè)空洞，
(e) 顯示了隱藏在信封中的信用卡上的信用卡號碼。
(f) 顯示了帶有和不帶有缺陷的聚乙烯樣品的THz反射圖像示例。可以在3D中以小于10μm的分辨率顯示這些空隙，低于波長(cháng)（縱向）分辨率的原因在于，可以非常精確地確定反射波的相移和時(shí)間分辨率。
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