THz时域光谱系统及自由空间电光取样THz光谱测量

【摘要】：THz(10~(12)Hz)辐射通常指的是频率在0.1THz～10THz(波长在30μm～3mm)之间的电磁波,其波段在微波和红外光之间,属于远红外波段,其成像和光谱技术可以提供传统的微波和X射线技术所不能提供的信息。近十几年来,随着超快激光技术的迅速发展,为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。 本论文第一章介绍了THz辐射的基本性质,瞬态性、宽带性、相干性等特性使THz光谱技术具有广阔的应用前景。物质在THz波段的光谱包含着丰富的物理和化学信息,因此THz技术在很多基础研究、工业及军事等领域有很重要的应用。随着THz射线技术的进步,THz射线的应用将会涉及交叉学科领域,包括通讯、成像、医学诊疗、健康监控、环境控制以及化学和生物标识。它也会在防御和安全方面引发新的变革。 论文第二章首先介绍了THz-TDS系统中光电导和光整流这两种最常见的产生宽频带脉冲THz辐射的方法、原理,以及光电导取样和自由空间电光取样这两种相干探测。着重讲述了THz时域光谱(THz-TDS)系统的搭建方法,并根据发射方式不同,分别介绍了THz波的产生机理。THz光谱测量技术处于起步阶段,商业上没有集成的光谱仪,因此,实验系统的搭建,是科研工作的起点,其性能的优劣,直接决定了测量结果的可靠性。本章介绍了首都师范大学THz光谱系统的光路调节和优化的方法,是在长期实验工作中总结的经验,相信对从事THz光谱技术研究的同行具有一定的借鉴意义。本章具体分析了系统性能优劣的评估标准及计算方法,信噪比和动态范围是实验系统的重要指标。首都师范大学THz光谱和成像实验室是继中科院物理所之后全国第二家拥有THz系统的单位,目前其系统的信噪比达到500,动态范围6000以上,与美国伦斯勒理工大学THz研究中心的系统性能相当,处于国际领先水平。从多次的试验结果,我们发现,通过改变崭波器的频率、振荡器的中心波长等参数可以大大提高信噪比和加宽频带,在系统运行良好的情况下,我们的带宽可达到3THz以上。、最后是有关我们所做的THz发射和探测方面的研究。包括天线发射极发射THz峰值信号与偏置电压的关系,以及低温砷化镓与半绝缘砷化镓产生THz电磁场的特性比较。我们发现随着输入的锁相电压的增大,THz信号的峰值大小也随着相应增大,将锁