太赫兹时域光谱技术原理分析，太赫兹时域光谱技术的应用

很多朋友对太赫兹时域光谱技术原理分析，太赫兹时域光谱技术的应用不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

太赫兹时域光谱技术是最新的电磁频谱技术。太赫兹技术作为近年来备受关注的技术领域，在许多基础研究领域、工业应用、医学、军事领域和生物领域都具有重要的应用前景。

电磁频谱技术作为人类认识世界的工具，拓展了人们观察世界的能力。人眼可以借助可见光欣赏丰富多彩的世界，利用傅里叶变换红外光谱技术和拉曼光谱技术了解分子的振动和旋转，利用X射线衍射技术了解物质的结构信息。太赫兹光谱技术作为一种新兴的光谱技术，可以补充红外和拉曼光谱技术，甚至在某些方面可以发挥不可替代的作用，从而成为本世纪科学研究的热点领域。太赫兹光谱技术不仅具有高信噪比，可以快速分析和识别样品成分的细微变化，而且太赫兹光谱技术是一种非接触式测量技术，可以测量半导体、介电薄膜和物体的物理性质材料。快速准确测量的信息。

太赫兹辐射（THz辐射，1THz=1012Hz）在电磁波谱上位于微波和红外线之间，属于远红外波段，如图1所示。

图1 电磁波谱中太赫兹频段示意图

通常研究的太赫兹辐射是指频率在0.1THz10THz之间的电磁波段，即波长在30m3mm之间、波数在3.3cm-1330cm-1之间。现在，太赫兹时域光谱技术开发的100GHz至3THz之间的线性光谱为材料检测提供了巨大的灵活性。近十年来，由于超快激光技术的快速发展，这为太赫兹脉冲的产生提供了稳定可靠的激发光源，使得太赫兹辐射的产生和应用得到进一步发展。

1、 太赫兹时域光谱技术的优点目前，国际上对于太赫兹辐射已达成共识，即太赫兹是一种新型辐射源，具有许多独特的优点。太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，为技术创新、国民经济发展和国家安全提供了非常有吸引力的机遇。之所以受到广泛关注并有如此多的应用，首先是材料的太赫兹光谱（包括透射光谱和反射光谱）包含非常丰富的物理和化学信息，因此研究该波段材料的性能需要光谱学对于物质结构的探索具有重要意义；其次，由于太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有许多独特的性质，如瞬态、宽带、相干性、低能量等，太赫兹脉冲可用于分析材料。自然界中，其中太赫兹时域光谱（THz-TDS）是一种非常有效的测试方法。 THz-TDS技术是太赫兹光谱技术的典型代表。它出现于20世纪90年代，是一种新兴且非常有效的相干探测技术。

THz-TDS技术具有以下特点：

1）THz-TDS系统对黑体辐射不敏感。小于3THz时信噪比可高达104，远高于傅里叶变换红外光谱技术，稳定性也比较好。

2）由于THz-TDS技术可以有效地检测太赫兹波段材料的物理和化学信息，因此可以用于定性鉴别工作，同时也是一种无损检测方法。

3）利用THz-TDS技术，可以方便快捷地获取介电材料、半导体材料、气体分子、生物大分子（蛋白质、DNA等）和超导材料等各种材料的幅值和相位信息。

4）在导电材料中，太赫兹辐射可以直接反映载流子信息。 THz-TDS的非接触式测量比基于霍尔效应的测量更方便、更有效。此外，THz-TDS技术在半导体和超导材料的载流子测量和分析中发挥了重要作用。

5）由于太赫兹辐射的瞬态特性，THz-TDS技术可用于时间分辨测量。此外，THz-TDS技术还具有带宽宽、检测灵敏度高、室温运行稳定等优点，因此可广泛应用于样品检测。上述特点决定了太赫兹技术在许多基础研究领域、工业应用、医疗领域、生物领域、军事领域和国家安全等方面具有重要的应用前景。

2、 太赫兹时域光谱系统THz-TDS系统是基于相干探测技术的太赫兹产生和探测系统。它可以同时获得太赫兹脉冲的幅度信息和相位信息。通过对时间波形进行傅里叶变换，可以直接得到样品的吸收系数、折射率、透过率等光学参数。太赫兹时域光谱具有检测信噪比高、检测带宽宽、检测灵敏度高等特点，可广泛应用于多种样品的检测。

THz-TDS系统可分为透射式、反射式、差分式、椭圆式等，其中最常见的是透射式和反射式THz-TDS系统。典型的THz-TDS系统如图2所示。它主要由飞秒激光器、太赫兹辐射发生装置和相应的探测装置以及延时控制系统和数据采集与信号处理系统组成。目前，THz-TDS技术中常用的产生太赫兹脉冲的方法主要有光电导天线、半导体表面辐射和光学整流三种，相应的检测方法主要有热辐射计、光电导开关和电光采样三种。

图2 典型的太赫兹时域光谱系统

太赫兹光谱系统中最常用的飞秒激光器是钛蓝宝石锁模激光器，它可以产生波长在800 nm左右的飞秒激光脉冲。飞秒激光脉冲经过分束器后分为泵浦脉冲和检测脉冲。前者经过延时系统后入射到太赫兹辐射发生装置上，产生太赫兹脉冲。后者与太赫兹脉冲共线入射。赫兹探测装置，并用其驱动太赫兹探测装置进行测量。通过控制延时系统调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，最终可以探测到太赫兹脉冲的整个时域波形。通过傅里叶变换，可以获得被测样品的频域光谱，从而得到其吸收系数、折射率、透过率等光学参数（见图2）。

太赫兹时域光谱系统的信噪比和动态范围不仅与太赫兹发射器的材料和辐射机理有关，而且主要取决于飞秒激光器的性能、尺寸和成本。太赫兹脉冲光谱仪的工作也依赖于飞秒激光器。并且由于THz-TDS系统主要有透射式和反射式两种类型，因此既可以用于透射检测，也可以用于反射检测。实际应用中，可根据不同的样品、不同的检测要求，采用不同的检测方法。

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3、 太赫兹时域光谱技术原理3. 1、 传输太赫兹时域光谱技术如图2所示，在时域光谱系统中，可以测量包含样品信息的太赫兹传输脉冲Esam（Esam） t)和没有样本信息的参考脉冲Eref(t)，然后分别对它们进行傅里叶变换，将它们转换为频域的复数值Esam(w)和Eref(w)。它们的比率可以计算为：

3.2、 反射太赫兹时域光谱技术

反射式THz-TDS系统对实验技术要求较高。这是因为在扫描参考信号时，样品架的位置应放置与样品表面结构基本相同的金属镜，并且要求镜面的位置与样品的位置严格保持一致。重置。这增加了制造样品、样品支架和用作参考的金属镜的难度。其参数提取方法也与传输系统有共同之处。

3.3、 其他探测方法此外，THz-TDS技术还包括泵浦探测技术和基于连续波（CW）太赫兹辐射的互相关THz-TDS技术。太赫兹发射光谱技术是一种直接检测样品产生的太赫兹脉冲辐射的方法。由上可以看出，样品在超短飞秒脉冲激发后辐射出的太赫兹脉冲包含了瞬态电流强度或偏振强度的信息。通过直接测量太赫兹脉冲辐射可以研究样品中的超快过程，从而获得样品的各种特性。该技术可用于研究量子结构、半导体表面、等离子体、载流子动力学中的磁场效应等。

泵浦探测技术利用延迟太赫兹脉冲来探测样品，研究样品在超短强激光脉冲激励下的响应函数。该技术是基于透射光谱系统开发的。不同的是，在样品上添加了激发光。该技术可成功用于研究半导体、超导体和液体中的载流子动力学。

4、 太赫兹时域光谱技术的应用THz-TDS技术可用于研究平衡系统和非平衡系统。对于平衡系统，主要是获取材料样品在太赫兹波段的复折射率；对于非平衡系统，主要是通过研究太赫兹脉冲的波形来获得材料样品中电流强度或偏振强度的瞬态变化。根据不同的样品和不同的检测要求，可以采用不同的检测装置。此外，如上所述，THz-TDS技术还可以用于研究半导体电学性质的非接触特性、铁电晶体和光子晶体的介电性质、生物大分子中生物小分子之间的分子间相互作用以及生物大分子的相互作用。基于THz-TDS技术的太赫兹时域光谱成像技术具有广阔的应用领域和光明的应用前景。

5、 总结与展望太赫兹时域光谱系统技术作为一项新兴的太赫兹技术，由于其独特的优势，近十年来发展迅速并得到广泛应用。然而，目前THz-TDS技术的光谱分辨率与窄带技术相比仍然粗糙，其测量的光谱范围也小于傅里叶变换光谱（FTS）技术。提高光谱分辨率、扩大测量光谱范围将是未来THz-TDS技术发展的主要方向。同时，现有的太赫兹时域光谱系统和成像系统设备不仅价格昂贵，而且信息处理过程也复杂，需要进一步实用化。随着激光器成本的降低、更高效的太赫兹发射器和探测器以及更先进的光学设计的出现，THz-TDS技术将具有广阔的商业应用前景。为了将太赫兹技术应用于现场，需要将太赫兹系统朝小型化方向发展。

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