太赫兹波探测器的研究进展

　　0　引言

　　太赫兹波是频率0.1~10 THz (1 THz=1012Hz)范围内的电磁波,它对应的波长范围为3 mm~30μm,位于毫米波(亚毫米波)与红外波之间。太赫兹光子对应能量范围为0.414~41.4 meV,与分子和材料的低频振动和转动能量范围相匹配。这些决定了太赫兹波在电磁频谱中的特殊位置以及在传播、散射、反射、吸收、穿透等方面与毫米波、红外线

　　显著不同的特点和应用。而太赫兹技术也将为人们对物质的表征和操控提供很大的自由空间。例如,太赫兹辐射具有良好的时空相干特性,这为实现量子相干和量子控制提供了新的手段。而在高分辨率连续测量和时域测量两个方面的能力也极大地扩展了太赫兹光谱在天体物理和大气科学中的作用。此外,太赫兹技术在军事领域的应用前景广阔,主要包括目标探测(太赫兹雷达)、保密通信、对抗、敌我识别、隐藏武器探测、武器精确制导、军用工具测试和安全检测等方面[1-2]。

　　在太赫兹波段的开发和利用中,检测太赫兹信号具有举足轻重的意义。因为,一方面,与较短波长的光学波段电磁波相比,太赫兹波光子能量低,背景噪声通常占据显著地位;另一方面,随着太赫兹技术在各领域特别是军事领域中的应用的深入开展,不断提高接收灵敏度成为必然的要求。

　　目前,太赫兹信号探测技术从原理上可分为相干脉冲时域连续波探测技术和非相干直接能量探测技术两类。基于相干技术的太赫兹脉冲时域连续波探测技术采用与太赫兹脉冲生成相类似的方式进行相干检测,一类探测方法称为太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)[3-4],另一类在太赫兹波低频端选用超外差式检测器[5-7]。太赫兹非相干能量探测技术[8]是基于热辐射吸收的直接能量检测,一般只能测出太赫兹辐射强度,而不能提供其相位信息,属非相干测量,是一类宽带检测技术。由于探测的灵敏度受限于背景辐射,在太赫兹波段的高频端一般采用直接检测器。

　　1　太赫兹波时域光谱技术

　　THz-TDS技术是20世纪80年代发展起来的一种新型光谱测量技术[9-10]。该技术利用基于飞秒激光技术获得的宽波段太赫兹脉冲透过样品或从样品反射,测量由此产生的太赫兹电场强度随时间的变化,进而得到样品的信息。这种测量技术主要适用于检测材料在远红外和微波之间的性质和物理现象。典型系统结构如图1所示。系统中分束器将飞秒脉冲分为抽运光和探测光,前者用于激发太赫兹光源,后者用于驱动太赫兹探测器。太赫兹探测器接收样品反射的太赫兹脉冲信号,探测由延迟线控制的不同时间光脉冲到达瞬间的太赫兹电场强度,再通过Fourier变换得到反射光谱分布。