太赫茲時域光譜系統(tǒng)的性能研究.pdf

1、THz波通常指的是頻率在0.1THz～10THz(波長在30μm～3mm)之間的電磁波，其光子能量較低(只有幾毫電子伏特)，與X射線成像技術(shù)相比，它可以用來進(jìn)行無損成像。由于許多生物大分子的振動能級和轉(zhuǎn)動能級，以及分子間的相互作用能級均處于毫電子伏特范圍，使得在許多情況下THz波光譜技術(shù)成了傅立葉變換紅外光譜技術(shù)的補充。THz波本身還具有瞬態(tài)性，寬帶性，對非極性物質(zhì)的強穿透性等性質(zhì)，這些都使得其在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子學(xué)、農(nóng)業(yè)、國防、航空

2、等領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。 目前，世界上許多研究機構(gòu)相繼開展了THz技術(shù)的深入研究，并且已取得了很多重要的進(jìn)展。國內(nèi)許多學(xué)校和研究所也陸續(xù)建立了THz實驗室，展開了對THz波的研究，但國內(nèi)對于THz波的研究，主要集中在應(yīng)用上，對于THz波的性質(zhì)卻很少涉足。本論文主要圍繞首都師范大學(xué)THz實驗室反射式輻射THz系統(tǒng)展開，首先利用THz波成像技術(shù)得到了THz波橫模分布的圖像，使得人們對THz波的橫模分布有了直觀地認(rèn)識，同時利用“

3、狹縫法”測得了THz光束的束寬。然后對實驗系統(tǒng)中的(100)p型InAs在不同中心波長的激發(fā)光作用下，所輻射出的THz波特性進(jìn)行了研究，其次研究了泵浦光和探測光的功率與輻射出的THz波信號之間的關(guān)系。論文的主要研究內(nèi)容和工作結(jié)果有： (1) 研究了(100)p型InAs半導(dǎo)體發(fā)射極在不同中心波長飛秒激發(fā)光(750～850nm)作用下的太赫茲(THz)波輻射特性。這種THz輻射性質(zhì)與光學(xué)Dember效應(yīng)密切相關(guān)，飛秒脈沖激發(fā)下產(chǎn)生

4、的載流子在InAs表面的Dember場內(nèi)做加速運動，從而輻射出了THz電磁波。實驗結(jié)果表明：不同中心波長的激發(fā)光作用下，InAs表面產(chǎn)生的Dember電場強度、光生載流子濃度、谷間散射效應(yīng)以及處于不同狀態(tài)的載流子數(shù)目都發(fā)生了變化，因而激發(fā)出THz波的功率、振幅和有效譜寬等性質(zhì)也發(fā)生了變化。這項研究將有利于時域光譜測量以及實驗系統(tǒng)的優(yōu)化，對InAs表面輻射THz電磁波的超快過程及其物理機制提供了更加清楚的說明。 (2) 保持泵浦光

5、的功率不變，改變探測光的功率，會發(fā)現(xiàn)所輻射出的THz信號隨探測光功率的增加而線性增加，不同探測功率下得到的歸一化信號波形基本重合；保持探測光的功率不變，改變泵浦光的功率，會發(fā)現(xiàn)所輻射出的THz信號隨泵浦光功率的增加也線性增加，不同的泵浦光功率下得到的歸一化信號波形已經(jīng)不再重合了，當(dāng)泵浦光的功率較小時，得到的歸一化信號譜寬較窄，當(dāng)泵浦光的功率較大時，不同功率下得到的歸一化波形又基本重合了。 (3)通過太赫茲波逐點掃描成像，對經(jīng)常被

6、用來放置測試樣品位置附近的太赫茲波橫模分布情況進(jìn)行了定性的分析，利用“狹縫法”測量了太赫茲光束的束寬。結(jié)果顯示，太赫茲波在焦點附近不同位置的橫向分布有較大差異，在焦點處的最小光斑直徑約為1.0mm，這說明太赫茲波的聚焦有一定的限度。實驗確定了系統(tǒng)中放置樣品的最佳位置，對開展太赫茲光譜和成像研究有參考價值。 總之，本文中對不同中心波長的飛秒脈沖激發(fā)p型(100)InAs輻射出的THz波及探測光和泵浦光的功率對得到的THz波信號的影