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实验一 太赫兹时域光谱系统的原理

实验一 太赫兹时域光谱系统的原理

【实验目的】

1、掌握THz时域光谱探测（TDS）的原理。

2、掌握锁相放大器、电动平移台、平衡探测器的使用方法。 3、掌握实验数据的处理方法。 【预习重点】

1、 THz时域光谱探测（TDS）的原理。

2、 锁相放大器（SR830）、电动平移台（ESP301）、平衡探测器的工作原理及使用方法。（仪器说明书可从网上直接下载，在google中分别输入SR830和ESP301即可获取） 【实验仪器】

飞秒激光器、分光镜、斩波器、透镜、偏振片、锁相放大器、反射镜、光电导天线 【实验原理】 1、实验原理

图1 THz时域光谱探测系统装置

THz辐射可以作为材料的分析和测试光源，其中THz时域光谱是一种非常有效的测试手段。典型的THz时域光谱实验系统主要有超快脉冲激光器、THz发射元件、THz探测元件和时间延迟控制系统组成，如图1所示。

飞秒激光器产生的激光脉冲串经过分光镜后被分为两束，一束激光脉冲（激发脉冲）经过时间延迟系统后入射到THz发射元件上产生THz辐射。THz发射元件可以是利用光整流效应产生THz辐射的非线性光学晶体，也可以是利用光电导机制发射THz的赫

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太赫兹波的检测及应用实验指导书

兹偶极天线。另一束作为探测脉冲和THz脉冲一同入射到THz探测器件上。由于THz波的周期通常远大于探测光的脉宽，因此探测光脉冲通过的是一个被THz电场调制的接收元件。和THz脉冲的激发方式类似，检测技术也分为两种：（1）使用电光（EO）晶体作为THz脉冲接收元件，这里利用了晶体的Pockels效应，即THz电场对探测光脉冲的偏振状态进行调制；（2）使用半导体光电导赫兹天线作为THz接收元件，利用探测光在半导体上产生的光电流与THz驱动电场成正比的特性，测量THz脉冲的瞬间电场。延迟装置通过改变探测光与激发光间的光程差，使探测光在不同的时刻对THz脉冲的电场强度进行取样测量，最后获得THz脉冲电场强度的时间波形。

对THz时间波形进行傅里叶变换，就可以得到THz脉冲的频谱。分别测量通过试样前后（或直接从试样激发的）THz脉冲波形，并对其频谱进行分析和处理，就可获得被测样品介电常数、吸收系数和载流子浓度等物理信息。THz测量技术的高信噪比和单个THz脉冲所包含的宽频带，使得THz技术能够迅速地对材料组成的微细变化作出分析和鉴定。随着信息技术的发展，目前对光电子材料响应速率的要求已经达到了GHz甚至THz的范围。THz时域光谱技术的非接触测量性质在这一方面具有独特的优势，能够对半导体和电介质薄膜及体材料的吸收率和折射率进行快速、准确的测量，得到吸收率和折射率在GHz-THz频段精确的分布。特别应该指出的是，THz脉冲的相干测量技术在获得脉冲电场振幅的同时，也直接测量了脉冲各频率分量的位相，而不需要求助于Kramers-Kronig关系来间接得出。这一特性使THz技术尤其适用于材料折射率的检测，这往往是传统的光学方法所难以测量的。

2、实验数据分析方法

太赫兹脉冲测量过程中引入的噪声主要来自于三方面：探测器的噪声、探测光携带的激光背景噪声和太赫兹脉冲自身携带的噪声（NTHz）。其中探测器的噪声和探测光的噪声构成背景噪声，用Nb表示，Nb与太赫兹电场无关；而NTHz正比于太赫兹电场E(t)。NTHz和

Nb都是时间的随机函数，它们的均值都是零，而均差分别表示为?THz和?b，它们代表了时

域太赫兹波测量的噪声水平【102】。通常将太赫兹脉冲的峰峰值与背景噪声的?b的比值定义为动态范围：

D?Ep?p?b （1）

测量时，先用遮光板挡住泵浦光，测量噪声曲线，此时的噪声只含有激光背景噪声和探测器的噪声，计算?b；然后撤去挡光板，测量太赫兹脉冲的时域波形，计算Ep-p；代入式（1）可得动态范围。

太赫兹脉冲时域波形的信噪比（SNR）是太赫兹脉冲电场的峰峰值（Ep-p）与噪声测量值的均方根（?niose）之比，表示为：

SNR?

Ep?p?niose20

（2）

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首先扫描太赫兹脉冲的时域波形，保证在主峰之前有足够长的噪声背景，取主峰之前的噪声背景的前1/4计算?niose，按照式（2）计算信噪比。

图2是间隙为50 μm的LT-GaAs天线在160 V偏置电压和90 mW的触发光能下辐射太赫兹脉冲的时域波形（上图）和遮挡泵浦光所获得的噪声曲线（下图），下图的噪声曲线只包含探测光和探测器的噪声。根据式（1）计算得到系统的动态范围为82.6 dB。计算信噪比时，要利用在太赫兹脉冲时域波形的主峰之前的噪声，为了避免探测光在ZnTe表面上的反射光的影响，在扫描太赫兹时域波形时，要在主峰前面的探测光的反射峰之前扫描足够长的波形。插图为方框中的包括太赫兹波、探测光和探测器噪声在内的噪声曲线的放大图，此时噪声的起伏要大于无泵浦光时噪声的起伏。根据式（1）计算可得，系统的信噪比为75.4 dB，比动态范围减小了7.2 dB，这是由太赫兹脉冲的噪声导致的。

图2 LT-GaAs天线的THz时域波形和无泵浦光时的噪声曲线，插图为THz波的背景噪声 【实验内容】

1、光路调节，搭建TDS系统。（如图1所示）

2、没有放样品时，扫描得到的THz电磁辐射脉冲的时间波形。

3、计算系统的信噪比、动态范围，并对其进行傅里叶变换，得到频谱。 【注意事项】

1、 激光能量较强，避免激光射入眼睛。

2、 光学元件小心放置，不用时要把原件放在安全位置，以免不小心碰倒摔坏。 3、 不要用手直接触摸光学元件的表面。

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