太赫兹时域光谱系统的性能研究

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THz波通常指的是频率在0.1THz~10THz(波长在30μm~3mm)之间的电磁波,其光子能量较低(只有几毫电子伏特),与X射线成像技术相比,它可以用来进行无损成像。由于许多生物大分子的振动能级和转动能级,以及分子间的相互作用能级均处于毫电子伏特范围,使得在许多情况下THz波光谱技术成了傅立叶变换红外光谱技术的补充。THz波本身还具有瞬态性,宽带性,对非极性物质的强穿透性等性质,这些都使得其在生物学、医学、微电子学、农业、国防、航空等领域表现出了极大的应用潜力。目前,世界上许多研究机构相继开展了THz技术的深入研究,并且已取得了很多重要的进展。国内许多学校和研究所也陆续建立了THz实验室,展开了对THz波的研究,但国内对于THz波的研究,主要集中在应用上,对于THz波的性质却很少涉足。本论文主要围绕首都师范大学THz实验室反射式辐射THz系统展开,首先利用THz波成像技术得到了THz波横模分布的图像,使得人们对THz波的横模分布有了直观地认识,同时利用“狭缝法”测得了THz光束的束宽。然后对实验系统中的(100)p型InAs在不同中心波长的激发光作用下,所辐射出的THz波特性进行了研究,其次研究了泵浦光和探测光的功率与辐射出的THz波信号之间的关系。论文的主要研究内容和工作结果有:(1)研究了(100)p型InAs半导体发射极在不同中心波长飞秒激发光(750~850nm)作用下的太赫兹(THz)波辐射特性。这种THz辐射性质与光学Dember效应密切相关,飞秒脉冲激发下产生的载流子在InAs表面的Dember场内做加速运动,从而辐射出了THz电磁波。实验结果表明:不同中心波长的激发光作用下,InAs表面产生的Dember电场强度、光生载流子浓度、谷间散射效应以及处于不同状态的载流子数目都发生了变化,因而激发出THz波的功率、振幅和有效谱宽等性质也发生了变化。这项研究将有利于时域光谱测量以及实验系统的优化,对InAs表面辐射THz电磁波的超快过程及其物理机制提供了更加清楚的说明。(2)保持泵浦光的功率不变,改变探测光的功率,会发现所辐射出的THz信号随探测光功率的增加而线性增加,不同探测功率下得到的归一化信号波形基本重合;保持探测光的功率不变,改变泵浦光的功率,会发现所辐射出的THz信号随泵浦光功率的增加也线性增加,不同的泵浦光功率下得到的归一化信号波形已经不再重合了,当泵浦光的功率较小时,得到的归一化信号谱宽较窄,当泵浦光的功率较大时,不同功率下得到的归一化波形又基本重合了。(3)通过太赫兹波逐点扫描成像,对经常被用来放置测试样品位置附近的太赫兹波横模分布情况进行了定性的分析,利用“狭缝法”测量了太赫兹光束的束宽。结果显示,太赫兹波在焦点附近不同位置的横向分布有较大差异,在焦点处的最小光斑直径约为1.0mm,这说明太赫兹波的聚焦有一定的限度。实验确定了系统中放置样品的最佳位置,对开展太赫兹光谱和成像研究有参考价值。总之,本文中对不同中心波长的飞秒脉冲激发p型(100)InAs辐射出的THz波及探测光和泵浦光的功率对得到的THz波信号的影响的研究,不但有利于样品的时域光谱测量以及实验系统的优化,并且还进一步帮助我们认识了InAs受飞秒脉冲的激发辐射THz电磁波的超快过程中所涉及的物理机制,对激发InAs及类似材料产生THz辐射的理论和实验具有一定的指导意义。对THz波横模分布的成像研究,确定了系统中放置样品的最佳位置,对开展太赫兹光谱和成像研究具有参考价值。
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