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今年來，已經(jīng)研發(fā)了多種產(chǎn)生和探測太赫茲輻射的方法，且許多方法仍在持續(xù)研發(fā)中。在此，我們將討論這些方法，并特別關(guān)注光譜學(xué)中應(yīng)用得最多的方法。太赫茲輻射源可以大概分為兩種：寬頻段源和連續(xù)波源。寬頻段源基于超短光脈沖轉(zhuǎn)化為幾個(gè)周期太赫茲脈沖實(shí)現(xiàn)，而連續(xù)波源的光譜窄得多。常用的探測方法來檢測。許多其他種類的探測器主要依賴于檢測由吸收太赫茲輻射造成的溫升，或者一些情況直接探測太赫茲光子。

一、寬帶太赫茲脈沖的產(chǎn)生與探測

以前開展的太赫茲輻射產(chǎn)生及探測的工作都是應(yīng)用Auston開關(guān)，這種材料的電導(dǎo)率強(qiáng)烈地依賴于光電導(dǎo) 材料的光照，當(dāng)光輻射的短脈沖打開了開關(guān)，一個(gè)相應(yīng)的具有太赫茲范圍內(nèi)頻率的短電脈沖就產(chǎn)生了。這項(xiàng)工作由在IBM研究中心拓展并發(fā)展成一個(gè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)用飛秒激光脈沖產(chǎn)生并探測自由空間的太赫茲輻射。

二、飛秒激光系統(tǒng)

應(yīng)用最廣泛的太赫茲光譜系統(tǒng)是基于模式鎖定激光器的飛秒脈沖。模式鎖定技術(shù)能產(chǎn)生短的，高能的和周期性激光脈沖。擁有寬增益介質(zhì)的激光腔支持在許多腔膜上發(fā)射激光。然而在自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器中，這些腔膜沒有特定的相位關(guān)系，并且隨著時(shí)間變化的激光輸出結(jié)果會(huì)在隨機(jī)的短時(shí)間內(nèi)在一個(gè)平均水平上波動(dòng)。在模式鎖定激光器中，所有腔模式都被迫有一個(gè)固定的相位關(guān)系。當(dāng)這些腔膜疊加時(shí)，結(jié)果時(shí)一個(gè)持續(xù)時(shí)間為腔往返時(shí)間的單脈沖。幾種現(xiàn)存的方法都可以導(dǎo)致鎖模。在主動(dòng)鎖模中，腔的損耗在腔往返時(shí)間被調(diào)制。在被動(dòng)所模中，一種可以減少更多強(qiáng)烈脈沖造成損失的元素被引入腔中，常用的技術(shù)是克爾透鏡或者飽和吸收器。

從模式鎖定激光器理論中可以得到一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論，即對于任何脈沖來說，時(shí)間帶寬積必須服從關(guān)系式：

其中△v是激光器的光譜帶寬，△r是鎖定脈沖的持續(xù)時(shí)間。因此，為了達(dá)到最短的脈沖，就要求一個(gè)大的光譜帶寬。最常見的材料時(shí)滲鈦的氧化鋁，此材料具有特別大的光譜帶寬，從650mm至1100mm。并且滲鈦藍(lán)寶石也具有高導(dǎo)熱度，從而允許高的光泵浦。其他通常應(yīng)用于飛秒激光系統(tǒng)的激光增益介質(zhì)，包括銣玻璃，滲銣玻璃，滲鐿玻璃和滲鉺光纖。最近，以光纖為基礎(chǔ)的飛秒系統(tǒng)引起了人們的興趣，因?yàn)檫@樣的系統(tǒng)尺寸小，成本低。

三、產(chǎn)生及探測寬帶脈沖的總體方案

本文談到的所有產(chǎn)生及探測太赫茲輻射的方法都采用了相同基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置。來自飛秒激光器的一個(gè)脈沖在分束器中被分開了，我們稱之為“泵”的一部分脈沖，進(jìn)入太赫茲發(fā)射器，并且產(chǎn)生一個(gè)單周期太赫茲輻射。太赫茲脈沖被收集并傳送到樣本，在樣本中，太赫茲脈沖集中在太赫茲接收器上。與此同時(shí)，飛秒脈沖的其他部分在聚焦到太赫茲接收器前，會(huì)經(jīng)過一個(gè)可變時(shí)延。

針對這個(gè)方案，有幾點(diǎn)值得注意。探測器只有在探測脈沖和太赫茲場同時(shí)存在的時(shí)候才能記錄到信號。并且，對于本節(jié)討論的探測器，信號是與太赫茲脈沖的電場成比例的。與太赫茲場相比，探測脈沖較短，這樣的設(shè)置會(huì)有效采樣太赫茲電場的值，并且其分辨率取決于飛秒脈沖的寬度。通過改變探測脈沖的時(shí)延，太赫茲場采樣點(diǎn)的值會(huì)改變，因此通過記錄一個(gè)作為時(shí)延的函數(shù)的探測器的赫茲脈沖的電場被記錄下來，就可以進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換從而獲得脈沖的振幅和相位。因?yàn)楦道锶~變換，可得頻率分辨率為,其中△r是電場的時(shí)間分辨率，時(shí)間分辨率由延時(shí)階段的步長決定。最后，通過將有樣本和沒有樣本的太赫茲脈沖進(jìn)行比較，我們可以得到太赫茲吸收譜和此樣本中呈現(xiàn)的色散。

此系統(tǒng)很重要的一個(gè)部分是探測器的門特性，只有當(dāng)飛秒脈沖呈現(xiàn)出來時(shí)才可以檢測到太赫茲脈沖。這讓該系統(tǒng)擁有了時(shí)間分辨率，但同時(shí)也讓探測器對背景輻射不敏感。由于飛秒激光器的重復(fù)率通常很高，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電場將在許多飛秒脈中中平均開。由于探測器對電場很敏感，與飛秒源不同相位的輻射源平均值一定為零。這就保證了探測器對背景輻射不敏感，這些類型的太赫茲系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出非常高的信噪比。