前言

集成电路的发展亟须开发新材料、新结构、新器件、新工艺、新技术。THz发射光谱技术是通过光学激发新材料、新结构、新器件，以产生高频交变电流进而辐射电磁波，再通过检测辐射的电磁波，进而反推材料高频响应和器件性能的一种全新的无接触光谱技术，已在半导体材料以及后摩尔新材料中实现了重要应用，有望发展成为芯片在线无损检测的新方法。

THz发射光谱技术是我在大三开始接触的一门实验技术。那时，我使用中山大学激光与光谱学研究所二楼的一台钛宝石激光放大器搭建THz波产生和探测光路系统，光电调制器采用的是ZnTe晶体。由于缺乏实践经验，外加对泵浦-探测技术理解不深，在光路系统搭建初期，我总是找不到THz信号。后来，我让泵浦光和探测光以斜入射的方式注入ZnTe晶体中，很快就探测到了看起来非常像THz波形的信号，并在《半导体学报》上发表了论文，这使我受到了极大的鼓舞。

但是，THz波并没有发射出来！怎么能够说明这就是THz发射光谱呢？加上THz波看不见、摸不着，且搭建光路系统的过程对实验技能要求很高，我遇到了进入THz发射光谱研究领域的门槛。虽然后来在读博期间，我已经能够非常轻松地在ZnTe样品和光电导天线中生成可以在自由空间传播的THz波，并能单独用另外一块ZnTe样品或光电导天线探测到传播了一段距离的THz波，也能用这样的光路系统做一些光谱表征的实验，但是“让THz波看得见”这个目标始终萦绕在我心头，挥之不去。

直到后来，我到德国从事博士后的研究，在Franz X. Kaertner教授的指导下，开始研究铌酸锂THz强源及其在电子加速中的应用，才真正实现了“让THz波聚焦后能够用液晶片看得到”的目标。这件事情给了我极大的鼓舞。如今，对于通过铌酸锂产生的强场THz波，不仅可以用THz相机对光斑进行成像，还可以用液晶片非常容易地看见，THz发射光谱技术成为制备THz强源和推动应用的关键。如今，我回顾相关研究，对THz发射光谱技术有了更加深刻的认识和理解。

THz发射光谱伴随THz科学与技术的诞生而出现，经过数十年的发展，已经成为研究体材料和纳米界面体系中的物理性质超快演化、准粒子分布、序参量等性质的一个强大的工具。通过分析超快激光诱导的THz发射光谱，可以获得被研究体系的非线性极化、非平衡磁结构，以及各种瞬态自由电荷电流的相对贡献等信息，而这些信息与光诱导下的对称性破缺密切相关。因此，THz发射光谱可以被直接当成研究时间或空间对称性破缺以及决定体系非线性响应的张量元的点群对称性破缺的最直接的工具之一。

如今，我的团队一边在利用THz发射光谱技术研究实现更强THz波输出的办法，一边又反过来采用脉冲宽度更窄的飞秒激光和信噪比更高的系统研究新材料和新结构。这样的探索和研究过程，让我明白THz发射光谱技术本身是一个非常强大的工具，它所用到的设备一定能够像拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪等已经商业化的仪器一样，走进实验室，成为商用仪器，从而服务各行各业。

为此，本书旨在通过梳理THz发射光谱技术发展历程，让读者有机会一边品读20世纪末期THz技术诞生之初的美好，一边了解它与半导体技术和新材料携手同行的故事，从而更好地思考这项技术的未来，思考如何让此技术更好地服务于集成电路、量子信息、材料工程等领域，绽放出它与众不同的独特魅力。本书共8章，第1章聚焦半导体THz发射光谱起源；第2章系统阐述光学THz发射光谱物理基础；第3～8章讲解光学THz发射光谱技术，内容涵盖第一代半导体材料的THz发射光谱，第二代半导体材料和二维材料、拓扑量子材料、磁性材料的THz发射光谱，以及激光THz发射显微镜，等等。

为方便读者阅读本书，特此说明：图中的纵坐标所代表的物理量为电场或信号时，通常指电场强度或信号强度。

本书对THz发射光谱近半个世纪以来的技术发展历程进行提炼。期待通过阅读本书，刚进入THz科学与技术研究领域的从业人员以及相关专业的研究生能对这个方向有一定的认识和了解。非常感谢我的团队成员在本书撰写过程中所提供的帮助，感谢李培炎、代明聪、杨泽浩、黄滋宇、张铭暄、杜琳、张子建、才家华、孔德胤、李江皓等。由于本人水平和时间有限，书中难免存在不足之处，殷切希望广大读者批评指正。

吴晓君 r35XJgabw3NWfhDPB26w1zxQxWKnN9On1vw4Xd/82n86xJ6nyyRUY0m4swTK1vi8