下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
THz波产生之后，寻找稳定、有效的探测方法就成为首要任务。在THz发射光谱发展的整个历程中，人们研究出了一系列的探测方法。最先使用光电导天线，主要制作材料是低温生长的GaAs和Si-GaAs。1989年，Grischkowsky教授等人首次利用半导体光电导天线在同一系统中实现了对THz波的发射与探测 [6] 。他们采用了一种新型的电偶极子天线结构，如图1.3所示。该天线结构设计的独特之处在于，将探测到的光电流引入天线臂中，与传统的末端偶极子天线相比，该天线的探测性能得到了显著提升，主要体现在将5 μm间隙中的总光电流注入30 μm的天线中。具体来说，该实验使用了两种不同的天线结构来探测产生的THz波，发射器与探测器相隔80 cm。探测过程中，天线受到平行入射的THz电场的驱动，在天线间隙产生随时间变化的电压。这种感应电压驱动了光生载流子，将探测光脉冲产生的电荷流与THz波和探测光脉冲之间的时延进行收集，从而获取了THz波的时域波形信号。THz波经过80 cm的自由空间传播后，通过扫描延迟线进行探测。产生的THz波在进入探测器前经过准直与聚焦，以提升发射器与探测器之间的耦合度，从而为高灵敏度的THz波探测奠定了基础。这一工作的成功不仅为后来的THz时域光谱系统的建立奠定了基础，该天线结构也成为目前常用的THz时域光谱仪的原型之一。
图1.3 光电导电偶极子天线结构
在利用光电导天线实现了THz波的产生和探测之后，1995年，当时在美国伦斯勒理工学院任教的张希成教授团队提出采用非线性晶体 [7] ，通过线性电光效应实现对THz电场相干检测的电光取样（Electro-Optic Sampling，EOS）技术。
线性电光效应又称泡克耳斯效应，由德国物理学家Pockels于1893年发现，是一种电光晶体的折射系数随外加电场成比例改变的现象。泡克耳斯效应的基本原理是电场对材料折射率的线性调控。在使用线性电光效应探测THz波时，因为探测光的频率（10 14 ～10 15 Hz）比THz波频率（10 12 Hz）高2～3个数量级，所以相对于探测光，THz电场可看作低频电场。当同时施加THz电场和激光探测脉冲时，它们可调制晶体的双折射，进而引起探测光的偏振椭圆度发生改变，然后对探测光的椭圆度进行偏振分析，从而获得THz电场的振幅和相位信息。该工作是传统电光取样技术的延伸，不需要电极接触或者在探测晶体上布线，属于一种光学技术。
图 1.4 简要绘制了自由空间电光取样装置。由钛宝石飞秒激光器提供脉冲宽度为150 fs、重复频率为76 MHz的飞秒激光脉冲。THz波由激光激发GaAs光电导天线发射器所产生，随后照射在电光探测晶体上。另一束探测光通过聚焦与THz波同步到达电光探测晶体，晶体折射率的变化将改变激光探测脉冲的偏振态。若使探测光脉冲和激发光脉冲之间的相位差在合适的范围内，则可测量在晶体中发生变化的探测光并通过显示装置显示，即可实时观测脉冲电场的波形。
图1.4 自由空间电光取样装置
为了将电场诱导的椭圆度调制转换成强度调制，使用了一个补偿器和偏振器来分析探测光，并由光电探测器进行检测。选择 500 μm 厚的钽酸锂晶体作为电光探测晶体，晶体的面外轴与入射电场的偏振平行，晶体与发射器相隔 10 cm。实验结果显示，第一个脉冲峰的上升时间为 740 fs。主峰后的次峰由电脉冲在光电导天线发射器和THz波在电光探测晶体中的多次反射引起。该工作揭示了利用自由空间电光取样技术获得THz时域波形的可能性，突破了光生载流子寿命的限制，时间响应只与所用的电光探测晶体的非线性性质有关，所以可实现更短的响应时间、较大的探测带宽、优越的探测灵敏度和信噪比，已经逐渐发展成为目前高精度探测THz波的主要方法。
以上方法均属于相干探测，能够同时获取信号的振幅和相位信息，提供较高的频谱分辨率。相较之下，非相干探测仅能对THz波的振幅进行测量，无法获取信号的相位信息。虽然非相干探测器的灵敏度不及相干探测器高，但其优势在于可探测的频段更宽，不受混频器等元件的技术限制。
非相干探测器根据工作原理不同可分为热探测器和光子探测器。热探测器的本质就是将吸收的THz波转换为探测元件物理量的变化，如热释电探测器，它的出现时间很早，结构也相对比较简单。当THz波到达探测器时，具有热释电效应的晶体的电阻会发生变化，从而反映THz波的强度大小。光子探测器则是通过接收THz波能量，改变探测器内原子或分子的内部电子状态，将光电效应转变为可测量的电信号，再把这个信号放大，实现对THz波的探测。光子探测器主要分为光电导型探测器和光伏型探测器。光电导型探测主要基于单光子探测，由于热量的传递速度小于电信号的传输速度，所以与热探测器相比，光电导型探测器响应较快，但是其暗电流较大，从而降低了探测精度。光伏型探测主要基于光伏效应，光伏型探测器也称为势垒型光电探测器。当器件吸收THz波时，会激发出光生载流子，并注入势垒附近，从而形成光生电流。
非相干探测器根据工作温度不同又可分为制冷型探测器和非制冷型探测器。非制冷型探测器，如戈莱盒、热释电探测器和热辐射计，在室温下工作，具有适中的灵敏度，但探测的频谱较宽。低温工作的制冷型探测器，如非本征Ge光电探测器和量子阱探测器，相比之下具有更高的灵敏度和更快的响应速度，但是制冷所需的成本较高且器件体积较大，不利于集成和紧凑设计。