Войти
Типичный импульс, измеренный с помощью THz-TDS. В физике, Терагерцовая спектроскопия во временной области (THz-TDS ) - это спектроскопический метод, в котором свойства вещества исследуются короткими импульсами терагерцового излучения. Схема генерации и детектирования чувствительна к воздействию образца как на амплитуду, так и на фазу терагерцового излучения. Измеряя во временной области, этот метод может предоставить больше информации, чем обычная спектроскопия с преобразованием Фурье, которая чувствительна только к амплитуде.
Фурье-преобразование указанного выше импульса. Обычно Лазер ультракоротких импульсов используется в процессе генерации терагерцовых импульсов. При использовании низкотемпературного выращенного GaAs в качестве антенны ультракороткий импульс создает носители заряда, которые ускоряются для создания терагерцового импульса. При использовании нелинейных кристаллов в качестве источника ультракороткий импульс высокой интенсивности производит терагерцовое излучение кристалла. Один терагерцовый импульс может содержать компоненты частоты, покрывающие большую часть терагерцового диапазона, часто от 0,05 до 4 ТГц, хотя использование воздушной плазмы может содержать частотные компоненты до 40 ТГц. После генерации импульса ТГц импульс направляется оптическими методами, фокусируется через образец, а затем измеряется.
THz-TDS требует генерации сверхбыстрого (таким образом, с широкой полосой пропускания) терагерцового импульса из еще более быстрого фемтосекундного оптического импульса, обычно от Ti-сапфирового лазера. Этот оптический импульс сначала разделяется для получения зондирующего импульса, который подвергается регулируемой настройке длины пути с использованием оптической линии задержки. Зондирующий импульс стробирует детектор, чувствительный к электрическому полю результирующего терагерцового сигнала во время отправленного на него оптического зондирующего импульса. Путем изменения длины пути, пройденного пробным импульсом, тестовый сигнал измеряется как функция времени - по тому же принципу, что и стробирующий осциллограф (технически при измерении получают свертку тестового сигнала и отклик стробированного детектора во временной области). Чтобы получить результирующий отклик в частотной области с использованием преобразования Фурье, измерение должно охватывать каждый момент времени (смещение линии задержки) результирующего тестового импульса. Отклик тестового образца может быть откалиброван путем деления его полученного таким образом спектра на спектр терагерцового импульса, полученного, например, с удаленным образцом.
Компоненты типичного прибора THz-TDS, как показано на рисунке, включают инфракрасный лазер, оптические светоделители, зеркала управления лучом, каскады задержки, терагерцовый генератор, терагерцовую фокусировку луча. и коллимирующая оптика, такая как параболические зеркала и детектор.
Типичная система для терагерцовой спектроскопии во временной области (THz-TDS). Полуволновая пластина (HWP), поляризационный светоделитель (PBS), управляющие зеркала (M #), фотопроводящая антенна, параболические зеркала (PM #), четвертьволновая пластина (QWP). Создание Эксперимент THz-TDS с использованием антенн на основе низкотемпературного GaAs (LT-GaAs) требует лазера, энергия фотонов которого превышает ширину запрещенной зоны в этом материале. Ti: сапфировые лазеры, настроенные примерно на 800 нм, соответствующие ширине запрещенной зоны в LT-GaAs, идеальны, поскольку они могут генерировать оптические импульсы длительностью от 10 fs. . Эти лазеры доступны как коммерческие системы «под ключ».
Зеркала с серебряным покрытием оптимальны для использования в качестве рулевых зеркал для инфракрасных импульсов около 800 нм. Их отражательная способность выше, чем у золота, и намного выше, чем у алюминия на этой длине волны.
A светоделители используются для разделения одного ультракороткого оптического импульса на два отдельных луча. Часто используется светоделитель 50/50, обеспечивающий равную оптическую мощность на терагерцовый генератор и детектор.
Оптическая линия задержки реализована с использованием подвижного столика для изменения длины пути одного из двух путей луча. В каскаде задержки используется движущийся ретрорефлектор для перенаправления луча по четко определенному пути вывода, но после задержки. Движение предметного столика, удерживающего ретрорефлектор, соответствует регулировке длины пути и, следовательно, времени стробирования терагерцового детектора относительно терагерцового импульса источника.
Камера продувки обычно используется для предотвращения поглощения ТГц излучения молекулами газообразной воды. Известно, что вода имеет множество дискретных поглощений в ТГц диапазоне, которые представляют собой моды вращения молекул воды. Азот, как двухатомная молекула, не имеет электрического дипольного момента и (для целей типичного ТГц-ТДС) не поглощает ТГц излучение. Таким образом, продувочная камера может быть заполнена азотом, чтобы не происходило непреднамеренного дискретного поглощения в ТГц диапазоне частот.
Внеосевые параболические зеркала обычно используются для коллимации и фокусировки ТГц излучения. Излучение от эффективного точечного источника, такого как антенна LT-GaAs (активная область ~ 5 мкм), падающее на внеосевое параболическое зеркало, становится коллимированным, а коллимированное излучение, падающее на параболическое зеркало, фокусируется в точку (см. Диаграмму). Таким образом, терагерцовым излучением можно управлять в пространстве с помощью оптических компонентов, таких как зеркала, а также линз, изготовленных из материалов, которые прозрачны для этих длин волн. Образцы для спектроскопии обычно помещают в фокус, где наиболее сконцентрирован терагерцовый луч.
Показано параболическое зеркало с важными фокусными расстояниями и несколькими типичными лучами. ТГц излучение имеет несколько явных преимуществ для использования в спектроскопии. Многие материалы прозрачны для терагерцовых длин волн, и это излучение безопасно для биологической ткани, которая не ионизирует (в отличие от рентгеновских лучей ). Многие интересные материалы имеют уникальные спектральные отпечатки в терагерцовом диапазоне, которые, таким образом, можно использовать для идентификации. Примеры, которые были продемонстрированы, включают несколько различных типов взрывчатых веществ, полиморфные формы многих соединений, используемых в качестве активных фармацевтических ингредиентов (API) в коммерческих лекарствах, а также несколько запрещенных наркотических веществ. Поскольку многие материалы прозрачны для ТГц излучения, доступ к лежащим в их основе материалам можно получить через визуально непрозрачные промежуточные слои. Хотя это и не является строго спектроскопическим методом, сверхкороткая ширина импульсов ТГц излучения позволяет проводить измерения (например, толщины, плотности, местоположения дефектов) на материалах, которые трудно зондировать (например, пена). Эти возможности измерения во многом похожи на возможности импульсных ультразвуковых систем, поскольку глубину заглубленных структур можно определить по времени их отражения этих коротких терагерцовых импульсов.
Существует три широко используемых метода генерации терагерцовых импульсов, все из которых основаны на ультракоротких импульсах от титан-сапфировых лазеров или с синхронизацией мод волоконные лазеры.
Когда сверхкороткий (100 фемтосекунд или меньше) оптический импульс освещает полупроводник, и его длина волны (энергия) превышает ширину запрещенной зоны материала, он производит фотографии операторов мобильной связи. Учитывая, что поглощение импульса является экспоненциальным процессом, большая часть носителей генерируется вблизи поверхности (обычно в пределах 1 микрометра). Это имеет два основных эффекта. Во-первых, он создает изгиб полосы, который приводит к ускорению носителей разного знака в противоположных направлениях (перпендикулярно поверхности), создавая диполь; этот эффект известен как. Во-вторых, наличие поверхности само по себе создает нарушение симметрии, в результате чего носители могут перемещаться (в среднем) только в глубину полупроводника. Это явление в сочетании с различием подвижностей электронов и дырок также приводит к образованию диполя; это известно как эффект фото-Дембера, и он особенно сильно проявляется в высокоподвижных полупроводниках, таких как арсенид индия.
При генерации ТГц излучения через фотопроводящий эмиттер, сверхбыстрый импульс (обычно 100 фемтосекунд или короче) создает носители заряда (электронно-дырочные пары) в полупроводниковом материале . Этот падающий лазерный импульс резко переводит антенну из изолирующего состояния в проводящее состояние. Из-за электрического смещения, приложенного к антенне, через антенну проходит внезапный электрический ток. Этот изменяющийся ток длится около пикосекунды и, таким образом, испускает терагерцовое излучение, поскольку преобразование Фурье сигнала пикосекундной длины будет содержать компоненты ТГц.
Обычно два антенных электрода нанесены на низкотемпературный арсенид галлия (LT-GaAs), полуизолирующий галлий. арсенид (SI-GaAs) или другой полупроводник (например, InP ) подложка. В обычно используемой схеме электроды имеют форму простой дипольной антенны с зазором в несколько микрометров и имеют напряжение смещения до 40 В между ними. Сверхбыстрый лазерный импульс должен иметь длину волны , которая является достаточно короткой, чтобы возбуждать электроны через запрещенную зону полупроводниковой подложки. Эта схема подходит для освещения лазером с энергией фотонов 1,55 эВ и энергией импульса около 10 нДж. Для использования с Ti: сапфировыми лазерами с усилением с энергией импульса около 1 мДж межэлектродный зазор может быть увеличен до нескольких сантиметров с напряжением смещения до 200 кВ.
Более поздние достижения в области экономичных и компактных систем THz-TDS основаны на -модовых волоконных лазерах, излучающих на центральной длине волны 1550 нм. Следовательно, фотопроводящие эмиттеры должны быть основаны на полупроводниковых материалах с меньшей шириной запрещенной зоны приблизительно 0,74 эВ, таких как Fe, легированный арсенид галлия индия или арсенид индия-галлия / гетероструктуры.
Малая длительность генерируемых ТГц-импульсов (обычно ~ 2 пс ) в первую очередь связана с быстрым ростом фотоиндуцированного тока в полупроводнике и полупроводниковые материалы с коротким временем жизни носителей (например, LT-GaAs). Этот ток может сохраняться от нескольких сотен фемтосекунд до нескольких наносекунд, в зависимости от материала, из которого состоит подложка. Это не единственный способ генерации, но в настоящее время (по состоянию на 2008 год) является наиболее распространенным.
Импульсы, генерируемые этим методом, имеют средние уровни мощности порядка нескольких десятков микро Вт. пиковая мощность во время импульсов может быть на много порядков выше из-за низкого рабочего цикла, в основном>1%, который зависит от частоты повторения источника лазерного. Максимальная полоса результирующего ТГц импульса в основном ограничена длительностью лазерного импульса, в то время как частотное положение максимума Фурье-спектра определяется сроком службы несущей полупроводник.
В оптическом выпрямлении высокоинтенсивный ультракороткий лазерный импульс проходит через прозрачный кристаллический материал, излучающий терагерцовый импульс. без приложенного напряжения. Это нелинейно-оптический процесс, в котором соответствующий кристаллический материал быстро электрически поляризуется при высоких оптических интенсивностях. Эта изменяющаяся электрическая поляризация испускает терагерцовое излучение.
Из-за необходимости высокой лазерной интенсивности этот метод в основном используется с усиленными Ti: сапфировыми лазерами. Типичными кристаллическими материалами являются теллурид цинка, фосфид галлия и селенид галлия.
Ширина полосы импульсов, генерируемых оптическим выпрямлением, ограничена длительностью лазерного импульса, терагерцовым поглощением в материале кристалла, толщиной кристалла и несоответствием между скоростью распространения лазерный импульс и терагерцовый импульс внутри кристалла. Как правило, более толстый кристалл будет генерировать более высокую интенсивность, но более низкие частоты ТГц. С помощью этого метода можно повысить генерируемые частоты до 40 ТГц (7,5 мкм) или выше, хотя 2 ТГц (150 мкм) используется чаще, поскольку для этого требуются менее сложные оптические установки.
Электрическое поле терагерцовых импульсов измеряется детектором, который одновременно освещается ультракоротким лазерным импульсом. В THz-TDS используются две общие схемы обнаружения: фотопроводящий отбор и электрооптический отбор. Мощность терагерцовых импульсов может быть определена с помощью болометров (тепловых детекторов, охлаждаемых до температур жидкого гелия), но поскольку болометры могут измерять только полную энергию терагерцового импульса, а не его электрическое поле с течением времени, они не подходят для THz-TDS.
Поскольку метод измерения является когерентным, он, естественно, отклоняет некогерентное излучение. Кроме того, поскольку временной интервал измерения чрезвычайно узок, вклад шума в измерение чрезвычайно низок.
отношение сигнал / шум (S / N) результирующего сигнала во временной области, очевидно, зависит от экспериментальных условий (например, времени усреднения); однако из-за описанных методов когерентной выборки высокие значения отношения сигнал / шум (>70 дБ) обычно наблюдаются при времени усреднения в 1 минуту.
Первоначальная проблема, ответственная за «терагерцовый промежуток » (разговорный термин, обозначающий отсутствие техники в ТГц диапазоне частот), заключалась в том, что электроника обычно ограничивала работа на частотах от 10 Гц и выше. Два экспериментальных параметра делают возможным такое измерение в THz-TDS с антеннами LT-GaAs: фемтосекундные «стробирующие» импульсы и измерения < 1 ps lifetimes of the charge carriers in the antenna (effectively determining the antenna's “on” time). When all optical path lengths have fixed length, an effective dc current results at the detection electronics due to their low time resolution. Picosecond time resolution does not come from fast electronic or optical techniques, but from the ability to adjust optical path lengths on the micrometer (μm) scale. To measure a particular segment of a THz pulse, the optical path lengths are fixed and the (effective dc) current at the detector due to the a particular segment of electric field of the THz pulse.
THz-TDS обычно не являются однократными измерениями.
Обнаружение фотопроводимости аналогично генерации фотопроводимости. Здесь смещение напряжения на выводах антенны создается электрическим полем терагерцового импульса, сфокусированным на антенну, а не какой-либо внешней генерацией. Электрическое поле ТГц пропускает ток через выводы антенны, который обычно усиливается узкополосным усилителем. Этот усиленный ток является измеряемым параметром, который соответствует напряженности ТГц поля. Опять же, носители в полупроводниковой подложке имеют чрезвычайно короткий срок службы. Таким образом, напряженность электрического поля ТГц измеряется только для чрезвычайно узкого среза (фемтосекунды ) всей формы волны электрического поля.
Материалы, используемые для генерации терагерцового излучения с помощью оптического выпрямления, также могут быть использованы для его обнаружения с помощью эффекта Поккельса, где конкретные кристаллические материалы становятся двулучепреломляющими в присутствии электрического поля. двулучепреломление, вызванное электрическим полем терагерцового импульса, приводит к изменению оптической поляризации импульса обнаружения, пропорциональному напряженности терагерцового электрического поля. Это изменение поляризации измеряется с помощью поляризаторов и фотодиодов.
Как и в случае генерации, ширина полосы обнаружения зависит от длительности лазерного импульса, свойств материала и толщины кристалла.
THz-TDS измеряет электрическое поле импульса, а не только мощность. Таким образом, THz-TDS измеряет информацию об амплитуде и фазе частотных составляющих, которые он содержит. Напротив, измерение только мощности на каждой частоте по сути является методом счета фотонов; информация о фазе света не получена. Таким образом, форма сигнала не определяется однозначно посредством такого измерения мощности.
Даже при измерении только мощности, отраженной от образца, может быть получена комплексная постоянная оптического отклика материала. Это так, потому что сложная природа оптической постоянной не произвольна. Действительная и мнимая части оптической постоянной связаны между собой соотношениями Крамерса – Кронига. Применение соотношений Крамерса-Кронига в том виде, в котором они написаны, затруднено, поскольку информация об образце (например, отраженная мощность) должна быть получена на всех частотах. На практике удаленные друг от друга частотные области не оказывают существенного влияния друг на друга, и разумные ограничивающие условия могут применяться на высокой и низкой частоте за пределами измеряемого диапазона.
THz-TDS, напротив, не требует использования соотношений Крамерса-Кронига. Путем измерения электрического поля ТГц импульса во временной области становятся известными амплитуда и фаза каждой частотной составляющей ТГц импульса (в отличие от единственной информации, известной при измерении мощности). Таким образом, действительная и мнимая части оптической постоянной могут быть известны на каждой частоте в пределах используемой полосы пропускания терагерцового импульса, без необходимости использования частот за пределами используемой полосы пропускания или соотношений Крамерса-Кронига.
