第五章 太赫兹成像.docx

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第五章太赫兹成像

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第五章太赫兹成像

太赫兹辐射作为一种光源和其他辐射（如可见光、X射线、中近远红外、超声波等）一样，可以作为物体成像的信号源。

自从美国的Hu和Nuss等人在1995年首次建立起国际上第一套太赫兹成像装置以来，许多科学家相继开展了电光取样成像、层析成像、太赫兹单脉冲时域场成像、近场成像等的研究。

5.1引言

最近几年，人们对远红外射线科学与技术的兴趣越来越浓。

大量的、有关远红外射线的产生方法和探测新技术被提出，并被验证，其中有许多是基于非线性光学技术的。

尽管早在1976年，利用非线性光学技术产生远红外射线的思想已经被提出，然而其始终受到激光源的限制，在随后的许多年都没有得到广泛的应用。

近些年，随着激光技术的迅猛发展，这项技术的相关应用也激增，例如利用光整流和差频产生远红外射线。

其中最早的，也是最具前景的技术是太赫兹时域光谱技术（太赫兹-TDS），这是一种利用超快激光脉冲产生宽幅瞬变电磁辐射的方法。

这种方法是在八十年代后期，由AT&TBell实验室和IBM的T.J.WatsonResearchCenter率先实现的，现在，随着飞秒激光器的广泛应用，这种方法也变得越来越流行。

结合更多的传统的远红外研究方法，这种新型的太赫兹源已经显示出其在光谱学中的价值。

不仅如此，由于超短太赫兹时域脉冲的频谱宽，并且这些太赫兹脉冲与飞秒脉冲具有固有的同步性，这一性质使得一些新方法得以采用，而且是其他方法无法实现的。

例如采用光泵浦太赫兹探测的太赫兹时间分辨的测量，太赫兹发射光谱和相关光谱的测量。

Nuss和Orenstein最近报道了利用THz-TDS研究固体系统的方法；此项工作包含了大量的线性光谱和其它技术的实例。

THz-TDS同时也被用于研究气体，其中最值得关注的是Grischkowsky与其合作者的工作。

1995年，Hu和Nuss首次将THz-TDS技术用于成像。

这激起了同行及公众对此项技术的极大兴趣，并关注这种光谱仪一系列的新的、有价值的应用。

基于太赫兹辐射的独特性质，再加上系统能够在合理的时间内成像，已经有大批的应用领域被预见，涉及领域从生物医学诊断到包装食物产品的水含量监测和封装的集成电路的故障检测。

这一章，我们将回顾一下从太赫兹成像首次报道以来的快速发展。

我们将通过对一些不同实例的描述，来阐明这项新成像技术能够完成的工作及它的一些局限性。

本章内容不是创建太赫兹成像系统的指南，有许多不同的系统配置已经被应用，在这里就不做重复了。

我们将描述一个典型的系统，强调一些对各种成像模式都很重要的属性。

图5-1：

透射式太赫兹时域成像系统的示意图。

样品放在中聚焦平面上，可以在两个维度上扫描图像信息。

图5-1是一典型的透射式太赫兹时域成像系统的示意图。

这套系统包括飞秒激光器、光学延迟台、光门控太赫兹发射极、用于准直和聚焦太赫兹光束的光具组、成像的样品、光门控太赫兹接收机、电流前置放大器和数字信号处理器。

这套装置基本保留了1989年首次报道的太赫兹-TDS系统的基本特征。

当然，也有许多的改进，其中一个最具意义的改进就是这些改进后的系统可以进行成像应用。

在1995年，Hu和Nuss首次将太赫兹-TDS系统发展成太赫兹时域成像系统，他们利用快速扫描的光学延迟装置和DSP进行数据收集。

之后，一些人又在太赫兹发射和探测天线上增加电极结构。

下面我们对这些关键组件的目前发展动态进行简单的叙述。

5.1.1飞秒激光源

在太赫兹领域，绝大多数工作都使用800nm的近红外锁模钛蓝宝石激光器。

这种激光器的使用之所以如此广泛主要是因为它的激光参数，包括脉冲的时间宽度、波长和输出功率，都非常适合驱动GaAs衬底和辐射损伤蓝宝石上硅（RD-SOS）的太赫兹发射极和探测极。

这种激光器能够保证极好的脉冲-脉冲的重复性和长期的稳定性，并且操作也相对比较容易。

事实上，THz-TDS系统的首部商业版已经于2000年一月问世，它就是基于锁模钛蓝宝石激光技术的。

尽管用锁模钛蓝宝石激光技术所取得的成就让人难忘，但是出于以下几个原因，人们对其它不同飞秒激光源的应用仍有很大兴趣。

首先，相对于其它飞秒激光器来说，尽管典型的钛蓝宝石激光器具有良好的噪声性能，但是在太赫兹波形的测量中，噪声仍是一个限制因素。

其次，钛蓝宝石激光器对准直光路的微小变化十分敏感，因此一些无法避免的机械振动对它的影响不可忽略。

为了创建一套便携式的太赫兹成像系统，要求有一种更加牢固的飞秒激光器。

锁模光纤激光器可能是一种非常理想的替代品，这种激光器的光脉冲完全在一根光纤中传播。

这种激光器现在已经可以商业购买，同时，有相当数量的研究工作是为了发展基于这种波长～1550nm的光纤激光器驱动的太赫兹发射和接收天线。

这将不能再使用传统的GaAs，因为激光光子能量低于材料的带隙宽度。

不过已经有大量的候补材料被报道，包括GaAs-basedternaryandquaternaryalloys、InAs、和内植离子的锗。

5.1.2光学延迟平台

THz-TDS系统要求在两束光之间实现均匀的时间延迟变化，这样可以改变取样门与太赫兹波形的交叉点，从而对波形的这一点进行取样。

这种通过改变其中一束光的光路长度而达到改变相对延迟的方法几乎在所有的实际操作中都适用。

通常要将延迟装置安装在泵浦光路，这是因为探测光路对光线的准直更敏感一些，因此，尽管在应用不同的天线结构时泵浦光路的灵敏度有所差异，但是总的来说还是探测器对探测光准直度的要求要比泵浦光相对发射极的准直度的要求要高的多。

这种光学延迟通常可以用一个机械扫描台配合一对反射镜来实现。

当然也可以使用较慢速的步进电机或快速的振荡装置。

下面将介绍到，扫描装置的速度将会影响数据获取率。

在许多的成像应用中，为了提高波形获取率，都希望延迟装置的扫描能够尽可能快。

要做到这一点存在许多困难，其中一个问题就是，还没有什么延迟装置能够保证足够的延迟窗口同时速度又高于几十赫兹。

如要获得一个100ps的延迟窗口，那么反射镜组必须能够以大约1.5cm的振幅振动。

对于机械振动机，这是很困难的。

现在通常使用的一种机械谐振装置，由ClarkMXR，Inc.制造，能够接近20Hz，但是当超过100Hz时这种机械将不能被带动。

由于这个原因，逐点太赫兹成像已经能够获得每秒20个点的成像速度，这意味着可以在几分钟内成一个像。

对于特定的应用，使用多个小的延迟窗口（也就是更少的皮秒数）就足够了，这种情况下，可以在一个压电振子上固定一个反射镜来获得更高的波形获取率。

当然还有许多其它的方法能够变化两脉冲链的相对时间，只不过现在还没有广泛的用于太赫兹系统。

5.1.3太赫兹光电闸门

太赫兹发射极和探测器的设计从太赫兹-TDS的研究应用开始，就一直是一个很重要的内容，希望它或者能够获得最大的信号，或者能够获得最宽的光谱。

Grischkowshy和他的同事们率先利用共面窄条结构作为太赫兹发射极。

这种结构不仅设计十分简单，而且能够产生极宽的光谱。

使用60fs的脉冲激光，光谱可以延伸到6THz。

对于许多太赫兹成像应用，为了获得较大的信号强度，采用了许多相对较复杂的天线结构，但是，这样做往往限制了光谱的宽度。

图5-2a给出了一个一般的设计，其采用了一个结构电极以获得较强的信号。

这种天线是将两条10μm宽的金属线熔敷在半绝缘的GaAs上，它们相距100μm。

两个金属翼片从两金属窄条相向延伸，这些金属翼片的终端一般可以做成平面，或是三角形。

两个翼片之间的距离既可以小到5μm，也可以大到100μm。

在两电极间施加一个电压，则在电极的附近将产生一个很强的耗尽场。

在电极翼片的拐角区或端点附近聚焦一束几十毫瓦的飞秒光，将产生很强的太赫兹辐射，并且随着耗尽场的增强，太赫兹辐射将大大地增强。

图5-2b显示的是当飞秒激光聚焦到天线的不同区域时，被激发的太赫兹辐射的强度变化。

还有许多其它的天线设计已经被采用。

图5-2：

（a）一种高频太赫兹发射器的简单设计。

其中的尖端电极能增强电场强度。

（b）太赫兹辐射的峰值强度是相对于尖端电极的光束点位置的函数。

最普遍的太赫兹接收器是一个简单的偶极天线，长度大约为50μm。

基于这种结构的一些其它的改进设计也已经被应用，例如图5-3中显示的指状交叉结构。

对于赫兹偶极天线，它的长度要比射线的波长小得多，它的采集灵敏性和辐射效率随着波长的不同而反向改变。

因此，较小的偶极天线能够提供较宽幅的频率响应，现在已经有30μm的偶极天线被使用。

当然，当射线波长与天线长度变得可以比拟时这种1/λ的依赖关系不再适用，所以详细的高频响应变得更加复杂。

另外，在这些准光学系统中由于光学元件的有限尺寸所带来的衍射影响，存在低频频响跌落（频率下转换）。

因此，这种1/λ的关系只能用于一个有限的光谱范围。

只有考虑所有的这些影响，通过对太赫兹-TDS系统进行详细的分析，才可以精确的预知所测量的光谱响应。

图5-3：

沉积在放射损伤蓝宝石上硅的交叉电极的设计图，用作太赫兹接收器。

如果将很小的偶极天线用作发射极或探测器，则它的高频限制通常由系统的时间响应决定。

其中，一个很明显的限制是产生太赫兹辐射的光脉冲的时间宽度。

由于光脉冲宽度大约为100fs的锁模激光器是最早实现商品化的，因此主要的THz-TDS实验所使用的都是这一宽度。

这种脉冲在许多不同的机制下被用于产生太赫兹辐射，包括冲击电流模式，它能够产生最大的信号，还包括光整流模式，它能够提供最宽的频谱。

但是每一种方法所产生的辐射都不能包括比波包变形变化还快的频率成分，这导致了大约100fs的光脉冲的频谱宽度只有大约4.5THz。

因此，越短的光脉冲通常产生的频谱越宽，现在已经能够扩展到中红外。

第二个重要的限制方面是被用做太赫兹天线衬底的光导材料的响应时间。

因为并不希望所测量的最高频率超过光学取样门的时间宽度的倒数，所以这种限制对于接收天线更加显著。

脉宽主要受载流子俘获时间的限制，尽管已经有一些方案提出可以避免这种限制。

因此，最主要的被广泛使用的材料要具有亚皮秒的自由载流子寿命，高的载流子迁移率和低的暗电路，还要对800nm左右的光波有较强的吸收。

有两种较流行的材料是辐射损伤硅蓝宝石和低温生长的GaAs。

经验证前一种材料有非常理想的高频响应，能够产生比400fs还短的太赫兹脉冲。

后者的性能能够与rd-SOS比拟，尽管在某种程度上它的频谱要略窄一些。

值得注意的是，即使使用一个载流子驰豫慢的光导天线也是可以探测到宽幅的太赫兹辐射。

此时，所依赖的不是取样门的宽度，而只是它的上升沿。

探测器随着快速的取样门以积分模式工作，被测信号与累积的入射太赫兹场成正比。

在这种状态下，谱宽被电流上升沿的速度限制，而它由光脉冲的脉宽和天线的RC时间常数决定。

最近报道，使用载流子寿命大于1ps的衬底材料，谱宽已经可以达到20THz。

5.1.4太赫兹光束光学

对于一套高性能的T-ray成像系统，关键是

（1）可以将太赫兹光在物体上聚焦成一个衍射极限的光点，

（2）有尽可能高的透过率。

与可见光系统不同的是，太赫兹电磁波波长因素的影响与所使用的光学器件相比不能忽略，衍射的影响支配着光线的传播。

这使得太赫兹波段光学系统的设计十分复杂。

另外，由于具有很宽的光谱，光学系统需要消除色差，并且需要对脉冲所覆盖的频率范围有很平滑的相位响应。

为了能够获得上述特性，一个关键的部件是衬底透镜，它紧贴在发射极背面和接收机上。

这个衬底透镜能改善进入或远离光导天线的光束的耦合，抑制板式激发。

这种透镜通常由高阻硅（>104Ω）构成,这种材料对整个太赫兹波段是无色散的，因此无色差。

通常这种透镜有两种不同的设计。

第一种是将收发机放置在衬底透镜的焦点上。

采用这种设计时，收发机到透镜顶端的距离由公式给出，R是透镜的半径，n是透镜材料的折射率，假定与衬底材料相同。

对于这种准直超半球设计，在光轴附近出射的光束是平行光束。

然而，在辐射角足够大时，将有激发光散射掉，因此这种透镜是散射的。

这是在大角度时，在透镜和空气的