基于有机晶体的宽带太赫兹波的产生与探测

· Rainbowphotonics应用说明

· 宽带太赫兹的产生与探测

· 广泛可调和窄带THz源

· THz波的应用

人们对太赫兹电磁辐射的兴趣源于这些射线与物质之间独特的相互作用，这种作用可以在各种应用中得到利用。太赫兹波激发材料的分子振动和晶格振动，这使得太赫兹辐射在光谱学和材料识别中非常有趣。太赫兹辐射是非电离的，对水和水合状态非常敏感，对非极性物质如不导电聚合物、纸张、包装材料等透明。因此，材料的不规则性、缺陷、外壳，用太赫兹辐射是看不到的。因此，THz辐射具有很高的无损检测潜力。

有几种技术可以产生太赫兹辐射，我们开发了新型的有机晶体THz发生器，其优化的性能使其成为GX产生和检测太赫兹辐射的理想材料。基于这些有机晶体材料，我们开发了袖珍的THz时域光谱系统:

1) TeraSys®- ULTRA，具有超宽的THz带宽，可用于光谱和成像，可高达20 THz，每秒可实时采集4个光谱。

2) TeraSys12®，具有宽THz带宽的光谱学和成像高达12 THz；改进的检测，允许每秒实时获取4个光谱。

3) TeraSys®- AiO，提供高达20 THz的带宽

4)TeraSys®，高达12 THz

5) TeraIMAGE®，用于高达14 THz或20 THz的传输和成像，检测速度为每分钟3个光谱。我们还开发了一种独特的可调单频THz源，TeraTune®，具有非常宽的可调范围1-20 THz和窄线宽< 100 GHz。

太赫兹辐射

电磁波谱的太赫兹范围位于高频电子(微波)和长波光子学(红外光)之间。

太赫兹辐射很容易通过黑体辐射的方式获得，但将信号与自然背景分离是一个挑战。在这个所谓的“THz频率间隔”上下产生电磁波的技术有好几种。电子技术可用于产生频率高达0.5 THz左右的波(主要是通过低频源的电子倍频)。从0.3到3 THz的Auston开关是非常流行的源。非线性光学技术(光学整流和差频产生)可以用来覆盖0.3到50 THz之间的频率范围，量子级联激光器大约在20 THz到100 THz之间。

宽带太赫兹源

大多数宽带THz源是基于不同材料在飞秒范围内的超短激光脉冲的激发，光传导和光学整流是产生宽带THz脉冲的两种常见的方法。光学方法用于宽带太赫兹源的产生，由于激光技术的不断进步，这些方法是近20年来发展较为迅速的。

在光导方法中，飞秒激光利用电场载流子加速在光导开关或半导体中产生超快光电流。由于半导体中载流子寿命的固有限制，可实现的带宽被限制在几个THz以内。光学整流是脉冲太赫兹产生的另一种机制。也使用飞秒激光，太赫兹辐射的能量直接来自于激发的激光脉冲。在这种情况下，除了泵浦激光的参数外，转换效率主要取决于光电系数和材料的相位匹配条件的距离。

在光学整流中，高强度超短激光脉冲通过透明晶体材料，透明晶体材料在不施加任何电压的情况下发出太赫兹脉冲。图2显示了使用有机晶体发生器DAST或DSTMS的脉冲飞秒激光进行光学整流的原理图。在这种非线性光学过程中，非线性材料在高光强下迅速电极化。这种变化的电极化发出太赫兹辐射。由于激光脉冲电场的快速振荡被整流，只剩下振荡的包络，故称为整流。由于介质吸收低，极化瞬间遵循脉冲包络暗示几乎没有限制的速度极化可以开启和关闭,即没有内在限制带宽的光电导天线。

产生太赫兹的材料

由于有机材料与无机材料相比具有更大的非线性光学灵敏度和速度匹配，因此利用有机材料作为THz发生器可以获得更大的功率级，但受到材料损伤阈值的限制。

表1：光学-太赫兹频率转换研究的有机和无机非线性光学材料的相关参数。在泵浦光波长处的折射率n0和基团指数ng;折射率nTHz在THz范围内;电光系数r;利用光学整流产生THz的优点FMTHz图。

有机晶体:DAST, DSTMS, OH1 LAPC:主-客体聚合物无机晶体:GaAs, ZnTe, InP, GaP, ZnS, CdTe, LiNbO3

表中显示了与无机晶体相比，好的有机晶体以及电光聚合物LAPC的THz波产生的相关的材料参数。从表中可以看出，有机晶体OH1、DSTMS和OH1的质量分数较大。在平均光泵波长上，当THz折射率nTHz接近群折射率ng时，相位匹配是可能的。这种相位匹配通常被称为群速度匹配，通常用于飞秒泵浦激光器的光整流产生宽带THz波。

无机电光材料，如LiNbO3离Z佳相位匹配条件还很远，只能在特殊配置下使用。因此，虽然具有较低的电光系数和优点，但常用的半导体电光材料，如ZnTe，因为它们可以操作接近相位匹配。有机材料结合了高质量和速度匹配的可能性，因此我们选择了这些材料来制作我们的仪器。有机晶体DAST、DSTMS和OH1在波长1200-1600 nm范围内对飞秒激光光源的相位匹配更佳，这使得它们对于袖珍桌上型THz仪器非常有吸引力。它们还可以在宽范围的THz频率范围内进行接近速度匹配的操作，使低功率飞秒激光源实现产生宽带THz成为可能。显示了一个使用TeraSys®- ULTRA在有机晶体DSTMS中生成宽带THz场的例子，与使用微型的飞秒光纤激光源的半导体天线生成的场相比。

在有机晶体DSTMS (TeraSys®- ULTRA)中使用飞秒泵浦激光器和THz时域光谱学产生的THz脉冲的频率函数和典型的PC天线范围内的THz场振幅。

有机THz发生器和探测器

太赫兹发生器和探测器是在瑞士的彩虹光子学工厂生产和光学准备的。彩虹光电股份有限公司是世界上唯yi的有机单晶THz发生器的商业生产商。

我们的THz发生器的更好的应用范围：泵浦激光器的波长范围在1200-1600nm是更合适的。当使用光整流时，脉冲越短，产生的THz带宽越大。

探测：在太赫兹时域光谱学中，可以使用常见的技术来检测有机晶体中产生的太赫兹信号。为了在较宽的THz范围内达到更佳的检测效率，同样的有机材料也可以用于电光检测，使用与标准电光采样不同的原理，而标准电光采样于光学各向同性材料。对于有机晶体(或其他双折射材料)，THz感应的透镜可以使用与电光采样类似的灵敏度。

太赫兹时域光谱和成像：TeraSys®- ULTRA和TeraIMAGE®

TeraSys®- ULTRA为光谱和成像提供市场上超宽的THz带宽，并为实时、THz成像和光谱提供Z终解决方案。它是一个微型的太赫兹仪器寻址：在太赫兹(THz)频率实时感应、检测、分析和处理方法。它是基于有机晶体，允许使用的太赫兹频率高达20太赫兹，这是传统天线所不能达到的，它具有每秒4个光谱的实时采集功能。TeraSys12®提供了一个THz带宽高达12 THz的实时采集。

TeraSys®- ULTRA中的THz检测是使用特殊的光学和电子元件(细节是保密的)进行优化的，因此可以使用相对低功率的飞秒光纤激光器实现高信噪比。时域THz信号及其频谱的一个例子如图所示，它具有每秒4个光谱的采集时间。

在TeraSys®- ULTRA中使用0.45 mm厚的DSTMS晶体来产生和检测THz，并使用一个脉冲长度为20 fs的泵浦激光器，平均功率为120 mW，能量/脉冲为3.5 nJ。

TeraIMAGE®THz时域光谱仪具有成像选项，除了与TeraSys®相同的光谱部分外，还包括成像部分，该部分具有所有必要的机械控制和数据采集软件，用于扫描50 x 50 mm2以下的物体(可根据要求提供更大的尺寸)。

光学图像(由普通相机拍摄)和太赫兹图像(由TeraIMAGE®拍摄)，显示一块具有视觉上缺陷不可见的塑料

使用TeraIMAGE®检测UHMWPE(超高分子量聚乙烯)中的隐藏洞的THz图像

窄带可调谐太赫兹源：TeraTune®

许多材料不仅在高达约3 THz的THz范围内都表现出特定的吸收特性（指纹），因为光电导天线可以达到该范围，但也高于上面的范围，因此进行了广泛的研究，请参见下表。水蒸气的吸收导致在空气中的衰减，这限制了大约10 THz以下的应用可能性范围变得更小（在18 THz时达到四个数量级），这使得高达20 THz扩展THz的范围引起了关注。

空气中THz辐射的衰【来自Appleby等人，IEEE 2007】。在10 THz以上，空气中的衰减明显小于10 THz以下。这开辟了广泛的新应用可能性，如远程成像和遥感。

在某些应用中，窄带内的高THz波束功率比宽带脉冲更可取。宽带产生技术产生的总太赫兹功率分布在脉冲的频谱范围内；因此，任何特定频率下的功率密度本来就很低。为了在一定的THz频率下获得合理的转换效率，shou选具有高波束峰值功率的窄带脉冲输出。

TeraTune®一个可调谐的窄带THz源，窄线宽小于100 GHz，调优范围为1-20 THz。2012年，彩虹光电将这一独特的THz光源引入市场，它是基于有机THz发生器DSTMS和OH1中纳秒脉冲的差频产生。合适的红外泵浦光脉冲是在一个独特设计的双波长OPO(光参量振荡器)中产生的，该光参量振荡器可在1330-1480 nm范围内进行调谐，产生两个频率差在THz范围内的窄带纳秒脉冲。波长可以通过角度调整OPO晶体来调整，OPO晶体由相应的软件控制。为了在不同的THz频率下获得更好的效率，发生器晶体可外接开关。

高THz峰值功率超过30 W使用OH1产生晶体可以达到1.25 THz，使用1毫米厚DSTMS晶体的可调谐谱如图所示。

TeraTune®:可调(1-20 THz)窄线宽(<100 GHz) THz源

使用1毫米DSTMS THz发生器的TeraTune®调谐曲线。在某些频率，可达到的THz峰值功率较低，这可能是由于产生材料本身对THz的吸收，也可能是由于相位匹配不完善。产生晶体相对较厚(1mm)，因此产生相位匹配的地方可以获得较高的效率。

THz波的应用

太赫兹波的某些应用与这些波的独特性质有关，以激发“Reststrahlen”范围内的分子振动和晶格振动。此外，太赫兹波显示出低吸收性，并通过大多数非导电的均质塑料、纸张、卡通、大多数衣服等传播，因此可以检测到隐藏的有害物质。因此，除了材料的太赫兹光谱外，这些波还可能对安全性应用有用，而且还可用于识别非导电材料中的缺陷。对于导电和部分导电的材料，太赫兹光谱可以深入了解这些材料中电荷传输的机理。在这里，我们给出了太赫兹光谱的一些示例，并说明了使用有机非线性光学材料产生和检测太赫兹波的材料测试。

(a) 显示了使用THz时域光谱测量的几种爆炸物的THz光谱。

(b) 显示了隐藏在两个特氟龙板后面的Semtex炸药样品，可以看到;光波(左)和THz波(右，炸药:绿色;右上角的黄色区域对应于左图中的红色贴纸)。

(d) 显示了一堆透明胶片的光学和THz图片，其中标签“ ETH”已在其中一张透明胶片中被切掉（可见光看不到），并且由于相位的原因，其THz透射图像给出了完整的对比度图像，切除区域中太赫兹波的偏移（“缺陷”）。第二张图片显示了如何通过太赫兹波使嵌入塑料中的金属缺陷或夹杂物（带有“ NLO”符号的金属线）可见。Z后一幅图显示了一块塑料上的一个空洞，

(e) 显示了隐藏在信封中的信用卡上的信用卡号码。

(f) 显示了带有和不带有缺陷的聚乙烯样品的THz反射图像示例。可以在3D中以小于10μm的分辨率显示这些空隙，低于波长（纵向）分辨率的原因在于，可以非常精确地确定反射波的相移和时间分辨率。