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光泵浦太赫茲探測(OPTP)系統(tǒng)簡介

光泵浦太赫茲探測（OPTP）技術(shù)是一種新興的應(yīng)用前景良好的超快載流子動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)。太赫茲輻射，其波段在紅外與毫米波之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段，當(dāng)它透射半導(dǎo)體樣品時(shí)，對半導(dǎo)體表面的載流子分布和變化十分敏感，很適合被用作探測波來反映載流子的運(yùn)動(dòng)狀況。 當(dāng)泵浦光對半導(dǎo)體進(jìn)行光激發(fā)時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴占據(jù)了一些能態(tài)，從而會(huì)減少樣品對太赫茲探測光的透射，產(chǎn)生飽和吸收，但隨著受激載流子的復(fù)合，這種飽和效應(yīng)也隨之退化，對太赫茲探測光的透射也隨之升高。因此，通過對太赫茲探測光瞬態(tài)透射譜的研究，我們可以獲得半導(dǎo)體材料中非平衡載流子分布的動(dòng)力學(xué)過程及其他光學(xué)信息。

OPTP 技術(shù)的出現(xiàn)和崛起使超快光譜學(xué)可用的技術(shù)手段又多了一種。它是光學(xué)泵浦探測技術(shù)和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，主要優(yōu)勢在于既能直觀地觀測到樣品信號(hào)的光致變化所反映出來的信息，又能提供一個(gè)亞皮秒量級(jí)的時(shí)間分辨率。運(yùn)用 OPTP 技術(shù)可以讓我們通過 THz 光譜在載流子動(dòng)力學(xué)的研究過程中獲得樣品的復(fù)電導(dǎo)率的光致變化狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)對準(zhǔn)粒子和超導(dǎo)冷凝物的動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)測量。OPTP 技術(shù)在早期主要應(yīng)用于凝聚態(tài)物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)探測。但是近幾年來，隨著電光技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對 OPTP 技術(shù)了解的逐漸深入，OPTP技術(shù)找到了適合發(fā)揮其特點(diǎn)的新的應(yīng)用領(lǐng)域——探測光導(dǎo)材料中光生載流子的動(dòng)力學(xué)。 國外對 OPTP 技術(shù)和其他超快光譜學(xué)技術(shù)的研究較為廣泛和深入。實(shí)驗(yàn)方法主要以光泵浦 THz 探測的方式居多，同時(shí)也有通過改變溫度條件來促使物質(zhì)內(nèi)部載流子發(fā)生變化，從而通過 THz 探測信息等其他形式。研究對象也多種多樣，但大部分還是以半導(dǎo)體材料、一些復(fù)合有機(jī)材料及異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為主，也有小組用此來研究傳統(tǒng)金屬（例如金和銀）中電子間、電子與聲子間的相互作用過程，有的甚至還進(jìn)行過對液體中的載流子動(dòng)力學(xué)研究。 在國內(nèi)，只有中科院物理所曾研究過半導(dǎo)體材料 GaAs 作為輻射源產(chǎn)生 THz的研究，其他報(bào)道暫時(shí)未見到。

OPTP 系統(tǒng)同典型的 THz-TDS 系統(tǒng)的區(qū)別

典型的THz-TDS系統(tǒng)主要由飛秒激光器、THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射探測裝置和時(shí)間延遲控制系統(tǒng)組成。以首都示范大學(xué)太赫茲波譜與成像實(shí)驗(yàn)室中的透射式THz-TDS系統(tǒng)為例，其具體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如下圖所示。飛秒激光經(jīng)分束鏡分為兩束，其中一束經(jīng)斬波器(Chopper)斬波后，入射ZnTe晶體。利用光整流效應(yīng)在ZnTe晶體中產(chǎn)生的THz脈沖經(jīng)過兩對離軸拋面鏡，后聚焦于ZnTe探測晶體上。由分束鏡分出的另一束光作為探測光也通過ZnTe晶體，THz的輻射電場通過電光效應(yīng)使經(jīng)過該電光探測晶體的探測光偏振態(tài)發(fā)生變化，從而反映出了THz電場的變化。THz輻射時(shí)域波形由探測光對泵浦光的時(shí)間延時(shí)來追蹤測量，鎖相放大器(lock in)將信號(hào)放大。

OPTP 系統(tǒng)以上圖中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，激光脈沖從鈦寶石正反饋放大器中出射，經(jīng)過個(gè)分束鏡 BS 1 分束后，分為兩束：其中的一束光（顏色深）我們稱其為光泵浦路，它沿著 stage 1 的方向傳播，經(jīng)幾個(gè)反射鏡反射后斜入射到樣品上，對樣品進(jìn)行光激勵(lì)；另一束傳播向 BS2，再次進(jìn)行分成兩束激光。這兩束激光則如上文所描述構(gòu)成太赫茲時(shí)域光譜儀系統(tǒng)。
OPTP 系統(tǒng)與 THz-TDS 系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)大致相同，產(chǎn)生 THz 信號(hào)和探測接受信號(hào)的方式也可以一樣，但其主要區(qū)別在于：分光過程中 OPTP 系統(tǒng)將一束超快激光脈沖分成三束脈沖——產(chǎn)生路，探測路和泵浦路，比 THz-TDS 系統(tǒng)多分出一路泵浦光路作為泵浦源來激勵(lì)樣品。在實(shí)驗(yàn)測量方面，THz-TDS 系統(tǒng)主要靠移動(dòng)圖中的 Delay Stage 2來掃描 THz脈沖的時(shí)域波形；而 OPTP 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)掃描過程有一維掃描和二維掃描之分，既能觀測時(shí)域波形中某一點(diǎn)的 THz 透射強(qiáng)度隨著時(shí)間延遲（泵浦路和產(chǎn)生路）變化而變化的情況，又能在確定泵浦路和產(chǎn)生路間的時(shí)間延遲的情況下，掃描 THz時(shí)域波形進(jìn)行進(jìn)一步分析。正是因?yàn)橛幸痪S和二維掃描的模式，及太赫茲脈沖探測提供的亞皮秒量級(jí)的時(shí)間分辨率，OPTP 系統(tǒng)能讓我們可以比較直觀地、時(shí)間分辨地觀測到實(shí)驗(yàn)中所得的 THz 時(shí)域信號(hào)所反映出來的樣品載流子信息，對進(jìn)行半導(dǎo)體超快載流子動(dòng)力學(xué)的研究提供了一種便利的方法。

光泵浦太赫茲探測系統(tǒng)（OPTP）原理視頻

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