· Rainbowphotonics應(yīng)用說明
· 寬帶太赫茲的產(chǎn)生與探測
· 廣泛可調(diào)和窄帶THz源
· THz波的應(yīng)用
人們對太赫茲電磁輻射的興趣源于這些射線與物質(zhì)之間*的相互作用，這種作用可以在各種應(yīng)用中得到利用。太赫茲波激發(fā)材料的分子振動和晶格振動，這使得太赫茲輻射在光譜學(xué)和材料識別中非常有趣。太赫茲輻射是非電離的，對水和水合狀態(tài)非常敏感，對非極性物質(zhì)如不導(dǎo)電聚合物、紙張、包裝材料等透明。因此，材料的不規(guī)則性、缺陷、外殼，用太赫茲輻射是看不到的。因此，THz輻射具有很高的無損檢測潛力。
有幾種技術(shù)可以產(chǎn)生太赫茲輻射，我們開發(fā)了新型的有機(jī)晶體THz發(fā)生器，其優(yōu)化的性能使其成為高效產(chǎn)生和檢測太赫茲輻射的理想材料?；谶@些有機(jī)晶體材料，我們開發(fā)了袖珍的THz時域光譜系統(tǒng):
1) TeraSys?-ULTRA，具有超寬的THz帶寬，可用于光譜和成像，可達(dá)20 THz，每秒可實(shí)時采集4個光譜。
2) TeraSys12?，具有寬THz帶寬的光譜學(xué)和成像高達(dá)12 THz；改進(jìn)的檢測，允許每秒實(shí)時獲取4個光譜。
3) TeraSys?-AiO，提供高達(dá)20 THz的帶寬
4)TeraSys?，高達(dá)12 THz
5) TeraIMAGE?，用于高達(dá)14 THz或20 THz的傳輸和成像，檢測速度為每分鐘3個光譜。我們還開發(fā)了一種*的可調(diào)單頻THz源，TeraTune?，具有非常寬的可調(diào)范圍1-20 THz和窄線寬< 100 GHz。
太赫茲輻射
電磁波譜的太赫茲范圍位于高頻電子(微波)和長波光子學(xué)(紅外光)之間。
太赫茲輻射很容易通過黑體輻射的方式獲得，但將信號與自然背景分離是一個挑戰(zhàn)。在這個所謂的“THz頻率間隔"上下產(chǎn)生電磁波的技術(shù)有好幾種。電子技術(shù)可用于產(chǎn)生頻率高達(dá)0.5 THz左右的波(主要是通過低頻源的電子倍頻)。從0.3到3 THz的Auston開關(guān)是非常流行的源。非線性光學(xué)技術(shù)(光學(xué)整流和差頻產(chǎn)生)可以用來覆蓋0.3到50 THz之間的頻率范圍，量子級聯(lián)激光器大約在20 THz到100 THz之間。
寬帶太赫茲源
大多數(shù)寬帶THz源是基于不同材料在飛秒范圍內(nèi)的超短激光脈沖的激發(fā)，光傳導(dǎo)和光學(xué)整流是產(chǎn)生寬帶THz脈沖的兩種見的方法。光學(xué)方法用于寬帶太赫茲源的產(chǎn)生，由于激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些方法是近20年來發(fā)展迅速的。
在光導(dǎo)方法中，飛秒激光利用電場載流子加速在光導(dǎo)開關(guān)或半導(dǎo)體中產(chǎn)生超快光電流。由于半導(dǎo)體中載流子壽命的固有限制，可實(shí)現(xiàn)的帶寬被限制在幾個THz以內(nèi)。光學(xué)整流是脈沖太赫茲產(chǎn)生的另一種機(jī)制。也使用飛秒激光，太赫茲輻射的能量直接來自于激發(fā)的激光脈沖。在這種情況下，除了泵浦激光的參數(shù)外，轉(zhuǎn)換效率主要取決于光電系數(shù)和材料的相位匹配條件的距離。
在光學(xué)整流中，高強(qiáng)度超短激光脈沖通過透明晶體材料，透明晶體材料在不施加任何電壓的情況下發(fā)出太赫茲脈沖。圖2顯示了使用有機(jī)晶體發(fā)生器DAST或DSTMS的脈沖飛秒激光進(jìn)行光學(xué)整流的原理圖。在這種非線性光學(xué)過程中，非線性材料在高光強(qiáng)下迅速電極化。這種變化的電極化發(fā)出太赫茲輻射。由于激光脈沖電場的快速振蕩被整流，只剩下振蕩的包絡(luò)，故稱為整流。由于介質(zhì)吸收低，極化瞬間遵循脈沖包絡(luò)暗示幾乎沒有限制的速度極化可以開啟和關(guān)閉,即沒有內(nèi)在限制帶寬的光電導(dǎo)天線。
產(chǎn)生太赫茲的材料
由于有機(jī)材料與無機(jī)材料相比具有更大的非線性光學(xué)靈敏度和速度匹配，因此利用有機(jī)材料作為THz發(fā)生器可以獲得更大的功率級，但受到材料損傷閾值的限制。
 表1：光學(xué)-太赫茲頻率轉(zhuǎn)換研究的有機(jī)和無機(jī)非線性光學(xué)材料的相關(guān)參數(shù)。在泵浦光波長處的折射率n0和基團(tuán)指數(shù)ng;折射率nTHz在THz范圍內(nèi);電光系數(shù)r;利用光學(xué)整流產(chǎn)生THz的優(yōu)點(diǎn)FMTHz圖。 有機(jī)晶體:DAST, DSTMS, OH1 LAPC:主-客體聚合物 無機(jī)晶體:GaAs, ZnTe, InP, GaP, ZnS, CdTe, LiNbO3 |
的無機(jī)電光材料，如LiNbO3離相位匹配條件還很遠(yuǎn)，只能在特殊配置下使用。因此，雖然具有較低的電光系數(shù)和優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體電光材料，如ZnTe，因?yàn)樗鼈兛梢圆僮鹘咏辔黄ヅ?。有機(jī)材料結(jié)合了高質(zhì)量和速度匹配的可能性，因此我們選擇了這些材料來制作我們的儀器。有機(jī)晶體DAST、DSTMS和OH1在波長1200-1600 nm范圍內(nèi)對飛秒激光光源的相位匹配，這使得它們對于袖珍桌上型THz儀器非常有吸引力。它們還可以在寬范圍的THz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行接近速度匹配的操作，使低功率飛秒激光源實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生寬帶THz成為可能。顯示了一個使用TeraSys?- ULTRA在有機(jī)晶體DSTMS中生成寬帶THz場的例子，與使用微型的飛秒光纖激光源的半導(dǎo)體天線生成的場相比。
在有機(jī)晶體DSTMS (TeraSys?- ULTRA)中使用飛秒泵浦激光器和THz時域光譜學(xué)產(chǎn)生的THz脈沖的頻率函數(shù)和典型的PC天線范圍內(nèi)的THz場振幅。
有機(jī)THz發(fā)生器和探測器
太赫茲發(fā)生器和探測器是在瑞士的彩虹光子學(xué)工廠生產(chǎn)和光學(xué)準(zhǔn)備的。彩虹光電股份有限公司是世界上的有機(jī)單晶THz發(fā)生器的商業(yè)生產(chǎn)商。
我們的THz發(fā)生器的應(yīng)用范圍：泵浦激光器的波長范圍在1200-1600nm是合適的。當(dāng)使用光整流時，脈沖越短，產(chǎn)生的THz帶寬越大。
探測：在太赫茲時域光譜學(xué)中，可以使用常見的技術(shù)來檢測有機(jī)晶體中產(chǎn)生的太赫茲信號。為了在較寬的THz范圍內(nèi)達(dá)到的檢測效率，同樣的有機(jī)材料也可以用于電光檢測，使用與標(biāo)準(zhǔn)電光采樣不同的原理，而標(biāo)準(zhǔn)電光采樣僅限于光學(xué)各向同性材料。對于有機(jī)晶體(或其他雙折射材料)，THz感應(yīng)的透鏡可以使用與電光采樣類似的靈敏度。
太赫茲時域光譜和成像：TeraSys?-ULTRA和TeraIMAGE?
TeraSys?- ULTRA為光譜和成像提供市場上超寬的THz帶寬，并為實(shí)時、THz成像和光譜提供終解決方案。它是一個微型的太赫茲儀器尋址：在太赫茲(THz)頻率實(shí)時感應(yīng)、檢測、分析和處理方法。它是基于有機(jī)晶體，允許使用的太赫茲頻率高達(dá)20太赫茲，這是傳統(tǒng)天線所不能達(dá)到的，它具有每秒4個光譜的實(shí)時采集功能。TeraSys12?提供了一個THz帶寬高達(dá)12 THz的實(shí)時采集。
TeraSys?- ULTRA中的THz檢測是使用特殊的光學(xué)和電子元件(細(xì)節(jié)是保密的)進(jìn)行優(yōu)化的，因此可以使用相對低功率的飛秒光纖激光器實(shí)現(xiàn)高信噪比。時域THz信號及其頻譜的一個例子如圖所示，它具有每秒4個光譜的采集時間。
在TeraSys?- ULTRA中使用0.45 mm厚的DSTMS晶體來產(chǎn)生和檢測THz，并使用一個脈沖長度為20 fs的泵浦激光器，平均功率為120 mW，能量/脈沖為3.5 nJ。
TeraIMAGE?THz時域光譜儀具有成像選項(xiàng)，除了與TeraSys?相同的光譜部分外，還包括成像部分，該部分具有所有必要的機(jī)械控制和數(shù)據(jù)采集軟件，用于掃描50 x 50 mm2以下的物體(可根據(jù)要求提供更大的尺寸)。
光學(xué)圖像(由普通相機(jī)拍攝)和太赫茲圖像(由TeraIMAGE?拍攝)，顯示一塊具有視覺上缺陷不可見的塑料
使用TeraIMAGE?檢測UHMWPE(超高分子量聚乙烯)中的隱藏洞的THz圖像
窄帶可調(diào)諧太赫茲源：TeraTune?
許多材料不僅在高達(dá)約3 THz的THz范圍內(nèi)都表現(xiàn)出特定的吸收特性（指紋），因?yàn)楣怆妼?dǎo)天線可以達(dá)到該范圍，但也高于上面的范圍，因此進(jìn)行了廣泛的研究，請參見下表。水蒸氣的吸收導(dǎo)致在空氣中的衰減，這限制了大約10 THz以下的應(yīng)用可能性范圍變得更?。ㄔ?8 THz時達(dá)到四個數(shù)量級），這使得高達(dá)20 THz擴(kuò)展THz的范圍引起了關(guān)注。
空氣中THz輻射的衰【來自Appleby等人，IEEE 2007】。在10 THz以上，空氣中的衰減明顯小于10 THz以下。這開辟了廣泛的新應(yīng)用可能性，如遠(yuǎn)程成像和遙感。
在某些應(yīng)用中，窄帶內(nèi)的高THz波束功率比寬帶脈沖更可取。寬帶產(chǎn)生技術(shù)產(chǎn)生的總太赫茲功率分布在脈沖的頻譜范圍內(nèi)；因此，任何特定頻率下的功率密度本來就很低。為了在一定的THz頻率下獲得合理的轉(zhuǎn)換效率，具有高波束峰值功率的窄帶脈沖輸出。
TeraTune?一個可調(diào)諧的窄帶THz源，窄線寬小于100 GHz，調(diào)優(yōu)范圍為1-20 THz。2012年，彩虹光電將這一*的THz光源引入市場，它是基于有機(jī)THz發(fā)生器DSTMS和OH1中納秒脈沖的差頻產(chǎn)生。合適的紅外泵浦光脈沖是在一個*設(shè)計(jì)的雙波長OPO(光參量振蕩器)中產(chǎn)生的，該光參量振蕩器可在1330-1480 nm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，產(chǎn)生兩個頻率差在THz范圍內(nèi)的窄帶納秒脈沖。波長可以通過角度調(diào)整OPO晶體來調(diào)整，OPO晶體由相應(yīng)的軟件控制。為了在不同的THz頻率下獲得的效率，發(fā)生器晶體可外接開關(guān)。
高THz峰值功率超過30 W使用OH1產(chǎn)生晶體可以達(dá)到1.25 THz，使用1毫米厚DSTMS晶體的可調(diào)諧譜如圖所示。
TeraTune?:可調(diào)(1-20 THz)窄線寬(<100 GHz) THz源
使用1毫米DSTMS THz發(fā)生器的TeraTune?調(diào)諧曲線。在某些頻率，可達(dá)到的THz峰值功率較低，這可能是由于產(chǎn)生材料本身對THz的吸收，也可能是由于相位匹配不完善。產(chǎn)生晶體相對較厚(1mm)，因此產(chǎn)生相位匹配的地方可以獲得較高的效率。
THz波的應(yīng)用
太赫茲波的某些應(yīng)用與這些波的*性質(zhì)有關(guān)，以激發(fā)“Reststrahlen"范圍內(nèi)的分子振動和晶格振動。此外，太赫茲波顯示出低吸收性，并通過大多數(shù)非導(dǎo)電的均質(zhì)塑料、紙張、卡通、大多數(shù)衣服等傳播，因此可以檢測到隱藏的有害物質(zhì)。因此，除了材料的太赫茲光譜外，這些波還可能對安全性應(yīng)用有用，而且還可用于識別非導(dǎo)電材料中的缺陷。對于導(dǎo)電和部分導(dǎo)電的材料，太赫茲光譜可以深入了解這些材料中電荷傳輸?shù)臋C(jī)理。在這里，我們給出了太赫茲光譜的一些示例，并說明了使用有機(jī)非線性光學(xué)材料產(chǎn)生和檢測太赫茲波的材料測試。
(a) 顯示了使用THz時域光譜測量的幾種的THz光譜。
(b) 顯示了隱藏在兩個特氟龍板后面的Semtex樣品，可以看到;光波(左)和THz波(右，:綠色;右上角的黃色區(qū)域?qū)?yīng)于左圖中的紅色貼紙)。
(c) 顯示了隱藏在一個信封中的蠟樣芽孢桿菌(炭疽)樣本的圖片和THz圖像。
(d) 顯示了一堆透明膠片的光學(xué)和THz圖片，其中標(biāo)簽“ ETH"已在其中一張透明膠片中被切掉（可見光看不到），并且由于相位的原因，其THz透射圖像給出了完整的對比度圖像，切除區(qū)域中太赫茲波的偏移（“缺陷"）。 第二張圖片顯示了如何通過太赫茲波使嵌入塑料中的金屬缺陷或夾雜物（帶有“ NLO"符號的金屬線）可見。后一幅圖顯示了一塊塑料上的一個空洞，
(e) 顯示了隱藏在信封中的上的號碼。
(f) 顯示了帶有和不帶有缺陷的聚乙烯樣品的THz反射圖像示例?？梢栽?D中以小于10μm的分辨率顯示這些空隙，低于波長（縱向）分辨率的原因在于，可以非常精確地確定反射波的相移和時間分辨率。
相關(guān)產(chǎn)品
寬譜太赫茲時域光譜儀
太赫茲有機(jī)晶體DSTMS
太赫茲有機(jī)晶體DAST
太赫茲有機(jī)晶體OH1
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