第二章　太赫兹系统

第一节　透/反射式时域光谱成像系统

基于飞秒激光脉冲的太赫兹时域光谱（THz time-domain spectroscopy，THz-TDS）成像技术是一种非常有效的光谱与成像技术，它具有高信噪比、亚毫米分辨、相干探测的优点，而且还可以给出每个像素点上的宽光谱信息。图1-2-1给出了典型THz-TDS成像系统的结构光路图，这是一个透射式系统。宽带太赫兹产生通常基于脉宽在百飞秒量级的飞秒激光器。飞秒激光脉冲分为两部分，一部分用于产生太赫兹脉冲，另一部分用于探测太赫兹脉冲。THz-TDS系统测量太赫兹脉冲的强度和相位。产生和探测太赫兹脉冲最常用的方法是光电导开关和电光采样技术。使用分束器将飞秒脉冲分为两部分，分别聚焦到太赫兹源和探测器上。两路光的光程差必须精确一致，以保证脉冲必须同时触发探测器。太赫兹脉冲时域波形通过改变探测器与源之间的时间差来采集。为了避免空气中水蒸气对太赫兹波的吸收，通常将太赫兹光路（图中虚线部分）用干燥气体或氮气密封罩起来。

图1-2-1　典型的透射型太赫兹时域光谱系统

由于太赫兹波波长较长，在传播时衍射效应较大，一般采用抛物面反射镜或透镜实现对太赫兹波的收集、准直与再聚焦。对于成像应用而言，一般使用抛物面镜，原因是与透镜相比，抛物面镜没有色散，从而可以将太赫兹波聚焦得更小。但抛物面镜的离轴成像效果与透镜相比较差，而实验上又较难实现太赫兹波空间分布的实时监测，因此在光路的准直调节上要求更高。但由于光路采用飞秒光泵浦，因此可利用飞秒激光完成前期的光路准直调节。在光路上，采用4个抛物面反射镜组成2组4f系统（f代表抛物面反射镜的焦距），第一组4f系统将太赫兹波准直再聚焦到待测样品上，第二组4f系统将透过（或自样品反射）的太赫兹波重新收集聚焦到探测器上。

结合锁相放大技术，探测信号可以达到60dB的信噪比。由于太赫兹光谱通过快速傅里叶变换计算得到，因此其光谱分辨率由时间扫描范围的倒数决定。例如，为了达到100GHz的频谱分辨率，需要10ps的时间扫描（对应1.5mm的机械延迟线）。通过参考信号和样品信号的测量，可以提取出不同频率下样品的光学常数（如折射率和吸收系数α）。通过样品纵向的二维移动，就可以实现逐点的太赫兹透射或反射光谱的测试，从而实现对样品的太赫兹成像。

反射式THz-TDS系统原理与上图类似，只是结构上有所不同，如图1-2-2所示，分别为太赫兹波以一定角度和垂直入射到样品并被反射的光路，其中垂直入射时使用了半透半反镜（硅片）将反射的太赫兹波耦合出来。

图1-2-2　反射式太赫兹时域光谱系统的局部光路

（左）以一定入射角入射到样品，并从另一方向反射；（右）垂直入射到样品表面，并垂直反射

对于分层样品，反射式THz-TDS系统还可实现飞行时间信号的测量。如图1-2-3所示，除了样品表面反射的太赫兹信号以外，太赫兹波还会进入样品内部，并在分层处发生反射。若各层样品的折射率已知，则可以根据太赫兹脉冲之间的时间差计算出各层的实际厚度，从而实现表层一定厚度范围内的内部结构成像。

图1-2-3　飞行时间信号测量原理