太赫茲(THz, 1THz=1012Hz)頻段是指頻率從十分之幾到十幾太赫茲，介于毫米波與紅外光之間相當寬范圍的電磁輻射區(qū)域。 近年來, 超快激光技術的發(fā)展促進了 THz 脈沖產(chǎn)生和探測技術的發(fā)展，相關技術及其應用研究也得到蓬勃發(fā)展。由于物質的THz 光譜包含豐富的物理和化學信息，對物質結構的探索具有重要意義，同時THz輻射還具有瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和光子能量低等特點，使得 THz 技術在基礎研究領域和工業(yè)生產(chǎn)及軍事應用領域有深遠研究價值和重要的應用前景。目前，THz技術在基礎領域的研究主要包括研究物質THz波段的光譜響應，對THz光譜進行理論解析, 探索凝聚態(tài)物質內(nèi)部的聲子、偶極子動力學過程及其結構性質。在應用領域的研究則涵蓋了微電子學、光電子學、通信、天文學、化學、生物學、醫(yī)學、農(nóng)學等及由此帶動的交叉研究, 如安全檢測, 特別是對炸 藥、毒品等相關材料的檢測研究已成為熱點。

THz波的產(chǎn)生分為連續(xù)波的THz產(chǎn)生和THz脈沖的 產(chǎn) 生。 產(chǎn) 生 連 續(xù)THz波 的 方 法 主 要 有４ 種：（1）通 過 FTIR（Fourier Transform Infrared Spectrometer） 使用熱輻射源產(chǎn)生， 如汞燈和SiC棒；（2）是通過非線性光混頻產(chǎn)生；（3）通過電子振蕩輻射產(chǎn)生，如反波管、耿式振蕩器及肖特基二極管產(chǎn)生；（4）通過氣體激光器、半導體激光器、自由電子激光器等THz激光器直接產(chǎn)生。目前產(chǎn)生THz脈沖常用的方法有光導天線法、光整流法、THz參量振蕩器法、空氣等離子體法等，其中空氣等離子體能產(chǎn)生相對較高強度的THz波而備受關注，此外，還可以用半導體表面產(chǎn)生THz波。

太赫茲光譜用短脈沖太赫茲輻照來探測材料的性質。樣品的輻射在MHz頻率范圍內(nèi)檢測和調制。由一個或多個激光器驅動的光學系統(tǒng)產(chǎn)生可以用鎖相放大器測量和檢測的斬波的THz脈沖。HF2LI鎖相放大器用于太赫茲光譜儀器的連接圖如下圖一所示。

  圖一 HF2LI鎖相放大器連接到THz光譜儀系統(tǒng)

電光取樣技術

電光取樣測量技術基于線性電光效應：當THz脈沖通過電光晶體時，會發(fā)生電光效應，從而影響探測（取樣） 脈沖在晶體中的傳播。 

當探測脈沖和THz脈沖同時通過電光晶體時，THz脈沖電場會導致晶體的折射率發(fā)生各向異性的改變，致使探測脈沖的偏振態(tài)發(fā)生變化。 調整探測脈沖和THz脈沖之間的時間延遲，檢測探測光在晶體中發(fā)生的偏振變化就可以得到THz脈沖電場的時域波形。

自由空間電光取樣THz探測原理如下圖二所示。 圖中的激光器為飛秒激光器，它所發(fā)出的飛秒激光脈沖經(jīng)分束器之后，分為泵浦脈沖和探測脈沖。 泵浦脈沖用來激發(fā)THz發(fā)射極使其產(chǎn)生THz脈沖，然后該脈沖被離軸拋物面鏡準直聚焦，經(jīng)半透鏡照射到電光晶體之上，由此改變電光晶體的折射率橢球。 當線偏振的探測脈沖在晶體內(nèi)與THz光束共線傳播時，其相位會被調制。 由于電光晶體的折射率會被THz脈沖電場改變，所以探測光經(jīng)過電光晶體時，其偏振狀態(tài)將會由線偏振轉變?yōu)闄E圓偏振，再經(jīng)偏振分束鏡（這里常用的是沃拉斯通（Wollaston） 棱鏡） 分為 ｓ 偏振和 ｐ偏振兩束，而這兩束光的光強差則正比于THz電場。 使用差分探測器可以將這兩束光的光強差轉換為電流差，從而探測到THz電場隨時間變化的時域光譜。 利用機械電動延遲線可以改變THz脈沖和探測脈沖的時間延遲，通過掃描這個時間延遲可得到THz電場的時域波形。 為了提高靈敏度和壓縮背景噪聲，可以采用機械斬波器來調制泵浦光，而后利用鎖相探測技術，即可獲得THz電場振幅和相位的信息。

  圖二  電光探測技術的太赫茲光譜系統(tǒng)

時域太赫茲光譜技術

THz- TDS系統(tǒng)是基于相干探測技術的太赫 茲產(chǎn)生與探測系統(tǒng), 能夠同時獲得太赫茲脈沖的振幅信息和相位信息, 通過對時間波形進行傅立葉變換, 能直接得到樣品的吸收系數(shù)和折射率、透射率等光學參數(shù).太赫茲時域光譜有很高的探測信噪比和較寬的探測帶寬, 探測靈敏度很高, 可以廣泛應用于多種樣品的探測.
THz- TDS 系統(tǒng)可分為透射式、 反射式、 差分式、 橢偏式等, 其中最常見的為透射式和反射式THz- TDS 系統(tǒng).典型的 THz- TDS 系統(tǒng)如下圖三所示,它主要由飛秒激光器、 太赫茲輻射產(chǎn)生裝置及相應的探測裝置, 以及時間延遲控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)組成.目前, 在 THz- TDS 技術中常用來產(chǎn)生太赫茲脈沖的方法主要有 3 種: 光導天線、半導體表面輻射和光整流, 而相應的探測方法也主要有 3 種: 熱輻射計、光導開關和電光取樣

  圖三  時域太赫茲光譜系統(tǒng)