超快太赫兹时域光谱系统

张宏飞，苏 波，何敬锁，张存林

(1.首都师范大学 物理系 太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048；2.太赫兹波谱与成像北京市重点实验室，北京 100048；3.北京成像技术高精尖创新中心，北京 100048)

引言

在传统的太赫兹时域光谱系统中，需要使用机械平移台的扫描来实现泵浦脉冲或者探测脉冲的时间延迟，从而得到太赫兹时域波形，但是，它存在一个致命的问题就是扫描一次所需要的时间大约在10 min左右，不具备高速扫描的特点，因此提出了一种基于光学异步采样的超快太赫兹时域光谱系统。异步光学采样(ASOPS)技术1987年被提出[1]，自此以后受到广泛关注。日本的Y.Takagi于1999年提出了基于异步采样的可调谐锁模亚皮秒激光器的光学采样计量系统，但它存在采样点不均匀的缺点。本文通过重复频率可调的锁模激光振荡器克服了此缺点，通过引入泵浦和探测脉冲重复频率不同而形成时间差，从而实现线性扫描采样。

1 超快太赫兹时域光谱系统原理

基于异步采样的太赫兹时域光谱系统使用了2个重复频率在1 GHz附近可调的飞秒激光振荡器，并由高带宽反馈电子设备控制其重复频率。一个飞秒振荡器的重复频率是(1G+Δf)Hz，为泵浦脉冲，另一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz，为探测脉冲。2个飞秒振荡器的重复频率存在Δf(Δf在1 kHz～20 kHz可调)的频率差，由此产生泵浦脉冲和探针脉冲的时间差，其扫描周期可以由1/Δf给出[2-3]。此系统具有检测速度快、分辨率高等优点[4]。当Δf为10 kHz时，即时间延迟以100 μs周期重复地扫描[5]。

两列脉冲对应的时间间隔为

(1)

(2)

一个采样周期内的采样点个数为

(3)

采集太赫兹脉冲单个点所用的时间为

(4)

每当探测脉冲和泵浦脉冲重合1次，触发信号探测器就会产生一个高电平脉冲信号，即为触发信号[3]。触发信号的周期[7]为T=(n-1)=1/Δf。时间T也是信号采集系统的采样周期，信号采集系统接收到一个触发信号开始采集数据，当接收到下一个触发信号后结束本次采集，保存数据，并开始下一个周期的数据采集[8]。

2 异步采样THz-TDS系统设置

利用两台飞秒激光振荡器，建立了一种简单的基于ASOPS的THz时域光谱仪，如图1所示。

图1 超快太赫兹时域光谱系统Fig.1 Ultrafast THz time-domain spectroscopy system

一束功率为550 mW的泵浦光经会聚后形成300 μm大小的光斑，照射在THz发射天线上产生太赫兹波[9]。然后，太赫兹波经过4个离轴抛物镜聚焦于1 mm厚的碲化锌(ZnTe)晶体上，其晶体的切割方向为111晶向[2]。另一束功率为10 mW的探测光经过离轴抛物镜上的小孔照射在ZnTe晶体上[10-11]。最后由平衡探测器进行光电信号转换，探测出THz信号[12-13]。

触发信号探测器的核心器件是一个带宽为150 MHz的光电二极管，其频谱响应的中心波长为400 nm。利用双光子的吸收效应，当2个光脉冲重合时，光电二极管产生双光子吸收，从而产生触发信号[14]。

触发信号探测器光路示意图如图2所示。图中一路为泵浦激光脉冲，另一路为探测激光脉冲，两路激光脉冲经透镜聚焦在光电二极管上，光电二极管上所加的直流偏置电压为5 V。当两路光脉冲重合时，光电二极管就产生触发信号[15]，此触发信号经过高通滤波器滤除直流信号后用带宽为500 M的示波器进行采集，在示波器上显示的触发信号如图3所示，此信号经过放大器放大后输入到数采卡的触发输入端，为数据采集提供触发信号。

图2 触发信号探测器示意图Fig.2 Schematic of trigger signal detector

图3 触发信号Fig.3 Trigger signal

3 超快太赫兹时域光谱

利用上述搭建的超快太赫兹时域光谱系统得到了完整的THz信号。此时探测激光脉冲的重复率是1 GHz，泵浦激光脉冲的重复频率为(1G+1k)Hz，此时1ms就可以探测出1个THz谱。图4为测得的THz时域脉冲，其为10.3 s的测量时间内得到的积分平均信号[16]，经傅里叶变换后得到的THz脉冲的频域谱如图5所示，它的动态范围为21 dB，频谱分辨率为5 GHz。

图4 太赫兹时域谱Fig.4 Terahertz time domain spectrum

图5 太赫兹频域谱Fig.5 Terahertz frequency domain spectrum

4 结论

超快太赫兹时域光谱系统摒弃了传统THz-TDS系统所使用的机械延迟线装置，而利用两台重复频率略有差异的激光振荡器来提供时间延迟，不仅重复定位精度高、信噪比高、频谱分辨率高，还可以以极快的速度获取THz时域谱。该系统的Δf可以在1 k～20 k之间连续可调，即该系统能够实现每秒1 k～20 k次的时域谱采集速度。因此，它具有完全取代传统THz-TDS系统的潜力，并且在需要快速测量的应用环境中有着传统太赫兹时域光谱系统不可比拟的优势。