强场太赫兹时域光谱测量技术研究进展

徐世祥，陆小微，林庆钢，郑水钦，蔡 懿，艾月霞

深圳市微纳光子信息技术重点实验室，深圳大学电子科学与技术学院，广东深圳 518060

太赫兹波是频率介于微波和红外的电磁波．由于其覆盖光学材料的原子分子特征光谱区，多年来受到业内人士的广泛关注[1-3]，并被用于医学成像[4-6]、安全检查[7-9]、物质光谱鉴别[10-12]及光通信等领域[13-15]．由于能同时检测太赫兹时域场的振幅和相位，太赫兹时域光谱测量已成为相关领域科研与应用的重要技术手段[16-19]．传统太赫兹时域光谱探测技术多采用泵浦-探针检测方法，通过不断扫描探测光和太赫兹波信号的相对延时，来逐点测量信号时域波形，其耗时长，对重复率要求高，无法对材料损伤和结构相变等不可重复的超快过程进行测量[20-25]，且只适合测量弱太赫兹信号．随着太赫兹源脉冲功率的提升，催生了如太赫兹非线性光谱学、极端太赫兹强场与物质相互作用等前沿学科．

针对强太赫兹脉冲的时域光谱测量必须具有大的动态范围．时域光谱测量属于相对测量，必须保证测量到的波形与太赫兹的真实时域波形具有正比关系．由于强太赫兹脉冲往往工作在脉冲重复率低甚至单次的情形，故该时域光谱测量还需具备单次测量能力，此时基于泵浦-探针的传统时域光谱技术将会引入较大误差甚至完全不适用．因此，围绕强太赫兹时域光谱技术的研究主要从这两个特点展开．

1 单次太赫兹时域光谱测量技术研究

目前报道的单次测量技术大多基于太赫兹电光取样原理．其中心思想是采用并行数据采集或多通道检测方法，将需要探测的太赫兹光谱信息(强度及相位等)，通过参数转换的方式，对相关参数进行探测和对应，实现整个太赫兹波形有效信息的单次获取，从而实现实时测量[26-27]．迄今发展的多种太赫兹单次测量方法，主要包括基于强度变化的太赫兹电光采样技术(频谱编码技术、时域电场互相关技术、空间编码技术及双阶梯编码技术等)、基于光谱干涉的大动态范围太赫兹电光调制技术以及具有单次模式工作的大动态范围太赫兹电光调制技术等．本文对其原理进行阐述分析．

1.1 频谱编码技术

图1 频谱编码技术Fig.1 Time-spectral encoding technology

频谱编码技术是最先提出的太赫兹时域光谱单次测量技术[28]，其典型装置示意图如图1．采用啁啾光作为探测脉冲，经偏振器P1，被透镜L1与太赫兹波以一定延时共线聚焦入射到<110>ZnTe电光晶体中．不同波长分量被太赫兹场的不同时间部分调制．再被另一透镜L2准直，经过1/4波片(quarter-wave plate, QWP)和偏振器P2被光谱仪SP记录．根据啁啾脉冲时间和瞬时频率的对应关系进行解码，提取出太赫兹脉冲时域波形．这种编码技术实际上是利用啁啾激光脉冲中频率(波长)与时间的映射关系，实现太赫兹时域信号对探测光频谱进行调制．通过抽取被光谱仪接收的啁啾脉冲频谱信息，即可单次测量太赫兹脉冲场的时间波形．该技术无需高精度透射型元件或机械移动元件，结构较为简单，还可直接从记录光谱中观测到太赫兹场时间波形，较为直观．然而该技术也存在对偏振敏感和信噪比低等缺点；由于采用时频变换算法，其时间分辨率受到啁啾脉冲宽度的限制．

1.2 时域电场互相关技术

时域电场互相关技术由MATLIS等[29-31]首先提出，其装置示意图如图2．与频谱编码技术相比，这里引入另一束非啁啾参考光，通过一个合束片与啁啾脉冲一起，以一定的相对时间延迟被光谱仪接收．光谱仪所探测到的光谱干涉信号的傅立叶变换结果为两者时域电场的互相关函数，可通过数值求解提取太赫兹信号，获得其波形信息．

与图1比较，这里通过引入非啁啾脉冲提高测量信号的时间分辨率．该技术利用光谱干涉技术，额外引入参考脉冲光路在合束前与啁啾脉冲探测光不共线，对系统稳定性要求高，易受到周围环境温度、振荡及温度变化等因素影响，所用探测光路结构较为复杂．

图2 时间电场互相关技术Fig.2 Temporal cross-correlation interferometry

1.3 空间编码技术

空间编码技术分别是基于探测脉冲倾斜的空间编码技术以及基于非共线和频空间编码技术．

1.3.1 基于探测脉冲倾斜的空间编码技术

基于探测脉冲倾斜的空间编码技术的实验装置如图3[32-33]．类似于飞秒激光脉冲的单次自相关测量，该技术将太赫兹信号和探测脉冲以一定夹角在电光晶体中重合．在电光晶体的不同横向位置，太赫兹时域场和被调制的探测光具有不同的相对时间延迟，其对应不同的一维空间位置，因此采用线阵CCD单次记录即可获得完整的太赫兹时域场．

图3 基于探测脉冲倾斜的空间编码技术Fig.3 Space-to-time encoding with non-collinear geometry or collinear tilted optical readout intensity front

此测量装置简单，单次测量可获得整体光谱曲线分布，其工作原理是通过信号光与探测光的非共线互相关产生的相对脉冲沿倾斜，实现时间到空间的转换．但其探测结果受诸多因素限制：① 探测时间窗口受到太赫兹信号和探测脉冲夹角θ影响，需要对非共线角度及角度相关的时空转换非线性进行精确定标；② 大的非共线角会影响晶体太赫兹电光效应的响应特性，因此为获得足够大的时间窗，需要足够大的太赫兹信号和探测脉冲的横向空间尺寸w， 以得到大的相互作用尺度d, 结果是信号光和探测光的不均匀空间分布将会耦合到不同时刻太赫兹场对探测脉冲信号的电光调制中，影响测量信号的形状，对高精度要求的测量场合非常不利．

1.3.2 基于非共线和频的空间编码技术

图4 基于非线性和频的空间编码技术Fig.4 Space-to-time encoding with time domain non-collinear second-harmonic cross-correlation

基于非共线和频的空间编码技术也是基于时间-空间编码[34-35]，其装置如图4．与图1相同的是，通过一个啁啾脉冲对太赫兹时域信号进行电光取样，实现太赫兹的时域获取．不同的是，该技术为了提高时间分辨，采用时间电场单次互相关技术，引入另一读出脉冲与探测啁啾脉冲通过非共线和频(BBO为和频晶体)实现互相关．和频信号经过柱透镜CL被线阵CCD相机接收．相机的不同像素信号对应太赫兹波的不同时域信息，实现时间-空间编码．该技术可直接读取太赫兹波形，得到较高的时间分辨．另外，因太赫兹信号是聚焦进入电光晶体的，故无需对太赫兹空间分布预先校准．但其测量结果仍受探测啁啾脉冲和读出脉冲空间分布的影响．由于其时间窗口由参考脉冲和啁啾探测脉冲在BBO晶体中的重合时间决定，要求光斑尺寸、参考脉冲和BBO入射面法线方向上的夹角φ需足够大．因此，为获得较高的和频效率，对探测光和读出脉冲的强度要求高，测量系统结构较为复杂．

1.4 双阶梯编码技术

双阶梯编码技术[36-37]的示意图如图5．在探测光路上有两个特定设计的透射型阶梯状元件，其相互正交放置．探测光通过后演变为众多具有不同延时的空间分离子波．这些子波经透镜聚焦到电光取样晶体，依次被相应时刻的太赫兹波调制．被透镜准直后，不同时刻的调制信号被编码到不同空间位置，用二维CCD获取空间信息，从而实现时间信息的单次测量．这种方法无需频谱仪，具有较长的时间窗口，时间分辨率和时间窗取决于阶梯镜SM的单个宽度和高度以及阶数．可通过改变阶梯的数目获得较高的时间分辨率；但其要求波前具有较好的平坦度，且探测能量的分割会降低测量的信噪比．对于具有较高时间分辨要求的场合，将会对阶梯镜的设计加工带来困难，成本大幅提高．

图5 双阶梯编码技术Fig.5 Angle-to-time encoding with transmissive dual echelons

2 旨在提高线性动态范围的太赫兹脉冲场时域重现技术

以上对太赫兹脉冲时域场的单次测量均基于偏振灵敏的强度变化，因此它们只能工作于太赫兹光场引入的双折射相位符合弱场近似的场合，不适用于高强度的太赫兹检测．基于太赫兹电光效应的光谱干涉测量技术则可获得高线性测量范围．

2.1 太赫兹Mach-Zehnder光谱干涉技术

IBRAHIM等[38]在探测光路中引入Mach-Zehnder干涉仪结构，如图6．其中，PM1和PM2为抛物线离轴镜；CL1和CL2为柱透镜；时间延迟线1和2用于探测光的时间扫描．该结构不仅可同时获得强度和位相信息，而且大大提高了太赫兹光谱测量技术的动态范围．干涉仪中的两束探测光，一束经过检测晶体与太赫兹脉冲重叠，另一束直接记录作为参考脉冲．这两束光在光谱仪中形成干涉条纹记录，通过求解干涉图反推太赫兹波的光强和相位变化．

图6 基于Mach-Zehnder干涉结构 太赫兹时域光谱测量技术Fig.6 The spectral-domain interferometry based on the Mach-Zehnder interferometer

Mach-Zehnder干涉仪结构的时域光谱测量技术采用扫描记录方式获得较长的时间扫描窗口；且在该结构中，没有受到如强度测量中的弱场近似限制，大大提高了动态范围．但非共线的干涉仪结构，使测量结果易受气流、温度变化及机械振动等因素的影响，测量信噪比低．其扫描记录方式无法单次获得完整的测量结果，也使该技术不能用于单次或低重复频率探测．类似地，SHARMA等[39]在其太赫兹光谱干涉测量中引入自参考技术．该技术将幅度较弱的太赫兹场空间边缘场测到的信号作为参考，使测量信噪比提高近6倍．但该技术仍没能摆脱扫描测量的要求，同时，这种做法意味着至少需要两次扫描太赫兹信号，不具备单次测量的能力．

2.2 共线太赫兹光谱干涉技术

为克服非共线Mach-Zehnder干涉仪结构带来的不稳定性影响，SHARMA等[40]利用玻璃片GP前后表面反射光作为取样光的光谱干涉实现太赫兹时域光测量，如图7．这种设计使参与光谱干涉的两束探测光共线，优点在于不易受外界干扰，干涉信号稳定．虽然也是基于电光效应，但不需要测量其偏振灵敏的强度变化，因此动态范围很高，可达8 898π．其缺点是两束干涉脉冲的强度相差大，干涉条纹的调制度差，影响测量信噪比．该技术还要求两干涉光相位延迟大于太赫兹信号的时域宽度，这严重影响其适应范围．另外，其工作方式仍为多次扫描，不具备单次测量能力．

图7 共线太赫兹光谱干涉技术Fig.7 Terahertz detection using collinear spectral domain interferometry

图8 正交偏振太赫兹光谱干涉Fig.8 Cross-polarized spectral-domain interferometry

2.3 正交偏振太赫兹光谱干涉技术

2016年正交偏振太赫兹光谱干涉技术见诸报道[41]．系统仅需一束探测光进入探测晶体，见图8．使用太赫兹金属网偏振片(wire grid polarizer， WGP)以提高太赫兹脉冲的偏振纯度.探测光经透镜L1聚焦到ZnTe晶体与太赫兹信号重合．透过ZnTe晶体后探测光被透镜L2准直再透过1/4波片，然后耦合进入保偏光纤．在光谱仪前放置一个偏振器，它与QWP一起使探测光被光谱仪接收后光谱干涉环具有最大的干涉调制度．太赫兹电光效应中对不同偏振方向的探测光调制程度不同，因此探测光的正交偏振分量可用作自参考．为得到光谱干涉所需的时间延迟，该结构利用保偏光纤的双折射效应．这种自参考的共线光谱干涉技术使其测量信噪比高达45∶1．动态测量范围比传统的太赫兹电光取样技术提高4个量级．利用保偏光纤的双折射需在光纤的进出端引入耦合装置，增加了系统的复杂度，同时也降低了抗周围环境干扰的能力．光纤扰动也会引入一定噪声．此外，该装置也工作于时间扫描模式，不能用于单次测量．

3 高信噪比、大动态范围的单次太赫兹时域光谱测量技术

为实现同时具有高信噪比及大动态范围的太赫兹时域光谱单次测量，本课题组基于以下3个关键技术：① 采用光谱干涉技术提高动态范围，摆脱弱场近似条件限制；② 利用全透射体光学元件实现共线干涉以提高测量信噪比；③ 采用啁啾脉冲为探测光实现单次探测，提出紧凑型共路光谱干涉测量方法[42]，如图9．其中，λ/2为消色差半波片；PM为离轴抛物面镜；EOC为太赫兹电光晶体；S为取样板；M1和M2为反射镜；L1和L2为透镜；Si为硅片；P为偏振器．该方案中，首先将探测光通过脉冲展宽器(stretcher)展宽为啁啾脉冲．为简化结构，方便调节，增加系统稳定性，实验中脉冲展宽器采用两等腰直角棱镜组成的脉冲色散器．以一块双折射晶体(α-BBO)产生两束同向传输，具有一定延时的脉冲对，分别作为探测光和参考光，其水平和垂直分量光分别与有无太赫兹位相调制对应；光谱干涉环由常规的光纤光谱仪记录．还利用自制的旨在直接重建电场的光谱相位干涉仪(spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction, SPIDER)探测脉冲光谱相位，通过傅里叶变换算法取代简单的啁啾相位光谱-时间映射获得时间信息．

图9 共路光谱干涉单次测量技术Fig.9 Single-shot terahertz electro-optic detection on common-path spectral interferometer

相比非共路太赫兹光谱干涉光路，该方案光路可有效抵抗环境干扰，如振动、空气湍流和温度波动，提高测量信噪比．实验研究表明，采用该技术的噪声只有非共路光谱干涉的1/6，而信噪比提高近5.2倍．其时间分辨率高，取决于探测脉冲啁啾前的时间宽度．但该技术存在电光晶体转角α的影响，光的不同角度会对波形测量结果带来不同的误差，准确波形测量要求α=0°．

为解决共路光谱干涉测量装置中测量结果的晶体转角相关性，本课题组对上述方案进行改进，提出自参考光谱干涉技术[43]，如图10．对比图9可见，此时仅将双折射晶体α-BBO从电光晶体EOC前移到电光晶体后．在物理上，图9中探测光两个相互垂直的偏振分量受到具有相对时间延迟的太赫兹信号调制，而在图10中，这两个偏振分量受到的是同一太赫兹信号调制．于是图10测量到的太赫兹信号时域波形与光电晶体方向无关，这使测量操作更简单，结果更可靠．另外，此种干涉光路可有效抑制非共路干涉仪中的常见噪声，单次信噪比高达88.85．到目前为止，该设计装置已成功用于低重复率的强太赫兹脉冲探测中．

图10 自参考光谱干涉单次记录Fig.10 Single-shot terahertz electro-optic detection on self-referenced spectral interferometry

总结与展望

随着太赫兹技术的不断发展，太赫兹时域光谱技术也得到迅猛发展．但传统太赫兹时域光谱技术基于泵浦-探针原理，记录每个太赫兹脉冲时域波形需要较长的扫描时间，而且要求脉冲重复性好、重复率高，故不能对重复率低、重复性差甚至不可重复的太赫兹场进行测量．另外，这些探测技术受限于太赫兹弱场近似．为克服传统太赫兹时域光谱技术的缺陷，研究者在改善太赫兹脉冲时域光谱测量动态范围的同时，努力发展具有单脉冲工作能力的测量技术．本文分析近10年太赫兹时域光谱技术领域在单次测量和大动态范围方面的研究进展，指出目前该研究已从对基于强度变化的太赫兹电光采样技术，以及大动态范围太赫兹时域光谱测量技术，向单次大动态范围太赫兹时域光谱测量技术发展转化．从目前发展来看，基于由电光效应引起的偏振灵敏强度变化的太赫兹电光测量技术不适用于高强度的太赫兹检测，而基于太赫兹电光效应的光谱干涉测量技术是获得高线性测量范围的有效途径．本课题组结合太赫兹光谱干涉技术与啁啾脉冲探测技术，实现高动态范围的单次测量．该研究方案采用双折射晶体透射式的共线干涉光路设计实现自参考光谱干涉测量，测量信噪比得到大幅提高，具备实际应用能力．展望未来在进一步提升单次测量信噪比及动态范围的同时，拓展其测量复杂太赫兹时域波形能力，将是一个重要的研究发展方向．