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德國TOPTICA太赫茲系統介紹

太赫茲波介紹

太赫茲(Tera Hertz,簡稱THz)波通常是指頻率在0.1~10 THz(波長在0.03~3 mm)波段的電磁波,我們感受不到它的存在,但它卻實實在在地圍繞在我們周圍。

THz的長波段與毫米波(亞毫米波)相重合,其發展主要依靠電子學科學技術,而它的短波段與紅外線(遠紅外)相重合,其發展主要依靠光子學科學技術,所以太赫茲波是宏觀電子學與微觀光子學研究的交叉領域。這也決定了目前主要THz源的發展途徑,其一是以太赫茲激光器為代表的激光光學技術,包括氣體激光器、半導體激光器以及電子激光器等,這類技術來自于激光技術向長波方向的發展;其二是以微波元件為代表的真空電子技術,包括微波管、固體微波源以及耿氏二極管等,這類技術來自于微波技術向短波方向的發展;其三是超快激光技術,這類技術是THz向低頻和高頻同時發展。

圖1. THz輻射在電磁波譜中的位置。

但是,光譜分析領域0.5~5 THz才具有重要意義,目前主要有兩種方法,可以通過激光技術的間接方法獲得。(1)依靠快速調制半導體天線中的光電流;(2)使用超短脈沖激光器照射光電開關。這兩種方法使用的都是可見或者近紅外的激光器:前者使用連續可調的二極管激光器,后者使用飛秒光纖激光器

TOPTICA太赫茲系統介紹

TOPTICA Photonics公司對使用分布反饋二極管激光器和飛秒光纖激光器這兩種產生太赫茲電磁波的方法進行了分析和比較,并建立了成熟卓越的產品。目前TOPTICA可為頻域/時域太赫茲應用提供多種解決方案、組件和產品,所有這些組件都是完全模塊化的,并且可以根據實驗要求組合或升級。

1連續可調諧的太赫茲電磁波

圖2 TeraScan頻域光譜平臺

圖3 TeraScan結構簡圖

連續可調諧的太赫茲波可以通過兩臺具有相鄰波長的激光器的差頻混合來獲得,如圖2、圖3。電磁波疊加在一個半導體天線的結構中,比如砷化鎵(GaAs),此結構作為一個太赫茲波的輻射源。兩種不同頻率的激光束在半導體中產生光電流,通過調整這兩束激光的頻率差,就可以獲得不同頻率的太赫茲波。

波長處于800nm附近的分布反饋式(DFB)激光器特別適用于產生可調諧的太赫茲波。其主要優點是輸出功率高、可調諧頻率范圍寬以及發射波長低于GaAs帶隙。使用中心波長為780 nm附近的激光器可以獲得0.4~2.2 THz調諧范圍的電磁波(如圖4);使用1550 nm附近的激光器(InGaAs天線)可以獲得頻率范圍為0.1~2.9 THz的電磁波(如圖5)。工業上使用的大部分氣體、化學試劑和炸藥的吸收波段都被這些太赫茲電磁波段所覆蓋。

圖4 TeraScan 780

圖5 TeraScan 1550

TeraScan技術參數

如果實驗需要更高的功率(前提是光混合器也具有足夠的損傷閾值),圖3的系統可以改變成主振蕩功率放大器系統。這樣2臺DFB半導體激光器同時被耦合進同一臺半導體放大器中,該放大器可以輸出功率為500~1000 mW的近衍射極限的光束。與此同時,DFB半導體激光器的調諧范圍和光譜性質保持不變。

此外,TOPTICA開發了一種基于正交干涉儀的鎖模技術,此技術可以通過計算機控制,獲得頻率誤差在1 MHz的頻率高度的太赫茲波,來實現某些檢測和定量測量有害氣體的測量。

圖6北航老師使用TeraScan頻域光譜平臺的實驗測試結果

2 時域寬帶太赫茲波

太赫茲脈沖電磁波通過飛秒激光器和半導體天線組成的輻射源來獲得。使用1560nm的飛秒脈沖入射產生自由電荷載流子,這些載流子可在內部或外部電場的作用下加速,電流的通斷誘發了一種暫時性的、具有寬泛頻譜范圍的電磁場。這樣,在近紅外光譜范圍內對應于譜線范圍為0.1~5 THz、脈沖寬度為<60 fs的太赫茲電磁波脈沖就產生了。太赫茲輻射源的方案之一是使用小型化、價格合理且可靠性強的超快光纖激光器。摻鉺玻璃光纖飛秒激光器可以輸出波長約1560 nm、脈沖寬度小于60 fs、平均功率高于60 mW的激光束。Toptica還提供更高功率的飛秒光纖激光器。TOPTICA公司的光纖激光器產生的太赫茲電磁波的信噪比可以與使用鈦-藍寶石激光器獲得的太赫茲電磁波的信噪比相比擬。

圖7 TeraFlash時域光譜平臺

圖8 TeraFlash結構簡圖

圖9 TeraFlash1560

TeraFlash技術參數

產品應用

針對無損測試應用領域日益增長的需求,TOPTICA進一步擴展了其太赫茲儀器組合。今年在Photonics West,推出一款新產品-成像擴展的時域太赫茲光譜平臺TeraFlash。由于TeraFlash獨特的光譜的帶寬(0.1 - 5 THz),研究人員可以充分利用它成像與光譜相結合的潛力。

成像擴展使用兩個的線性平臺,通過聚焦的太赫茲光束掃描樣品。平移運動與TeraFlash中的延遲部件同步,顯著加快了測量速度,允許系統以每秒高達16個像素的速度采集完整波形,在15×15厘米的視場內定位精度優于200微米。

TOPTICA與德國柏林Fraunhofer Heinrich Hertz研究所的專家共同開發的成像擴展有兩個版本-為希望使用自己的光學元件的研究人員提供“基本”版本,以及包括用于光束整形和聚焦的拋物面反射鏡的“完整”版本。完整的成像擴展提供了獨特的靈活性:借助對齊引腳,用戶可以快速將光學元件從透射設置重新配置為反射,反之亦然。

兩種版本都具有功能強大的軟件包,可提供多種對比度參數,包括振幅,相位和層厚度。此外,用戶可以在時域和頻域中過濾原始數據,并沿樣本的任意橫截面生成幅度和高度分布。

太赫茲成像擴展的完整版本,反射(左)和透射(右)

以下圖片均為Toptica產品測試

安檢行李箱內物品識別

信封內物品識別

帶斷線的安全氣囊蓋成像

含有氣泡的塑料楔子的成像

太赫茲技術還可用于生物醫學、安全監測和質量控制、無損探傷、近距離無線通電和網絡,國防應用等。未來,隨著太赫茲技術的日益成熟,太赫茲應用技術必會被廣泛應用。TOPTICA作為業界領先的二極管激光器、飛秒光纖技術以及光學數據存儲產品及技術的供應商,會持續加大科研的投入,推出更先進的產品。

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