專利名稱：太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太赫茲波段的時間分辨傅立葉變換光譜儀，尤其是指一種具有納秒級時間分辨率的太赫茲波段的時間分辨傅立葉變換光譜儀。
背景技術：
太赫茲(THz)波是指電磁波譜中頻率從IOOGHz到30THz (ITHz = IO12Hz)，相應波長從3毫米到10微米，介于毫米波與紅外光之間的電磁波譜區(qū)域。長期以來由于缺乏高效的THz源和高靈敏度的檢測手段，使得這一波譜區(qū)成為整個電磁波譜中存留的唯一未被充分開發(fā)利用的區(qū)域。THz技術應用的核心部件之一是THz探測器。目前發(fā)展較為成熟的THz探測器包括廣泛應用于THz時域譜技術的電光晶體探測器；基于LiTaO3晶體的單元和陣列焦熱電探測器，此類探測器有較高探測靈敏度、寬光譜響應范圍和室溫工作的優(yōu)點；高靈敏度Si熱釋電探測器；應用于宇宙微波、THz背景輻射觀測的基于低溫超導薄膜的約瑟夫森結和熱電子熱釋電外差THz探測器?；诎雽w低維結構的THz量子阱光子探測器于2004年研制成功。此探測器器件結構包括陽極和陰極，之間有十幾到幾十層GaAs/(Alja)As多量子阱，摻雜的電子被束縛在量子阱中。與其它種類的THz探測器相比，THz量子阱光子探測器的響應時間決定于共振吸收特征時間、在準連續(xù)態(tài)上的漂移速度和光生載流子的弛豫時間，如果不考慮電路的寄生效應，探測響應時間在幾皮秒到幾十皮秒之間，這意味著THz量子阱光子可應用于高頻和高速THz探測，這是其它THz探測器所不具備的。THz技術的一項潛在應用是THz無線通信。另外由于生物大分子的C-H、C_N、C-C 鍵等的振轉能級和集體振動模式在THz頻段有豐富的指紋譜，THz技術為生命科學的研究提供了新的探測手段。同時，由于THz波對生物組織的水含量敏感，因此THz波能夠用于某些疾病的診斷。構建具有較高時間分辨本領的THz光譜系統(tǒng)，將為研究高速THz通信生物活性物質的動力學行為提供強有力的工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案一種太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，包括邁克爾遜干涉儀；樣品室，位于邁克爾遜干涉儀的輸入端；THz量子阱光子探測器，位于邁克爾遜干涉儀的輸出端；鎖相放大器，與THz量子阱光子探測器相連，接收并放大THz量子阱光子探測器探測到的信號；
控制計算機，與鎖相放大器相連，接收經(jīng)鎖相放大器放大的信號；并且所述控制計算機還與邁克爾遜干涉儀的動鏡相連，控制動鏡位置實現(xiàn)動鏡的定步長移動；THz源和調制信號模塊，將帶有擾動信號的THz激光發(fā)射到樣品室，并將擾動信號發(fā)送至鎖相放大器，經(jīng)鎖相放大器放大后發(fā)送給控制計算機。其中，所述THz量子阱光子探測器安裝于液氦杜瓦瓶中，該液氦杜瓦瓶與制冷機相連，用于對所述THz量子阱光子探測器冷卻。所述制冷機可采用閉循環(huán)機械制冷機。所述 THz量子阱光子探測器通過SMA (SubMiniature version Α)基座安裝于液氦杜瓦瓶中，采用半剛性不銹鋼同軸線通過真空密閉的BNC^ayonetNeill-Concelman)接頭與外部連接。所述液氦杜瓦瓶利用聚乙烯或聚丙烯作為入射窗口，使邁克爾遜干涉儀輸出端輸出的激光通過所述入射窗口發(fā)射到所述THz量子阱光子探測器上。所述樣品室為杜瓦瓶，利用聚乙烯或聚丙烯作為出射窗，使樣品室中的待測激光通過所述出射窗發(fā)射入邁克爾遜干涉儀的輸入端。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述THz量子阱光子探測器采用分子束外延生長的GaAs 和(Al，fet)As組成的多量子阱結構，其中(Al，fei)As表示GaAs晶體中部分( 原子被Al原子替代。本發(fā)明的有益效果在于傳統(tǒng)商用中遠紅外傅立葉變換光譜儀一般采用室溫工作的DTGS-PE或液氦 (4. 2K)溫度下工作的Si熱釋電探測器，這些常用的探測器的極限時間分辨率在毫秒量級。 本發(fā)明提出用THz量子阱光子探測器代替DTGS-PE和Si熱釋電探測器，采用步進掃描的測量方式，使傅立葉變換光譜儀在THz頻段具有納秒量級的時間分辨能力，可用于THz無線光通信中器件的光電響應特性的瞬態(tài)響應、THz無線光通信中器件的熱特性以及器件封裝工藝對輸出特性和有機大分子對THz光激勵的瞬態(tài)響應等的分析。該發(fā)明的主要優(yōu)點是將現(xiàn)有的商用傅立葉變換光譜儀在THz頻段的時間分辨率提高了約IO6倍，為研制THz高頻器件和應用提供了研究手段。


以下是對本發(fā)明涉及的各示意圖的闡述。圖1是本發(fā)明太赫茲波段的納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀的示意圖。圖2是采用蒙特卡洛模擬得到的在0. 5納秒THz光輻照下的隨時間變化的光電流。圖3是分別采用THz量子阱光子探測器(實線)和DTGS-PE探測器(虛線)得到的THz量子級聯(lián)激光器的發(fā)射譜，激光器驅動電流分別為0. 342,0. 372和0. 412安培。
具體實施例方式下面結合附圖進一步介紹THz量子阱光子探測器的光響應譜的標定方法、高速響應能力理論分析方法以及其與現(xiàn)有光譜儀的集成，并給出本發(fā)明關鍵技術的驗證，說明本發(fā)明內(nèi)容的可行性。首先，對THz量子阱光子探測器的時間響應特性進行模擬聯(lián)立求解薛定諤方程和泊松方程，求得能級位置和波函數(shù)，然后根據(jù)費米黃金規(guī)則，計算電子-聲子、電子-雜質散射。采用蒙特卡洛方法求解半經(jīng)典玻爾茲曼電子輸運方程，計算THz量子阱光子探測器的特征響應時間。其中，采用蒙特卡洛方法求解電子輸運的玻爾茲曼方程，在微觀層面上考慮電子-聲子散射、電子-離化雜質散射，考慮了電場在器件上的不均勻分布，能夠定量的模擬光響應譜隨著時間的變化。THz量子阱光子探測器瞬態(tài)響應的蒙特卡洛模擬研究結果如圖2所示，在0. 5納秒 THz光脈沖激勵下，瞬態(tài)光電流的半高寬為3. 0納秒，滿足THz波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀的要求。這里的THz量子阱光子探測器采用分子束外延生長的GaAs/(Al，Ga)As 多量子阱結構，在量子阱中摻雜Si，在量子阱中引入束縛電子。由計算結果可見，電子-離化雜質散射以及電子在量子阱中的熱弛豫對響應速度影響很大，通過優(yōu)化設計，還有望提高器件的響應速度。而探測器的響應速度，決定了光譜儀的時間分辨率。THz量子阱光子探測器的高頻響應特性分析根據(jù)光學外差原理，如果有兩束頻率分別為Co1和ω2(設Co1 > ω2)的THz激光照射到THz量子阱光子探測器上，由于器件的光響應譜比激光器的發(fā)射譜要寬得多，如果ω「ω2在數(shù)十GHz范圍內(nèi)，可以使0^和ω2
同時處于峰值響應率附近，此時光電流可表示為/ = /。+ Z1 + /2 + 24 Τ2^[(ωχ - <y2>]，等
式右側前三項分別為暗電流、兩束激光分別引起的光電流的直流分量，第四項為其交流分量，對此交流分量進行探測和分析，可以得到器件的高頻響應特性。通常，光譜儀的電學部分主要包括具有模數(shù)轉換功能的數(shù)據(jù)采集卡、時間延遲器和前置放大器等，這些電學模塊的時間分辨率都可以達到納秒量級，而一般室溫工作的 DTGS-PE或液氦(4. 2K)溫度下工作的Si熱釋電探測器等常用的探測器的極限時間分辨率在毫秒量級限制了光譜儀的時間分辨能力。通過對THz量子阱光子探測器的研究分析表明，THz量子阱光子探測器具有納秒量級的時間分辨率，滿足THz波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀對探測器的要求。所以本發(fā)明采用時間分辨率在納秒量級的THz量子阱光子探測器代替DTGS-PE和Si熱釋電探測器，可以保證傅立葉變換光譜儀具有納秒量級的時間分辨率。由于THz量子阱光子探測器的光譜響應區(qū)域較窄，測量譜的范圍約為1. 5THz，采用 GaAs/(Al, Ga)As材料體系，利用2_3個響應峰值不同的探測器可以覆蓋3. 0-6. OTHz。本實施例通過對帶有外置探測器接口的普通商用傅立葉變換光譜儀進行改裝，將 THz量子阱光子探測器集成在普通商用傅立葉變換光譜儀中，即可實現(xiàn)本發(fā)明的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀。如圖1所示，太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，包括邁克爾遜干涉儀，位于邁克爾遜干涉儀輸入端的樣品室，位于邁克爾遜干涉儀輸出端的THz量子阱光子探測器，鎖相放大器，控制計算機，以及THz源和調制信號模塊。其中，邁克爾遜干涉儀是傅立葉變換光譜儀中常用的，包括定鏡、動鏡和分束器。 待測光束從其入射端進入由分束器一分為二，一束透射到動鏡，另一束反射到定鏡。透射到動鏡的光被反射到分束器后分成兩部分，一部分透射返回入射端，另一部分經(jīng)反射到達出射端；反射到定鏡的光再經(jīng)過定鏡的反射作用到達分束器.一部分經(jīng)過分束器的反射作用返回入射端，另一部分透過分束器到達出射端。也就是說，在干涉儀的出射端有兩束光，這兩束相干光被加和，移動動鏡可改變兩光束的光程差，從而產(chǎn)生干涉，對此干涉傅立葉變換即可得到光譜。本發(fā)明中，THz源和調制信號模塊一方面將帶有擾動信號的THz激光發(fā)射到樣品室，另一方面將擾動信號發(fā)送至鎖相放大器，經(jīng)鎖相放大器放大后發(fā)送給控制計算機。樣品室中可以放置樣品，樣品受輻照后，攜帶樣品信息的透(反)射光進入邁克耳遜干涉儀的入射端進行檢測；當然也可以不在樣品室內(nèi)放置樣品，而將待測激光通過樣品室直接發(fā)射入邁克耳遜干涉儀的入射端進行檢測。待測激光經(jīng)邁克耳遜干涉儀分光后由THz量子阱光子探測器探測，再由鎖相放大器放大，將采集到的待測激光的譜信息發(fā)送給控制計算機?？刂朴嬎銠C可以根據(jù)接收到的擾動信號和控制計算機中步進掃描模塊預先設定的時間延遲來控制邁克耳遜干涉儀的動鏡，實現(xiàn)動鏡的定步長移動(步進掃描)；控制計算機將采集到的光強(待測激光的譜信息)和所對應動鏡位置的數(shù)據(jù)，經(jīng)傅立葉變換后得到光譜。改變設定的時間延遲，就可以得到待測激光與時間相關的信息。其中，THz量子阱光子探測器安裝于液氦杜瓦瓶中，該液氦杜瓦瓶與閉循環(huán)機械制冷機相連，用于對所述THz量子阱光子探測器冷卻。利用液氦杜瓦對THz量子阱光子探測器進行制冷，避免采用其它類型制冷手段引入電磁干擾、振動等影響測量精度的因素。所述 THz量子阱光子探測器通過與液氦杜瓦冷頭熱連接良好的SMA基座安裝于液氦杜瓦瓶中， 采用半剛性不銹鋼同軸線通過真空密閉的BNC接頭與外部連接，以降低寄生電容的影響。 所述液氦杜瓦瓶利用聚乙烯或聚丙烯作為入射窗口，使邁克爾遜干涉儀輸出端輸出的激光通過所述入射窗口發(fā)射到所述THz量子阱光子探測器上。所述樣品室為杜瓦瓶，利用聚乙烯或聚丙烯作為出射窗，使樣品室中的待測激光通過所述出射窗發(fā)射入邁克爾遜干涉儀的輸入端。采用兩片聚乙(丙)烯為光學窗口，既保證了 THz光的通過，又保證了光譜儀和液氦杜瓦的真空密閉，避免水汽對光譜測量的影響。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，THz量子阱光子探測器可采用分子束外延生長的GaAs/ (Al，Ga)As多量子阱結構，在量子阱中摻雜Si，在量子阱中引入束縛電子，所述THz量子阱光子探測器的光敏面采用與量子阱生長方向45度磨角實現(xiàn)光耦合。下面將以布魯克公司的IFS66V/S型傅立葉變換光譜儀為例，利用IFS66V/s型光譜儀外置探測器接口集成THz量子阱光子探測器。以THz量子級聯(lián)激光器作為THz源和調制信號模塊中的THz源，測量了 THz量子級聯(lián)激光器的發(fā)射譜，如圖3所示，得到了較滿意的結果。本發(fā)明中涉及的其他技術屬于本領域技術人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術方案均應涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當中。
權利要求
1.一種太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于，包括邁克爾遜干涉儀；樣品室，位于邁克爾遜干涉儀的輸入端；THz量子阱光子探測器，位于邁克爾遜干涉儀的輸出端；鎖相放大器，與THz量子阱光子探測器相連，接收并放大THz量子阱光子探測器探測到的信號；控制計算機，與鎖相放大器相連，接收經(jīng)鎖相放大器放大的信號；并且所述控制計算機還與邁克爾遜干涉儀的動鏡相連，控制動鏡位置實現(xiàn)動鏡的定步長移動；THz源和調制信號模塊，將帶有擾動信號的THz激光發(fā)射到樣品室，并將擾動信號發(fā)送至鎖相放大器，經(jīng)鎖相放大器放大后發(fā)送給控制計算機。
2.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述THz量子阱光子探測器安裝于液氦杜瓦瓶中。
3.根據(jù)權利要求2所述的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述液氦杜瓦瓶與制冷機相連。
4.根據(jù)權利要求3所述的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述制冷機為閉循環(huán)機械制冷機。
5.根據(jù)權利要求2所述的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述THz量子阱光子探測器通過SMA基座安裝于液氦杜瓦瓶中。
6.根據(jù)權利要求2所述的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述THz量子阱光子探測器采用半剛性不銹鋼同軸線通過真空密閉的BNC接頭與外部連接。
7.根據(jù)權利要求2所述的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述液氦杜瓦瓶利用聚乙烯或聚丙烯作為入射窗口，使邁克爾遜干涉儀輸出端輸出的激光通過所述入射窗口發(fā)射到所述THz量子阱光子探測器上。
8.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述樣品室為杜瓦瓶，其利用聚乙烯或聚丙烯作為出射窗，使樣品室中的待測激光通過所述出射窗發(fā)射入邁克爾遜干涉儀的輸入端。
9.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述THz量子阱光子探測器采用分子束外延生長的GaAs和(Al，Ga)As組成的多量子阱結構，其中(Al，Ga) As表示GaAs晶體中部分( 原子被Al原子替代。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀，包括邁克爾遜干涉儀；位于邁克爾遜干涉儀輸入端的樣品室；位于邁克爾遜干涉儀輸出端的THz量子阱光子探測器；THz源和調制信號模塊、鎖相放大器以及控制計算機。鎖相放大器與THz量子阱光子探測器相連；控制計算機與鎖相放大器相連，并且還與邁克爾遜干涉儀的動鏡相連，控制動鏡位置實現(xiàn)動鏡的定步長移動；THz源和調制信號模塊將帶有擾動信號的THz激光發(fā)射到樣品室，并將擾動信號發(fā)送至鎖相放大器，經(jīng)鎖相放大器放大后發(fā)送給控制計算機。本發(fā)明用THz量子阱光子探測器代替DTGS-PE和Si熱釋電探測器，大大提高了傅立葉變換光譜儀在THz波段的時間分辨率。
文檔編號G01J3/45GK102346071SQ20101024402
公開日2012年2月8日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權日2010年8月3日
發(fā)明者曹俊誠, 譚智勇, 郭旭光, 韓英軍, 黎華 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所