盧志軍，劉 偉，于 淼，王 彪

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100028；2.航空工業(yè)北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所，北京 101111；3.狀態(tài)監(jiān)測(cè)特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101111)

太赫茲(THz)波一般指電磁頻譜上頻率在0.1～10 THz之間、波長(zhǎng)范圍在0.03～3 mm之間的電磁波，其介于微波和紅外波之間[1]。從頻率上看，該波段屬于遠(yuǎn)紅外波段，從能量輻射上看，其大小在電子和光子之間，屬于宏觀(guān)電子學(xué)向微觀(guān)光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)，如圖1所示。由于太赫茲波段的特殊性，其具有以下獨(dú)特的物理性質(zhì)[2]。

圖1 太赫茲波段

① 穿透性良好。許多非金屬、非極性材料，例如陶瓷、泡沫、塑料、橡膠等在太赫茲波段內(nèi)缺乏相應(yīng)的振動(dòng)模式且散射率較低，因此太赫茲波對(duì)其具有良好的穿透性。

② 能級(jí)低。太赫茲波具有較低的光子能，僅為10-3eV，為X射線(xiàn)光子能的百萬(wàn)分之一，不會(huì)引起有害電離而破壞被檢測(cè)物質(zhì)，因此具有安全、綠色的檢測(cè)特點(diǎn)。

③ 吸水性。太赫茲輻射對(duì)水分子有強(qiáng)烈的吸收特性，因此可用于分析被測(cè)物中的水分含量。

④ 高分辨率。太赫茲波的短波長(zhǎng)特性使其在成像應(yīng)用中有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率時(shí)具有更大的景深。

⑤ 相干性。太赫茲相干測(cè)量技術(shù)能夠直接測(cè)量場(chǎng)的振幅和相位，從而能夠方便地提取被測(cè)物的折射率、吸收率等光學(xué)參數(shù)。

太赫茲波由于具有以上優(yōu)良特性，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如雷達(dá)通信[3]、生物醫(yī)學(xué)[4]、公共安全[5]、無(wú)損檢測(cè)[6-7]等。

根據(jù)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，太赫茲波可以分為脈沖波和連續(xù)波，本文主要介紹太赫茲脈沖波。20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)[8]就是產(chǎn)生太赫茲脈沖波。由于太赫茲脈沖具有脈寬窄、帶寬寬等特點(diǎn)，特別適合用于厚度測(cè)量、缺陷成像、物質(zhì)探測(cè)等領(lǐng)域。雖然太赫茲波段的存在早已被人們所知曉，但是太赫茲波段的特性卻一直不被人們所熟知，主要是因?yàn)闊o(wú)論是傳統(tǒng)的光學(xué)方法還是電學(xué)方法，都難以產(chǎn)生太赫茲波。直到近 20 年，超快電子技術(shù)、微電子技術(shù)和激光技術(shù)等的迅速發(fā)展，為太赫茲波的產(chǎn)生提供了技術(shù)方法。太赫茲波的產(chǎn)生一方面可以將亞毫米波上變頻到太赫茲波段，另一方面可以將紅外波或者可見(jiàn)光下變頻到太赫茲波段，此外還可以采用真空電子學(xué)或者固態(tài)電子學(xué)等方式來(lái)獲得太赫茲波。

目前比較成熟的太赫茲脈沖波產(chǎn)生方法主要有光電導(dǎo)天線(xiàn)、光整流和空氣等離子體等，這3種方法都是利用超短脈沖產(chǎn)生太赫茲波，而基于光電導(dǎo)天線(xiàn)的太赫茲脈沖產(chǎn)生方法可以實(shí)現(xiàn)光纖耦合，更利于小型化及工程化。

基于光電導(dǎo)天線(xiàn)的光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜采樣技術(shù)主要有3種，分別為等效時(shí)間采樣法、異步采樣法和腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣法，本文將針對(duì)這3種采樣方法及對(duì)應(yīng)的光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)進(jìn)行分析與介紹，為后續(xù)開(kāi)展基于不同應(yīng)用需求的光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)自主搭建提供技術(shù)參考與支持。

1 光電導(dǎo)天線(xiàn)產(chǎn)生探測(cè)太赫茲脈沖原理

光電導(dǎo)天線(xiàn)法產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲波都是利用光電導(dǎo)體[9]。光電導(dǎo)體可以看成一種在激光作用下電導(dǎo)發(fā)生變化的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。當(dāng)一束飛秒(10-15)激光脈沖打到光電導(dǎo)體上時(shí)，若入射飛秒激光的光子能量大于該光電導(dǎo)體的能量帶隙，則在光電導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)在外加偏置電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，從而形成瞬變的光電流，這些瞬變的電流會(huì)向外輻射太赫茲脈沖波，通常太赫茲脈沖的脈寬在皮秒(10-12)量級(jí)，其原理示意圖如圖2所示。

圖2 光電導(dǎo)天線(xiàn)產(chǎn)生太赫茲脈沖

太赫茲輻射強(qiáng)度如下[10]：

(1)

式中，A為光生載流子的照射面積;ε0為真空介電常數(shù);c為光在真空中的傳播速度;z為被測(cè)點(diǎn)與信號(hào)源的距離;N為光生自由電子的密度;e為電子電荷;μ為電子遷移率;Eb為偏置電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)。

通過(guò)式(1)可知，光電導(dǎo)天線(xiàn)產(chǎn)生的太赫茲脈沖信號(hào)的強(qiáng)度主要與電子遷移率、偏置電場(chǎng)強(qiáng)度和自由電子密度有關(guān)。因此想要獲得更強(qiáng)的太赫茲脈沖信號(hào)，光電導(dǎo)體材料須具有更高的電子遷移率、更低的帶隙、更短的載流子壽命和更高的擊穿電壓。

對(duì)于太赫茲脈沖信號(hào)的接收探測(cè)，同樣利用光電導(dǎo)天線(xiàn)，可以看作是光電導(dǎo)天線(xiàn)產(chǎn)生太赫茲脈沖的逆過(guò)程。一束飛秒激光作為探測(cè)光照射到光電導(dǎo)天線(xiàn)上，使光電導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，與此同時(shí)太赫茲脈沖也照射到光電導(dǎo)天線(xiàn)上，則可將太赫茲脈沖看作電場(chǎng)施加于光電導(dǎo)體上，使光電導(dǎo)體內(nèi)部的光生載流子加速運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。該感應(yīng)電流正比于照射在光電導(dǎo)天線(xiàn)的太赫茲脈沖的強(qiáng)度。光電導(dǎo)天線(xiàn)產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲脈沖波示意圖如圖3所示。

圖3 產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲脈沖波示意圖

2 光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜采樣方法

2.1 等效時(shí)間采樣法

以光電導(dǎo)天線(xiàn)作為產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲脈沖波的典型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)(Terahertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)原理如圖4所示。

圖4 光電導(dǎo)天線(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)原理

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)根據(jù)對(duì)樣品不同的檢測(cè)方式可分為透射式和反射式。這兩種工作方式的基本原理相同，只是透射式是指太赫茲波透過(guò)樣品被探測(cè)，反射式是指太赫茲波從樣品反射后被探測(cè)。其基本原理為：從飛秒激光器發(fā)出一束飛秒激光，經(jīng)分束器后被分為一強(qiáng)一弱兩束光，其中一束較強(qiáng)的飛秒激光作為泵浦光，照射到光電導(dǎo)發(fā)射天線(xiàn)上產(chǎn)生太赫茲脈沖波。另一束較弱的飛秒激光照射到光電導(dǎo)探測(cè)天線(xiàn)上，為太赫茲脈沖波探測(cè)提供探測(cè)光。當(dāng)經(jīng)過(guò)樣品后的載有樣品信息的太赫茲脈沖波照射到光電導(dǎo)探測(cè)天線(xiàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過(guò)采集處理后在顯示終端進(jìn)行顯示[11]。

由這種方法產(chǎn)生的太赫茲脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率與用于泵浦的飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率相同，對(duì)于這樣的瞬態(tài)信號(hào)，常采用實(shí)時(shí)采樣方法，即對(duì)被采樣信號(hào)利用奈奎斯特采樣定理在一段時(shí)間內(nèi)抽取足夠多的采樣點(diǎn)，這對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)頻率要求過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)。因此針對(duì)這樣的周期性超快信號(hào)，可采用等效時(shí)間采樣，這種方法通過(guò)抽取不同周期上的信號(hào)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被采樣信號(hào)的重建，其原理如圖5所示。

圖5 等效時(shí)間采樣原理

為了實(shí)現(xiàn)等效時(shí)間采樣，普遍采用光機(jī)延遲線(xiàn)結(jié)構(gòu)[12]。這種結(jié)構(gòu)是在精密移動(dòng)平臺(tái)上放置一對(duì)成45°角的平面全反鏡，使采樣光經(jīng)過(guò)該平面鏡組，利用精密平移臺(tái)的移動(dòng)帶動(dòng)平面鏡組移動(dòng)，從而改變光程。其原理如圖6所示。當(dāng)平面鏡組移動(dòng)ΔL時(shí)，時(shí)間延遲Δt=2nΔL/c，其中，n為折射率，c為光速。

圖6 光機(jī)延遲線(xiàn)原理

以光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)為例，以光電導(dǎo)天線(xiàn)作為產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲脈沖波的典型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示，該系統(tǒng)主要由光纖飛秒激光器、延遲線(xiàn)、光電導(dǎo)天線(xiàn)、信號(hào)調(diào)理和采集單元組成。

圖7 光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前典型的光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括美國(guó)Picometrix公司的T-Ray5000和德國(guó)Menlo Systems公司的TERA-K15-SYNC產(chǎn)品，如圖8所示。以等效時(shí)間采樣法實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜采樣的特點(diǎn)是系統(tǒng)比較穩(wěn)定，信噪比較高，但由于采用機(jī)械步進(jìn)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲脈沖的逐點(diǎn)采樣掃描，其掃描速率較低。通過(guò)采用快速掃描電機(jī)，例如音圈電機(jī)或振鏡，掃描速率可以達(dá)到幾十赫茲。例如TERA-K15-SYNC產(chǎn)品，其帶寬為5 THz，信噪比為90 dB，掃描速率>20 Hz。

圖8 典型產(chǎn)品

2.2 異步采樣法

異步采樣法最初在1987年被提出[13]，該方法不依賴(lài)機(jī)械延遲線(xiàn)，相當(dāng)于把機(jī)械延遲裝置控制探測(cè)脈沖與泵浦脈沖之間的延遲替換成了通過(guò)控制兩臺(tái)飛秒激光器的重復(fù)頻率來(lái)控制兩個(gè)脈沖的延遲。其原理是使用兩臺(tái)鎖模激光器，其中一臺(tái)作為泵浦激光發(fā)射器，另一臺(tái)作為探測(cè)激光發(fā)射器，兩者的重復(fù)頻率具有固定差值，每個(gè)脈沖之間的相對(duì)時(shí)間延遲從零到泵浦脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。泵浦激光發(fā)射器照射光電導(dǎo)發(fā)射天線(xiàn)，產(chǎn)生重復(fù)頻率與泵浦激光發(fā)射器重復(fù)頻率相同的太赫茲脈沖波；探測(cè)激光發(fā)射器照射光電導(dǎo)接收天線(xiàn)，以與探測(cè)激光發(fā)射器重復(fù)頻率相同頻率的探測(cè)光實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲脈沖波的采樣。當(dāng)在某個(gè)脈沖時(shí)刻，探測(cè)光脈沖與產(chǎn)生的太赫茲脈沖在時(shí)間上重合，由于其重復(fù)頻率不同，會(huì)在下一脈沖時(shí)刻使探測(cè)光脈沖與太赫茲波脈沖之間出現(xiàn)一個(gè)時(shí)間差，后面的每個(gè)脈沖時(shí)刻兩者都依次增加一個(gè)時(shí)間差，直到兩者再次重合為止。太赫茲脈沖異步采樣原理如圖9所示[14]。

圖9 太赫茲脈沖異步采樣原理

假設(shè)采樣信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)為n，探測(cè)脈沖的重復(fù)頻率為fr，太赫茲脈沖重復(fù)頻率為fr+Δf，則有：

(2)

那么探測(cè)一個(gè)完整太赫茲脈沖的時(shí)間為

(3)

探測(cè)脈沖和泵浦脈沖之間的時(shí)間差為

(4)

采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為

(5)

對(duì)單個(gè)太赫茲脈沖采集對(duì)應(yīng)的時(shí)間窗口為

(6)

式中，Δf為探測(cè)脈沖和泵浦脈沖之間的頻率差。

通過(guò)以上公式可以看出，掃描單個(gè)太赫茲脈沖的時(shí)間只與兩臺(tái)激光器的重負(fù)頻率之差有關(guān)，系統(tǒng)的理論頻譜分辨率等于激光器的重復(fù)頻率。

在異步采樣方法中，掃描延遲時(shí)間等于泵浦激光發(fā)射器與探測(cè)激光發(fā)射器的相鄰飛秒激光脈沖之間的時(shí)間間隔，掃描頻率等于兩者的重復(fù)頻率之差。異步采樣方法的優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有機(jī)械延遲裝置、掃描速度快、測(cè)量精度高，但該方法需要兩臺(tái)飛秒激光器，系統(tǒng)成本較高，而且需要控制兩臺(tái)激光器的重復(fù)頻率，控制難度高。異步采樣太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 異步采樣太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前典型的異步采樣光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括日本Advantest公司的TAS7500系列產(chǎn)品和德國(guó)Menlo Systems公司的TERA ASOPS系統(tǒng)，如圖11所示。以異步采樣法實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜采樣的特點(diǎn)是掃描速率快，可以達(dá)到 kHz 級(jí)別，但是雙激光器系統(tǒng)成本高，控制難度大。例如TERA ASOPS系統(tǒng)，其帶寬>3 THz，信噪比達(dá)60 dB，掃描速率>1 kHz，比采用快速掃描電機(jī)的等效時(shí)間采樣法的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)提高了50倍。

圖11 異步采樣太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)典型產(chǎn)品

2.3 腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣法

腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣法(Optical Sampling by Cavity Tuning，OSCAT)不需要任何外部機(jī)械平臺(tái)延遲線(xiàn)，僅需要一臺(tái)飛秒激光器，通過(guò)對(duì)激光器重復(fù)頻率的控制調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲脈沖信號(hào)的探測(cè)。其原理如圖12所示[15]。

圖12 腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣原理

一束飛秒激光被分束器分為兩束飛秒脈沖串，脈沖串1作為泵浦光用于產(chǎn)生太赫茲脈沖波，脈沖串2作為探測(cè)光用于探測(cè)太赫茲脈沖波，脈沖串2比脈沖串1延遲的時(shí)間為td，延遲光路長(zhǎng)度為ld，則有

Δt=td-aτrep

(7)

式中，Δt為第i個(gè)脈沖和第i+a個(gè)脈沖之間的時(shí)延，a為延遲的脈沖個(gè)數(shù)；τrep為激光器重復(fù)周期，與重復(fù)頻率frep為倒數(shù)關(guān)系。

一般考慮a=0，此時(shí)時(shí)間延遲Δt與激光器的重復(fù)頻率相關(guān)。當(dāng)光路長(zhǎng)度保持不變(ld為常數(shù))時(shí)，脈沖延遲是隨著激光器的重復(fù)頻率而變化的。設(shè)激光器的重復(fù)頻率變化范圍為fmin～fmax(fmin為激光器重復(fù)頻率最小值，fmax為激光器重復(fù)頻率最大值)，則掃描范圍Δtvar=Δtmax-Δtmin可以表示為

(8)

因此，可以得到：

(9)

式中，c0為真空中的光速；n為激光脈沖傳輸介質(zhì)的折射率。

由以上公式可知，通過(guò)控制調(diào)節(jié)飛秒激光器的重復(fù)頻率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲脈沖信號(hào)的探測(cè)。

腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。

圖13 腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣太赫茲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前典型的腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括Menlo Systems公司的TERA OSCAT系統(tǒng)，如圖14所示。以腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣法實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜采樣的特點(diǎn)是掃描速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)小型化，但其頻率控制難度較大、信噪比較低。例如TERA OSCAT系統(tǒng)，其在高速模式下，帶寬>1 THz，信噪比>35 dB，掃描速率>200 waveforms/s。

圖14 TERA OSCAT系統(tǒng)

為比較腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣法和采用快速掃描電機(jī)的等效時(shí)間采樣法的掃描速度，利用一塊夾雜了金屬片的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，掃描范圍為57 mm×60 mm，如圖15(a)所示。利用TERA-K15-SYNC系統(tǒng)進(jìn)行掃描成像，數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為5 h，而采用TERA OSCAT系統(tǒng)進(jìn)行掃描成像，數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為15 min，掃描速率提高了20倍。利用上述兩種系統(tǒng)掃描的成像結(jié)果如圖15(b)和圖15(c)所示。

圖15 樣件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)光電導(dǎo)天線(xiàn)產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲脈沖的原理進(jìn)行了介紹，然后介紹了3種基于光電導(dǎo)天線(xiàn)的光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的采樣方法。其中基于等效時(shí)間采樣方法的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較好、成本較低，但由于存在機(jī)械掃描延遲線(xiàn)導(dǎo)致掃描速度較低；基于異步采樣法的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)沒(méi)有機(jī)械延遲裝置，掃描速度快，但該系統(tǒng)成本較高，控制難度大；基于腔長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)采樣法的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)同樣不需要機(jī)械平臺(tái)延遲線(xiàn)，而且僅需要一臺(tái)激光器，掃描速度快、成本較低，但需要激光器穩(wěn)定性較好，控制精度高。同時(shí)，針對(duì)3種采樣方法，文中給出了典型的光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，為太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)應(yīng)用研究和自主搭建提供了參考。