德国TOPTICA太赫兹系统介绍

太赫兹波介绍

太赫兹（Tera Hertz，简称THz）波通常是指频率在0．1～10 THz（波长在0．03～3 mm）波段的电磁波，我们感受不到它的存在，但它却实实在在地围绕在我们周围。

THz的长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，其发展主要依靠电子学科学技术，而它的短波段与红外线（远红外）相重合，其发展主要依靠光子学科学技术，所以太赫兹波是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域。这也决定了目前主要THz源的发展途径，其一是以太赫兹激光器为代表的激光光学技术，包括气体激光器、半导体激光器以及电子激光器等，这类技术来自于激光技术向长波方向的发展；其二是以微波元件为代表的真空电子技术，包括微波管、固体微波源以及耿氏二极管等，这类技术来自于微波技术向短波方向的发展；其三是超快激光技术，这类技术是THz向低频和高频同时发展。

图1． THz辐射在电磁波谱中的位置。

但是，光谱分析领域0．5～5 THz才具有重要意义，目前主要有两种方法，可以通过激光技术的间接方法获得。（1）依靠快速调制半导体天线中的光电流；（2）使用超短脉冲激光器照射光电开关。这两种方法使用的都是可见或者近红外的激光器：前者使用连续可调的二极管激光器，后者使用飞秒光纤激光器。

TOPTICA太赫兹系统介绍

TOPTICA Photonics公司对使用分布反馈二极管激光器和飞秒光纤激光器这两种产生太赫兹电磁波的方法进行了分析和比较，并建立了成熟卓越的产品。目前TOPTICA可为频域／时域太赫兹应用提供多种解决方案、组件和产品，所有这些组件都是完全模块化的，并且可以根据实验要求组合或升级。

1连续可调谐的太赫兹电磁波

图2 TeraScan频域光谱平台

图3 TeraScan结构简图

连续可调谐的太赫兹波可以通过两台具有相邻波长的激光器的差频混合来获得，如图2、图3。电磁波叠加在一个半导体天线的结构中，比如砷化镓（GaAs），此结构作为一个太赫兹波的辐射源。两种不同频率的激光束在半导体中产生光电流，通过调整这两束激光的频率差，就可以获得不同频率的太赫兹波。

波长处于800nm附近的分布反馈式（DFB）激光器特别适用于产生可调谐的太赫兹波。其主要优点是输出功率高、可调谐频率范围宽以及发射波长低于GaAs带隙。使用中心波长为780 nm附近的激光器可以获得0．4～2．2 THz调谐范围的电磁波（如图4）；使用1550 nm附近的激光器（InGaAs天线）可以获得频率范围为0．1～2．9 THz的电磁波（如图5）。工业上使用的大部分气体、化学试剂和炸药的吸收波段都被这些太赫兹电磁波段所覆盖。

图4 TeraScan 780

图5 TeraScan 1550

TeraScan技术参数

如果实验需要更高的功率（前提是光混合器也具有足够的损伤阈值），图3的系统可以改变成主振荡功率放大器系统。这样2台DFB半导体激光器同时被耦合进同一台半导体放大器中，该放大器可以输出功率为500～1000 mW的近衍射极限的光束。与此同时，DFB半导体激光器的调谐范围和光谱性质保持不变。

此外，TOPTICA开发了一种基于正交干涉仪的锁模技术，此技术可以通过计算机控制，获得频率误差在1 MHz的频率高度精确的太赫兹波，来实现某些精确检测和定量测量有害气体的测量。

图6北航老师使用TeraScan频域光谱平台的实验测试结果

2 时域宽带太赫兹波

太赫兹脉冲电磁波通过飞秒激光器和半导体天线组成的辐射源来获得。使用1560nm的飞秒脉冲入射产生自由电荷载流子，这些载流子可在内部或外部电场的作用下加速，电流的通断诱发了一种暂时性的、具有宽泛频谱范围的电磁场。这样，在近红外光谱范围内对应于谱线范围为0．1～5 THz、脉冲宽度为＜60 fs的太赫兹电磁波脉冲就产生了。太赫兹辐射源的方案之一是使用小型化、价格合理且可靠性强的超快光纤激光器。掺铒玻璃光纤飞秒激光器可以输出波长约1560 nm、脉冲宽度小于60 fs、平均功率高于60 mW的激光束。Toptica还提供更高功率的飞秒光纤激光器。TOPTICA公司的光纤激光器产生的太赫兹电磁波的信噪比可以与使用钛－蓝宝石激光器获得的太赫兹电磁波的信噪比相比拟。

图7 TeraFlash时域光谱平台

图8 TeraFlash结构简图

图9 TeraFlash1560

TeraFlash技术参数

产品应用

针对无损测试应用领域日益增长的需求，TOPTICA进一步扩展了其太赫兹仪器组合。今年在Photonics West，推出一款新产品－成像扩展的时域太赫兹光谱平台TeraFlash。由于TeraFlash独特的光谱的带宽（0．1 － 5 THz），研究人员可以充分利用它成像与光谱相结合的潜力。

成像扩展使用两个精确的线性平台，通过聚焦的太赫兹光束扫描样品。平移运动与TeraFlash中的延迟部件同步，显著加快了测量速度，允许系统以每秒高达16个像素的速度采集完整波形，在15×15厘米的视场内定位精度优于200微米。

TOPTICA与德国柏林Fraunhofer Heinrich Hertz研究所的专家共同开发的成像扩展有两个版本－为希望使用自己的光学元件的研究人员提供“基本”版本，以及包括用于光束整形和聚焦的抛物面反射镜的“完整”版本。完整的成像扩展提供了独特的灵活性：借助对齐引脚，用户可以快速将光学元件从透射设置重新配置为反射，反之亦然。

两种版本都具有功能强大的软件包，可提供多种对比度参数，包括振幅，相位和层厚度。此外，用户可以在时域和频域中过滤原始数据，并沿样本的任意横截面生成幅度和高度分布。

太赫兹成像扩展的完整版本，反射（左）和透射（右）

以下图片均为Toptica产品测试

安检行李箱内物品识别

信封内物品识别

带断线的安全气囊盖成像

含有气泡的塑料楔子的成像

太赫兹技术还可用于生物医学、安全监测和质量控制、无损探伤、近距离无线通电和网络，国防应用等。未来，随着太赫兹技术的日益成熟，太赫兹应用技术必会被广泛应用。TOPTICA作为业界领先的二极管激光器、飞秒光纤技术以及光学数据存储产品及技术的供应商，会持续加大科研的投入，推出更先进的产品。

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