[發明專利]太赫茲波段納秒時間分辨傅立葉變換光譜儀

無效

• 申請號: 201010244022.4
• 申請日: 2010-08-03
• 公開（公告）號: CN102346071A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發明（設計）人: 郭旭光;曹俊誠;譚智勇;韓英軍;黎華
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01J3/45
• 分類號: G01J3/45
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發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100GHz到30THz(1THz＝10¹²Hz)，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，使得這一波譜區成為整個電磁波譜中存留的唯一未被充分開發利用的區域。

THz技術應用的核心部件之一是THz探測器。目前發展較為成熟的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。基于半導體低維結構的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/(Al，Ga)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、在準連續態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，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。

發明內容

本發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激光發射到樣品室，并將擾動信號發送至鎖相放大器，經鎖相放大器放大后發送給控制計算機。

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機械制冷機。所述THz量子阱光子探測器通過SMA(SubMiniature?version?A)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(BayonetNeill-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射入邁克爾遜干涉儀的輸入端。

作為本發明的優選方案，所述THz量子阱光子探測器采用分子束外延生長的GaAs和(Al，Ga)As組成的多量子阱結構，其中(Al，Ga)As表示GaAs晶體中部分Ga原子被Al原子替代。

本發明的有益效果在于：

傳統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光激勵的瞬態響應等的分析。