专利名称：太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太赫兹波段的时间分辨傅立叶变换光谱仪，尤其是指一种具有纳秒级时间分辨率的太赫兹波段的时间分辨傅立叶变换光谱仪。
背景技术：
太赫兹(THz)波是指电磁波谱中频率从IOOGHz到30THz (ITHz = IO12Hz)，相应波长从3毫米到10微米，介于毫米波与红外光之间的电磁波谱区域。长期以来由于缺乏高效的THz源和高灵敏度的检测手段，使得这一波谱区成为整个电磁波谱中存留的唯一未被充分开发利用的区域。THz技术应用的核心部件之一是THz探测器。目前发展较为成熟的THz探测器包括广泛应用于THz时域谱技术的电光晶体探测器；基于LiTaO3晶体的单元和阵列焦热电探测器，此类探测器有较高探测灵敏度、宽光谱响应范围和室温工作的优点；高灵敏度Si热释电探测器；应用于宇宙微波、THz背景辐射观测的基于低温超导薄膜的约瑟夫森结和热电子热释电外差THz探测器。基于半导体低维结构的THz量子阱光子探测器于2004年研制成功。此探测器器件结构包括阳极和阴极，之间有十几到几十层GaAs/(Alja)As多量子阱，掺杂的电子被束缚在量子阱中。与其它种类的THz探测器相比，THz量子阱光子探测器的响应时间决定于共振吸收特征时间、在准连续态上的漂移速度和光生载流子的弛豫时间，如果不考虑电路的寄生效应，探测响应时间在几皮秒到几十皮秒之间，这意味着THz量子阱光子可应用于高频和高速THz探测，这是其它THz探测器所不具备的。THz技术的一项潜在应用是THz无线通信。另外由于生物大分子的C-H、C_N、C-C 键等的振转能级和集体振动模式在THz频段有丰富的指纹谱，THz技术为生命科学的研究提供了新的探测手段。同时，由于THz波对生物组织的水含量敏感，因此THz波能够用于某些疾病的诊断。构建具有较高时间分辨本领的THz光谱系统，将为研究高速THz通信生物活性物质的动力学行为提供强有力的工具。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，包括迈克尔逊干涉仪；样品室，位于迈克尔逊干涉仪的输入端；THz量子阱光子探测器，位于迈克尔逊干涉仪的输出端；锁相放大器，与THz量子阱光子探测器相连，接收并放大THz量子阱光子探测器探测到的信号；
控制计算机，与锁相放大器相连，接收经锁相放大器放大的信号；并且所述控制计算机还与迈克尔逊干涉仪的动镜相连，控制动镜位置实现动镜的定步长移动；THz源和调制信号模块，将带有扰动信号的THz激光发射到样品室，并将扰动信号发送至锁相放大器，经锁相放大器放大后发送给控制计算机。其中，所述THz量子阱光子探测器安装于液氦杜瓦瓶中，该液氦杜瓦瓶与制冷机相连，用于对所述THz量子阱光子探测器冷却。所述制冷机可采用闭循环机械制冷机。所述 THz量子阱光子探测器通过SMA (SubMiniature version Α)基座安装于液氦杜瓦瓶中，采用半刚性不锈钢同轴线通过真空密闭的BNC^ayonetNeill-Concelman)接头与外部连接。所述液氦杜瓦瓶利用聚乙烯或聚丙烯作为入射窗口，使迈克尔逊干涉仪输出端输出的激光通过所述入射窗口发射到所述THz量子阱光子探测器上。所述样品室为杜瓦瓶，利用聚乙烯或聚丙烯作为出射窗，使样品室中的待测激光通过所述出射窗发射入迈克尔逊干涉仪的输入端。作为本发明的优选方案，所述THz量子阱光子探测器采用分子束外延生长的GaAs 和(Al，fet)As组成的多量子阱结构，其中(Al，fei)As表示GaAs晶体中部分( 原子被Al原子替代。本发明的有益效果在于传统商用中远红外傅立叶变换光谱仪一般采用室温工作的DTGS-PE或液氦 (4. 2K)温度下工作的Si热释电探测器，这些常用的探测器的极限时间分辨率在毫秒量级。 本发明提出用THz量子阱光子探测器代替DTGS-PE和Si热释电探测器，采用步进扫描的测量方式，使傅立叶变换光谱仪在THz频段具有纳秒量级的时间分辨能力，可用于THz无线光通信中器件的光电响应特性的瞬态响应、THz无线光通信中器件的热特性以及器件封装工艺对输出特性和有机大分子对THz光激励的瞬态响应等的分析。该发明的主要优点是将现有的商用傅立叶变换光谱仪在THz频段的时间分辨率提高了约IO6倍，为研制THz高频器件和应用提供了研究手段。
以下是对本发明涉及的各示意图的阐述。图1是本发明太赫兹波段的纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪的示意图。图2是采用蒙特卡洛模拟得到的在0. 5纳秒THz光辐照下的随时间变化的光电流。图3是分别采用THz量子阱光子探测器(实线)和DTGS-PE探测器(虚线)得到的THz量子级联激光器的发射谱，激光器驱动电流分别为0. 342,0. 372和0. 412安培。
具体实施例方式下面结合附图进一步介绍THz量子阱光子探测器的光响应谱的标定方法、高速响应能力理论分析方法以及其与现有光谱仪的集成，并给出本发明关键技术的验证，说明本发明内容的可行性。首先，对THz量子阱光子探测器的时间响应特性进行模拟联立求解薛定谔方程和泊松方程，求得能级位置和波函数，然后根据费米黄金规则，计算电子-声子、电子-杂质散射。采用蒙特卡洛方法求解半经典玻尔兹曼电子输运方程，计算THz量子阱光子探测器的特征响应时间。其中，采用蒙特卡洛方法求解电子输运的玻尔兹曼方程，在微观层面上考虑电子-声子散射、电子-离化杂质散射，考虑了电场在器件上的不均勻分布，能够定量的模拟光响应谱随着时间的变化。THz量子阱光子探测器瞬态响应的蒙特卡洛模拟研究结果如图2所示，在0. 5纳秒 THz光脉冲激励下，瞬态光电流的半高宽为3. 0纳秒，满足THz波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪的要求。这里的THz量子阱光子探测器采用分子束外延生长的GaAs/(Al，Ga)As 多量子阱结构，在量子阱中掺杂Si，在量子阱中引入束缚电子。由计算结果可见，电子-离化杂质散射以及电子在量子阱中的热弛豫对响应速度影响很大，通过优化设计，还有望提高器件的响应速度。而探测器的响应速度，决定了光谱仪的时间分辨率。THz量子阱光子探测器的高频响应特性分析根据光学外差原理，如果有两束频率分别为Co1和ω2(设Co1 > ω2)的THz激光照射到THz量子阱光子探测器上，由于器件的光响应谱比激光器的发射谱要宽得多，如果ω「ω2在数十GHz范围内，可以使0^和ω2
同时处于峰值响应率附近，此时光电流可表示为/ = /。+ Z1 + /2 + 24 Τ2^[(ωχ - <y2>]，等
式右侧前三项分别为暗电流、两束激光分别引起的光电流的直流分量，第四项为其交流分量，对此交流分量进行探测和分析，可以得到器件的高频响应特性。通常，光谱仪的电学部分主要包括具有模数转换功能的数据采集卡、时间延迟器和前置放大器等，这些电学模块的时间分辨率都可以达到纳秒量级，而一般室温工作的 DTGS-PE或液氦(4. 2K)温度下工作的Si热释电探测器等常用的探测器的极限时间分辨率在毫秒量级限制了光谱仪的时间分辨能力。通过对THz量子阱光子探测器的研究分析表明，THz量子阱光子探测器具有纳秒量级的时间分辨率，满足THz波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪对探测器的要求。所以本发明采用时间分辨率在纳秒量级的THz量子阱光子探测器代替DTGS-PE和Si热释电探测器，可以保证傅立叶变换光谱仪具有纳秒量级的时间分辨率。由于THz量子阱光子探测器的光谱响应区域较窄，测量谱的范围约为1. 5THz，采用 GaAs/(Al, Ga)As材料体系，利用2_3个响应峰值不同的探测器可以覆盖3. 0-6. OTHz。本实施例通过对带有外置探测器接口的普通商用傅立叶变换光谱仪进行改装，将 THz量子阱光子探测器集成在普通商用傅立叶变换光谱仪中，即可实现本发明的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪。如图1所示，太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，包括迈克尔逊干涉仪，位于迈克尔逊干涉仪输入端的样品室，位于迈克尔逊干涉仪输出端的THz量子阱光子探测器，锁相放大器，控制计算机，以及THz源和调制信号模块。其中，迈克尔逊干涉仪是傅立叶变换光谱仪中常用的，包括定镜、动镜和分束器。 待测光束从其入射端进入由分束器一分为二，一束透射到动镜，另一束反射到定镜。透射到动镜的光被反射到分束器后分成两部分，一部分透射返回入射端，另一部分经反射到达出射端；反射到定镜的光再经过定镜的反射作用到达分束器.一部分经过分束器的反射作用返回入射端，另一部分透过分束器到达出射端。也就是说，在干涉仪的出射端有两束光，这两束相干光被加和，移动动镜可改变两光束的光程差，从而产生干涉，对此干涉傅立叶变换即可得到光谱。本发明中，THz源和调制信号模块一方面将带有扰动信号的THz激光发射到样品室，另一方面将扰动信号发送至锁相放大器，经锁相放大器放大后发送给控制计算机。样品室中可以放置样品，样品受辐照后，携带样品信息的透(反)射光进入迈克耳逊干涉仪的入射端进行检测；当然也可以不在样品室内放置样品，而将待测激光通过样品室直接发射入迈克耳逊干涉仪的入射端进行检测。待测激光经迈克耳逊干涉仪分光后由THz量子阱光子探测器探测，再由锁相放大器放大，将采集到的待测激光的谱信息发送给控制计算机。控制计算机可以根据接收到的扰动信号和控制计算机中步进扫描模块预先设定的时间延迟来控制迈克耳逊干涉仪的动镜，实现动镜的定步长移动(步进扫描)；控制计算机将采集到的光强(待测激光的谱信息)和所对应动镜位置的数据，经傅立叶变换后得到光谱。改变设定的时间延迟，就可以得到待测激光与时间相关的信息。其中，THz量子阱光子探测器安装于液氦杜瓦瓶中，该液氦杜瓦瓶与闭循环机械制冷机相连，用于对所述THz量子阱光子探测器冷却。利用液氦杜瓦对THz量子阱光子探测器进行制冷，避免采用其它类型制冷手段引入电磁干扰、振动等影响测量精度的因素。所述 THz量子阱光子探测器通过与液氦杜瓦冷头热连接良好的SMA基座安装于液氦杜瓦瓶中， 采用半刚性不锈钢同轴线通过真空密闭的BNC接头与外部连接，以降低寄生电容的影响。 所述液氦杜瓦瓶利用聚乙烯或聚丙烯作为入射窗口，使迈克尔逊干涉仪输出端输出的激光通过所述入射窗口发射到所述THz量子阱光子探测器上。所述样品室为杜瓦瓶，利用聚乙烯或聚丙烯作为出射窗，使样品室中的待测激光通过所述出射窗发射入迈克尔逊干涉仪的输入端。采用两片聚乙(丙)烯为光学窗口，既保证了 THz光的通过，又保证了光谱仪和液氦杜瓦的真空密闭，避免水汽对光谱测量的影响。作为本发明的优选方案，THz量子阱光子探测器可采用分子束外延生长的GaAs/ (Al，Ga)As多量子阱结构，在量子阱中掺杂Si，在量子阱中引入束缚电子，所述THz量子阱光子探测器的光敏面采用与量子阱生长方向45度磨角实现光耦合。下面将以布鲁克公司的IFS66V/S型傅立叶变换光谱仪为例，利用IFS66V/s型光谱仪外置探测器接口集成THz量子阱光子探测器。以THz量子级联激光器作为THz源和调制信号模块中的THz源，测量了 THz量子级联激光器的发射谱，如图3所示，得到了较满意的结果。本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1.一种太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于，包括迈克尔逊干涉仪；样品室，位于迈克尔逊干涉仪的输入端；THz量子阱光子探测器，位于迈克尔逊干涉仪的输出端；锁相放大器，与THz量子阱光子探测器相连，接收并放大THz量子阱光子探测器探测到的信号；控制计算机，与锁相放大器相连，接收经锁相放大器放大的信号；并且所述控制计算机还与迈克尔逊干涉仪的动镜相连，控制动镜位置实现动镜的定步长移动；THz源和调制信号模块，将带有扰动信号的THz激光发射到样品室，并将扰动信号发送至锁相放大器，经锁相放大器放大后发送给控制计算机。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于 所述THz量子阱光子探测器安装于液氦杜瓦瓶中。
3.根据权利要求2所述的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于 所述液氦杜瓦瓶与制冷机相连。
4.根据权利要求3所述的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于 所述制冷机为闭循环机械制冷机。
5.根据权利要求2所述的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于 所述THz量子阱光子探测器通过SMA基座安装于液氦杜瓦瓶中。
6.根据权利要求2所述的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于 所述THz量子阱光子探测器采用半刚性不锈钢同轴线通过真空密闭的BNC接头与外部连接。
7.根据权利要求2所述的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于 所述液氦杜瓦瓶利用聚乙烯或聚丙烯作为入射窗口，使迈克尔逊干涉仪输出端输出的激光通过所述入射窗口发射到所述THz量子阱光子探测器上。
8.根据权利要求1所述的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于 所述样品室为杜瓦瓶，其利用聚乙烯或聚丙烯作为出射窗，使样品室中的待测激光通过所述出射窗发射入迈克尔逊干涉仪的输入端。
9.根据权利要求1所述的太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，其特征在于 所述THz量子阱光子探测器采用分子束外延生长的GaAs和(Al，Ga)As组成的多量子阱结构，其中(Al，Ga) As表示GaAs晶体中部分( 原子被Al原子替代。
全文摘要
本发明公开了一种太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪，包括迈克尔逊干涉仪；位于迈克尔逊干涉仪输入端的样品室；位于迈克尔逊干涉仪输出端的THz量子阱光子探测器；THz源和调制信号模块、锁相放大器以及控制计算机。锁相放大器与THz量子阱光子探测器相连；控制计算机与锁相放大器相连，并且还与迈克尔逊干涉仪的动镜相连，控制动镜位置实现动镜的定步长移动；THz源和调制信号模块将带有扰动信号的THz激光发射到样品室，并将扰动信号发送至锁相放大器，经锁相放大器放大后发送给控制计算机。本发明用THz量子阱光子探测器代替DTGS-PE和Si热释电探测器，大大提高了傅立叶变换光谱仪在THz波段的时间分辨率。
文档编号G01J3/45GK102346071SQ20101024402
公开日2012年2月8日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者曹俊诚, 谭智勇, 郭旭光, 韩英军, 黎华 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所