專利名稱：太赫茲波段納秒時(shí)間分辨傅立葉變換光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太赫茲波段的時(shí)間分辨傅立葉變換光譜儀，尤其是指一種具有納秒級(jí)時(shí)間分辨率的太赫茲波段的時(shí)間分辨傅立葉變換光譜儀。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)波是指電磁波譜中頻率從IOOGHz到30THz (ITHz = IO12Hz)，相應(yīng)波長(zhǎng)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(zhǎng)期以來(lái)由于缺乏高效的THz源和高靈敏度的檢測(cè)手段，使得這一波譜區(qū)成為整個(gè)電磁波譜中存留的唯一未被充分開(kāi)發(fā)利用的區(qū)域。THz技術(shù)應(yīng)用的核心部件之一是THz探測(cè)器。目前發(fā)展較為成熟的THz探測(cè)器包括廣泛應(yīng)用于THz時(shí)域譜技術(shù)的電光晶體探測(cè)器；基于LiTaO3晶體的單元和陣列焦熱電探測(cè)器，此類探測(cè)器有較高探測(cè)靈敏度、寬光譜響應(yīng)范圍和室溫工作的優(yōu)點(diǎn)；高靈敏度Si熱釋電探測(cè)器；應(yīng)用于宇宙微波、THz背景輻射觀測(cè)的基于低溫超導(dǎo)薄膜的約瑟夫森結(jié)和熱電子熱釋電外差THz探測(cè)器?；诎雽?dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的THz量子阱光子探測(cè)器于2004年研制成功。此探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)包括陽(yáng)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(cè)器相比，THz量子阱光子探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間決定于共振吸收特征時(shí)間、在準(zhǔn)連續(xù)態(tài)上的漂移速度和光生載流子的弛豫時(shí)間，如果不考慮電路的寄生效應(yīng)，探測(cè)響應(yīng)時(shí)間在幾皮秒到幾十皮秒之間，這意味著THz量子阱光子可應(yīng)用于高頻和高速THz探測(cè)，這是其它THz探測(cè)器所不具備的。THz技術(shù)的一項(xiàng)潛在應(yīng)用是THz無(wú)線通信。另外由于生物大分子的C-H、C_N、C-C 鍵等的振轉(zhuǎn)能級(jí)和集體振動(dòng)模式在THz頻段有豐富的指紋譜，THz技術(shù)為生命科學(xué)的研究提供了新的探測(cè)手段。同時(shí)，由于THz波對(duì)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(gòu)建具有較高時(shí)間分辨本領(lǐng)的THz光譜系統(tǒng)，將為研究高速THz通信生物活性物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)行為提供強(qiáng)有力的工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種太赫茲波段納秒時(shí)間分辨傅立葉變換光譜儀。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)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(cè)器相連，接收并放大THz量子阱光子探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)；
控制計(jì)算機(jī)，與鎖相放大器相連，接收經(jīng)鎖相放大器放大的信號(hào)；并且所述控制計(jì)算機(jī)還與邁克爾遜干涉儀的動(dòng)鏡相連，控制動(dòng)鏡位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)鏡的定步長(zhǎng)移動(dòng)；THz源和調(diào)制信號(hào)模塊，將帶有擾動(dòng)信號(hào)的THz激光發(fā)射到樣品室，并將擾動(dòng)信號(hào)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(jì)算機(jī)。其中，所述THz量子阱光子探測(cè)器安裝于液氦杜瓦瓶中，該液氦杜瓦瓶與制冷機(jī)相連，用于對(duì)所述THz量子阱光子探測(cè)器冷卻。所述制冷機(jī)可采用閉循環(huán)機(jī)械制冷機(jī)。所述 THz量子阱光子探測(cè)器通過(guò)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(guò)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(guò)所述入射窗口發(fā)射到所述THz量子阱光子探測(cè)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(cè)激光通過(guò)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(cè)器采用分子束外延生長(zhǎng)的GaAs 和(Al，fet)As組成的多量子阱結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)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(cè)器，這些常用的探測(cè)器的極限時(shí)間分辨率在毫秒量級(jí)。 本發(fā)明提出用THz量子阱光子探測(cè)器代替DTGS-PE和Si熱釋電探測(cè)器，采用步進(jìn)掃描的測(cè)量方式，使傅立葉變換光譜儀在THz頻段具有納秒量級(jí)的時(shí)間分辨能力，可用于THz無(wú)線光通信中器件的光電響應(yīng)特性的瞬態(tài)響應(yīng)、THz無(wú)線光通信中器件的熱特性以及器件封裝工藝對(duì)輸出特性和有機(jī)大分子對(duì)THz光激勵(lì)的瞬態(tài)響應(yīng)等的分析。該發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是將現(xiàn)有的商用傅立葉變換光譜儀在THz頻段的時(shí)間分辨率提高了約IO6倍，為研制THz高頻器件和應(yīng)用提供了研究手段。


以下是對(duì)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(shí)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(shí)間變化的光電流。圖3是分別采用THz量子阱光子探測(cè)器(實(shí)線)和DTGS-PE探測(cè)器(虛線)得到的THz量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)射譜，激光器驅(qū)動(dòng)電流分別為0. 342,0. 372和0. 412安培。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步介紹THz量子阱光子探測(cè)器的光響應(yīng)譜的標(biāo)定方法、高速響應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證，說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容的可行性。首先，對(duì)THz量子阱光子探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性進(jìn)行模擬聯(lián)立求解薛定諤方程和泊松方程，求得能級(jí)位置和波函數(shù)，然后根據(jù)費(fèi)米黃金規(guī)則，計(jì)算電子-聲子、電子-雜質(zhì)散射。采用蒙特卡洛方法求解半經(jīng)典玻爾茲曼電子輸運(yùn)方程，計(jì)算THz量子阱光子探測(cè)器的特征響應(yīng)時(shí)間。其中，采用蒙特卡洛方法求解電子輸運(yùn)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(zhì)散射，考慮了電場(chǎng)在器件上的不均勻分布，能夠定量的模擬光響應(yīng)譜隨著時(shí)間的變化。THz量子阱光子探測(cè)器瞬態(tài)響應(yīng)的蒙特卡洛模擬研究結(jié)果如圖2所示，在0. 5納秒 THz光脈沖激勵(lì)下，瞬態(tài)光電流的半高寬為3. 0納秒，滿足THz波段納秒時(shí)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(cè)器采用分子束外延生長(zhǎng)的GaAs/(Al，Ga)As 多量子阱結(jié)構(gòu)，在量子阱中摻雜Si，在量子阱中引入束縛電子。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，電子-離化雜質(zhì)散射以及電子在量子阱中的熱弛豫對(duì)響應(yīng)速度影響很大，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，還有望提高器件的響應(yīng)速度。而探測(cè)器的響應(yīng)速度，決定了光譜儀的時(shí)間分辨率。THz量子阱光子探測(cè)器的高頻響應(yīng)特性分析根據(jù)光學(xué)外差原理，如果有兩束頻率分別為Co1和ω2(設(shè)Co1 > ω2)的THz激光照射到THz量子阱光子探測(cè)器上，由于器件的光響應(yīng)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(shí)處于峰值響應(yīng)率附近，此時(shí)光電流可表示為/ = /。+ Z1 + /2 + 24 Τ2^[(ωχ - <y2>]，等
式右側(cè)前三項(xiàng)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(xiàng)為其交流分量，對(duì)此交流分量進(jìn)行探測(cè)和分析，可以得到器件的高頻響應(yīng)特性。通常，光譜儀的電學(xué)部分主要包括具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的數(shù)據(jù)采集卡、時(shí)間延遲器和前置放大器等，這些電學(xué)模塊的時(shí)間分辨率都可以達(dá)到納秒量級(jí)，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(cè)器等常用的探測(cè)器的極限時(shí)間分辨率在毫秒量級(jí)限制了光譜儀的時(shí)間分辨能力。通過(guò)對(duì)THz量子阱光子探測(cè)器的研究分析表明，THz量子阱光子探測(cè)器具有納秒量級(jí)的時(shí)間分辨率，滿足THz波段納秒時(shí)間分辨傅立葉變換光譜儀對(duì)探測(cè)器的要求。所以本發(fā)明采用時(shí)間分辨率在納秒量級(jí)的THz量子阱光子探測(cè)器代替DTGS-PE和Si熱釋電探測(cè)器，可以保證傅立葉變換光譜儀具有納秒量級(jí)的時(shí)間分辨率。由于THz量子阱光子探測(cè)器的光譜響應(yīng)區(qū)域較窄，測(cè)量譜的范圍約為1. 5THz，采用 GaAs/(Al, Ga)As材料體系，利用2_3個(gè)響應(yīng)峰值不同的探測(cè)器可以覆蓋3. 0-6. OTHz。本實(shí)施例通過(guò)對(duì)帶有外置探測(cè)器接口的普通商用傅立葉變換光譜儀進(jìn)行改裝，將 THz量子阱光子探測(cè)器集成在普通商用傅立葉變換光譜儀中，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的太赫茲波段納秒時(shí)間分辨傅立葉變換光譜儀。如圖1所示，太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)器，鎖相放大器，控制計(jì)算機(jī)，以及THz源和調(diào)制信號(hào)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(dòng)鏡和分束器。 待測(cè)光束從其入射端進(jìn)入由分束器一分為二，一束透射到動(dòng)鏡，另一束反射到定鏡。透射到動(dòng)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(dá)出射端；反射到定鏡的光再經(jīng)過(guò)定鏡的反射作用到達(dá)分束器.一部分經(jīng)過(guò)分束器的反射作用返回入射端，另一部分透過(guò)分束器到達(dá)出射端。也就是說(shuō)，在干涉儀的出射端有兩束光，這兩束相干光被加和，移動(dòng)動(dòng)鏡可改變兩光束的光程差，從而產(chǎn)生干涉，對(duì)此干涉傅立葉變換即可得到光譜。本發(fā)明中，THz源和調(diào)制信號(hào)模塊一方面將帶有擾動(dòng)信號(hào)的THz激光發(fā)射到樣品室，另一方面將擾動(dòng)信號(hào)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(jì)算機(jī)。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(jìn)入邁克耳遜干涉儀的入射端進(jìn)行檢測(cè)；當(dāng)然也可以不在樣品室內(nèi)放置樣品，而將待測(cè)激光通過(guò)樣品室直接發(fā)射入邁克耳遜干涉儀的入射端進(jìn)行檢測(cè)。待測(cè)激光經(jīng)邁克耳遜干涉儀分光后由THz量子阱光子探測(cè)器探測(cè)，再由鎖相放大器放大，將采集到的待測(cè)激光的譜信息發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)可以根據(jù)接收到的擾動(dòng)信號(hào)和控制計(jì)算機(jī)中步進(jìn)掃描模塊預(yù)先設(shè)定的時(shí)間延遲來(lái)控制邁克耳遜干涉儀的動(dòng)鏡，實(shí)現(xiàn)動(dòng)鏡的定步長(zhǎng)移動(dòng)(步進(jìn)掃描)；控制計(jì)算機(jī)將采集到的光強(qiáng)(待測(cè)激光的譜信息)和所對(duì)應(yīng)動(dòng)鏡位置的數(shù)據(jù)，經(jīng)傅立葉變換后得到光譜。改變?cè)O(shè)定的時(shí)間延遲，就可以得到待測(cè)激光與時(shí)間相關(guān)的信息。其中，THz量子阱光子探測(cè)器安裝于液氦杜瓦瓶中，該液氦杜瓦瓶與閉循環(huán)機(jī)械制冷機(jī)相連，用于對(duì)所述THz量子阱光子探測(cè)器冷卻。利用液氦杜瓦對(duì)THz量子阱光子探測(cè)器進(jìn)行制冷，避免采用其它類型制冷手段引入電磁干擾、振動(dòng)等影響測(cè)量精度的因素。所述 THz量子阱光子探測(cè)器通過(guò)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(guò)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(guò)所述入射窗口發(fā)射到所述THz量子阱光子探測(cè)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(cè)激光通過(guò)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(xué)窗口，既保證了 THz光的通過(guò)，又保證了光譜儀和液氦杜瓦的真空密閉，避免水汽對(duì)光譜測(cè)量的影響。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，THz量子阱光子探測(cè)器可采用分子束外延生長(zhǎng)的GaAs/ (Al，Ga)As多量子阱結(jié)構(gòu)，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(cè)器的光敏面采用與量子阱生長(zhǎng)方向45度磨角實(shí)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(cè)器接口集成THz量子阱光子探測(cè)器。以THz量子級(jí)聯(lián)激光器作為THz源和調(diào)制信號(hào)模塊中的THz源，測(cè)量了 THz量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)射譜，如圖3所示，得到了較滿意的結(jié)果。本發(fā)明中涉及的其他技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實(shí)施例僅用以說(shuō)明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請(qǐng)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)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(cè)器相連，接收并放大THz量子阱光子探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)；控制計(jì)算機(jī)，與鎖相放大器相連，接收經(jīng)鎖相放大器放大的信號(hào)；并且所述控制計(jì)算機(jī)還與邁克爾遜干涉儀的動(dòng)鏡相連，控制動(dòng)鏡位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)鏡的定步長(zhǎng)移動(dòng)；THz源和調(diào)制信號(hào)模塊，將帶有擾動(dòng)信號(hào)的THz激光發(fā)射到樣品室，并將擾動(dòng)信號(hào)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(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)器安裝于液氦杜瓦瓶中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲波段納秒時(shí)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(jī)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太赫茲波段納秒時(shí)間分辨傅立葉變換光譜儀，其特征在于 所述制冷機(jī)為閉循環(huán)機(jī)械制冷機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)器通過(guò)SMA基座安裝于液氦杜瓦瓶中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)器采用半剛性不銹鋼同軸線通過(guò)真空密閉的BNC接頭與外部連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲波段納秒時(shí)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(guò)所述入射窗口發(fā)射到所述THz量子阱光子探測(cè)器上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)激光通過(guò)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(quán)利要求1所述的太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)器采用分子束外延生長(zhǎng)的GaAs和(Al，Ga)As組成的多量子阱結(jié)構(gòu)，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(kāi)了一種太赫茲波段納秒時(shí)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(cè)器；THz源和調(diào)制信號(hào)模塊、鎖相放大器以及控制計(jì)算機(jī)。鎖相放大器與THz量子阱光子探測(cè)器相連；控制計(jì)算機(jī)與鎖相放大器相連，并且還與邁克爾遜干涉儀的動(dòng)鏡相連，控制動(dòng)鏡位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)鏡的定步長(zhǎng)移動(dòng)；THz源和調(diào)制信號(hào)模塊將帶有擾動(dòng)信號(hào)的THz激光發(fā)射到樣品室，并將擾動(dòng)信號(hào)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(jì)算機(jī)。本發(fā)明用THz量子阱光子探測(cè)器代替DTGS-PE和Si熱釋電探測(cè)器，大大提高了傅立葉變換光譜儀在THz波段的時(shí)間分辨率。
文檔編號(hào)G01J3/45GK102346071SQ20101024402
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者曹俊誠(chéng), 譚智勇, 郭旭光, 韓英軍, 黎華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所