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光泵浦太赫兹探测实验系统原理(OPTP)

来源: 2016-12-15 18:10:53      点击:

光泵浦太赫兹探测(OPTP)系统简介      

      光泵浦太赫兹探测(OPTP)技术是一种新兴的应用前景良好的超快载流子动力学研究技术。太赫兹辐射,其波段在红外与毫米波之间,属于远红外波段,当它透射半导体样品时,对半导体表面的载流子分布和变化十分敏感,很适合被用作探测波来反映载流子的运动状况。 当泵浦光对半导体进行光激发时,导带中的电子和价带中的空穴占据了一些能态,从而会减少样品对太赫兹探测光的透射,产生饱和吸收,但随着受激载流子的复合,这种饱和效应也随之退化,对太赫兹探测光的透射也随之升高。因此,通过对太赫兹探测光瞬态透射谱的研究,我们可以获得半导体材料中非平衡载流子分布的动力学过程及其他光学信息。

      OPTP 技术的出现和崛起使超快光谱学可用的技术手段又多了一种。它是光学泵浦探测技术和太赫兹时域光谱技术的结合应用,主要优势在于既能直观地观测到样品信号的光致变化所反映出来的信息,又能提供一个亚皮秒量级的时间分辨率。运用 OPTP 技术可以让我们通过 THz 光谱在载流子动力学的研究过程中获得样品的复电导率的光致变化状况,能够实现对准粒子和超导冷凝物的动力学的实时测量。OPTP 技术在早期主要应用于凝聚态物质的动力学探测。但是近几年来,随着电光技术的不断发展和人们对 OPTP 技术了解的逐渐深入,OPTP技术找到了适合发挥其特点的新的应用领域——探测光导材料中光生载流子的动力学。 国外对 OPTP 技术和其他超快光谱学技术的研究较为广泛和深入。实验方法主要以光泵浦 THz 探测的方式居多,同时也有通过改变温度条件来促使物质内部载流子发生变化,从而通过 THz 探测信息等其他形式。研究对象也多种多样,但大部分还是以半导体材料、一些复合有机材料及异质结结构为主,也有小组用此来研究传统金属(例如金和银)中电子间、电子与声子间的相互作用过程,有的甚至还进行过对液体中的载流子动力学研究。 在国内,只有中科院物理所曾研究过半导体材料 GaAs 作为辐射源产生 THz的研究,其他报道暂时未见到。

OPTP 系统同典型的 THz-TDS 系统的区别 

     典型的THz-TDS系统主要由飞秒激光器、THz辐射产生装置、THz辐射探测装置和时间延迟控制系统组成。以透射式THz-TDS系统为例,其具体实验装置示意图如下图所示。飞秒激光经分束镜分为两束,其中一束经斩波器(Chopper)斩波后,入射ZnTe晶体。利用光整流效应在ZnTe晶体中产生的THz脉冲经过两对离轴抛面镜,后聚焦于ZnTe探测晶体上。由分束镜分出的另一束光作为探测光也通过ZnTe晶体,THz的辐射电场通过电光效应使经过该电光探测晶体的探测光偏振态发生变化,从而反映出了THz电场的变化。THz辐射时域波形由探测光对泵浦光的时间延时来追踪测量,锁相放大器(lock in)将信号放大。

    OPTP 系统以上图中实验系统为例,激光脉冲从钛宝石正反馈放大器中出射,经过第一个分束镜 BS 1 分束后,分为两束:其中最强的一束光(颜色最深)我们称其为光泵浦路,它沿着 stage 1 的方向传播,经几个反射镜反射后斜入射到样品上,对样品进行光激励;另一束传播向 BS2,再次进行分成两束激光。这两束激光则如上文所描述构成太赫兹时域光谱仪系统。
    OPTP 系统与 THz-TDS 系统相比,结构大致相同,产生 THz 信号和探测接受信号的方式也可以一样,但其主要区别在于:分光过程中 OPTP 系统将一束超快激光脉冲分成三束脉冲——产生路,探测路和泵浦路,比 THz-TDS 系统多分出一路泵浦光路作为泵浦源来激励样品。在实验测量方面,THz-TDS 系统主要靠移动图中的 Delay  Stage 2来扫描 THz脉冲的时域波形;而 OPTP 系统的数据扫描过程有一维扫描和二维扫描之分,既能观测时域波形中某一点的 THz 透射强度随着时间延迟(泵浦路和产生路)变化而变化的情况,又能在确定泵浦路和产生路间的时间延迟的情况下,扫描 THz时域波形进行进一步分析。正是因为有一维和二维扫描的模式,及太赫兹脉冲探测提供的亚皮秒量级的时间分辨率,OPTP 系统能让我们可以比较直观地、时间分辨地观测到实验中所得的 THz 时域信号所反映出来的样品载流子信息,对进行半导体超快载流子动力学的研究提供了一种便利的方法。

光泵浦太赫兹探测系统(OPTP)原理视频


太赫兹时域光谱仪系统(TDS)原理视频



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