強場太赫茲時域光譜測量技術(shù)研究進展

徐世祥，陸小微，林慶鋼，鄭水欽，蔡 懿，艾月霞

深圳市微納光子信息技術(shù)重點實驗室，深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東深圳 518060

太赫茲波是頻率介于微波和紅外的電磁波．由于其覆蓋光學(xué)材料的原子分子特征光譜區(qū)，多年來受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注[1-3]，并被用于醫(yī)學(xué)成像[4-6]、安全檢查[7-9]、物質(zhì)光譜鑒別[10-12]及光通信等領(lǐng)域[13-15]．由于能同時檢測太赫茲時域場的振幅和相位，太赫茲時域光譜測量已成為相關(guān)領(lǐng)域科研與應(yīng)用的重要技術(shù)手段[16-19]．傳統(tǒng)太赫茲時域光譜探測技術(shù)多采用泵浦-探針檢測方法，通過不斷掃描探測光和太赫茲波信號的相對延時，來逐點測量信號時域波形，其耗時長，對重復(fù)率要求高，無法對材料損傷和結(jié)構(gòu)相變等不可重復(fù)的超快過程進行測量[20-25]，且只適合測量弱太赫茲信號．隨著太赫茲源脈沖功率的提升，催生了如太赫茲非線性光譜學(xué)、極端太赫茲強場與物質(zhì)相互作用等前沿學(xué)科．

針對強太赫茲脈沖的時域光譜測量必須具有大的動態(tài)范圍．時域光譜測量屬于相對測量，必須保證測量到的波形與太赫茲的真實時域波形具有正比關(guān)系．由于強太赫茲脈沖往往工作在脈沖重復(fù)率低甚至單次的情形，故該時域光譜測量還需具備單次測量能力，此時基于泵浦-探針的傳統(tǒng)時域光譜技術(shù)將會引入較大誤差甚至完全不適用．因此，圍繞強太赫茲時域光譜技術(shù)的研究主要從這兩個特點展開．

1 單次太赫茲時域光譜測量技術(shù)研究

目前報道的單次測量技術(shù)大多基于太赫茲電光取樣原理．其中心思想是采用并行數(shù)據(jù)采集或多通道檢測方法，將需要探測的太赫茲光譜信息(強度及相位等)，通過參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式，對相關(guān)參數(shù)進行探測和對應(yīng)，實現(xiàn)整個太赫茲波形有效信息的單次獲取，從而實現(xiàn)實時測量[26-27]．迄今發(fā)展的多種太赫茲單次測量方法，主要包括基于強度變化的太赫茲電光采樣技術(shù)(頻譜編碼技術(shù)、時域電場互相關(guān)技術(shù)、空間編碼技術(shù)及雙階梯編碼技術(shù)等)、基于光譜干涉的大動態(tài)范圍太赫茲電光調(diào)制技術(shù)以及具有單次模式工作的大動態(tài)范圍太赫茲電光調(diào)制技術(shù)等．本文對其原理進行闡述分析．

1.1 頻譜編碼技術(shù)

圖1 頻譜編碼技術(shù)Fig.1 Time-spectral encoding technology

頻譜編碼技術(shù)是最先提出的太赫茲時域光譜單次測量技術(shù)[28]，其典型裝置示意圖如圖1．采用啁啾光作為探測脈沖，經(jīng)偏振器P1，被透鏡L1與太赫茲波以一定延時共線聚焦入射到<110>ZnTe電光晶體中．不同波長分量被太赫茲場的不同時間部分調(diào)制．再被另一透鏡L2準(zhǔn)直，經(jīng)過1/4波片(quarter-wave plate, QWP)和偏振器P2被光譜儀SP記錄．根據(jù)啁啾脈沖時間和瞬時頻率的對應(yīng)關(guān)系進行解碼，提取出太赫茲脈沖時域波形．這種編碼技術(shù)實際上是利用啁啾激光脈沖中頻率(波長)與時間的映射關(guān)系，實現(xiàn)太赫茲時域信號對探測光頻譜進行調(diào)制．通過抽取被光譜儀接收的啁啾脈沖頻譜信息，即可單次測量太赫茲脈沖場的時間波形．該技術(shù)無需高精度透射型元件或機械移動元件，結(jié)構(gòu)較為簡單，還可直接從記錄光譜中觀測到太赫茲場時間波形，較為直觀．然而該技術(shù)也存在對偏振敏感和信噪比低等缺點；由于采用時頻變換算法，其時間分辨率受到啁啾脈沖寬度的限制．

1.2 時域電場互相關(guān)技術(shù)

時域電場互相關(guān)技術(shù)由MATLIS等[29-31]首先提出，其裝置示意圖如圖2．與頻譜編碼技術(shù)相比，這里引入另一束非啁啾參考光，通過一個合束片與啁啾脈沖一起，以一定的相對時間延遲被光譜儀接收．光譜儀所探測到的光譜干涉信號的傅立葉變換結(jié)果為兩者時域電場的互相關(guān)函數(shù)，可通過數(shù)值求解提取太赫茲信號，獲得其波形信息．

與圖1比較，這里通過引入非啁啾脈沖提高測量信號的時間分辨率．該技術(shù)利用光譜干涉技術(shù)，額外引入?yún)⒖济}沖光路在合束前與啁啾脈沖探測光不共線，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，易受到周圍環(huán)境溫度、振蕩及溫度變化等因素影響，所用探測光路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜．

圖2 時間電場互相關(guān)技術(shù)Fig.2 Temporal cross-correlation interferometry

1.3 空間編碼技術(shù)

空間編碼技術(shù)分別是基于探測脈沖傾斜的空間編碼技術(shù)以及基于非共線和頻空間編碼技術(shù)．

1.3.1 基于探測脈沖傾斜的空間編碼技術(shù)

基于探測脈沖傾斜的空間編碼技術(shù)的實驗裝置如圖3[32-33]．類似于飛秒激光脈沖的單次自相關(guān)測量，該技術(shù)將太赫茲信號和探測脈沖以一定夾角在電光晶體中重合．在電光晶體的不同橫向位置，太赫茲時域場和被調(diào)制的探測光具有不同的相對時間延遲，其對應(yīng)不同的一維空間位置，因此采用線陣CCD單次記錄即可獲得完整的太赫茲時域場．

圖3 基于探測脈沖傾斜的空間編碼技術(shù)Fig.3 Space-to-time encoding with non-collinear geometry or collinear tilted optical readout intensity front

此測量裝置簡單，單次測量可獲得整體光譜曲線分布，其工作原理是通過信號光與探測光的非共線互相關(guān)產(chǎn)生的相對脈沖沿傾斜，實現(xiàn)時間到空間的轉(zhuǎn)換．但其探測結(jié)果受諸多因素限制：① 探測時間窗口受到太赫茲信號和探測脈沖夾角θ影響，需要對非共線角度及角度相關(guān)的時空轉(zhuǎn)換非線性進行精確定標(biāo)；② 大的非共線角會影響晶體太赫茲電光效應(yīng)的響應(yīng)特性，因此為獲得足夠大的時間窗，需要足夠大的太赫茲信號和探測脈沖的橫向空間尺寸w， 以得到大的相互作用尺度d, 結(jié)果是信號光和探測光的不均勻空間分布將會耦合到不同時刻太赫茲場對探測脈沖信號的電光調(diào)制中，影響測量信號的形狀，對高精度要求的測量場合非常不利．

1.3.2 基于非共線和頻的空間編碼技術(shù)

圖4 基于非線性和頻的空間編碼技術(shù)Fig.4 Space-to-time encoding with time domain non-collinear second-harmonic cross-correlation

基于非共線和頻的空間編碼技術(shù)也是基于時間-空間編碼[34-35]，其裝置如圖4．與圖1相同的是，通過一個啁啾脈沖對太赫茲時域信號進行電光取樣，實現(xiàn)太赫茲的時域獲?。煌氖?，該技術(shù)為了提高時間分辨，采用時間電場單次互相關(guān)技術(shù)，引入另一讀出脈沖與探測啁啾脈沖通過非共線和頻(BBO為和頻晶體)實現(xiàn)互相關(guān)．和頻信號經(jīng)過柱透鏡CL被線陣CCD相機接收．相機的不同像素信號對應(yīng)太赫茲波的不同時域信息，實現(xiàn)時間-空間編碼．該技術(shù)可直接讀取太赫茲波形，得到較高的時間分辨．另外，因太赫茲信號是聚焦進入電光晶體的，故無需對太赫茲空間分布預(yù)先校準(zhǔn)．但其測量結(jié)果仍受探測啁啾脈沖和讀出脈沖空間分布的影響．由于其時間窗口由參考脈沖和啁啾探測脈沖在BBO晶體中的重合時間決定，要求光斑尺寸、參考脈沖和BBO入射面法線方向上的夾角φ需足夠大．因此，為獲得較高的和頻效率，對探測光和讀出脈沖的強度要求高，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜．

1.4 雙階梯編碼技術(shù)

雙階梯編碼技術(shù)[36-37]的示意圖如圖5．在探測光路上有兩個特定設(shè)計的透射型階梯狀元件，其相互正交放置．探測光通過后演變?yōu)楸姸嗑哂胁煌訒r的空間分離子波．這些子波經(jīng)透鏡聚焦到電光取樣晶體，依次被相應(yīng)時刻的太赫茲波調(diào)制．被透鏡準(zhǔn)直后，不同時刻的調(diào)制信號被編碼到不同空間位置，用二維CCD獲取空間信息，從而實現(xiàn)時間信息的單次測量．這種方法無需頻譜儀，具有較長的時間窗口，時間分辨率和時間窗取決于階梯鏡SM的單個寬度和高度以及階數(shù)．可通過改變階梯的數(shù)目獲得較高的時間分辨率；但其要求波前具有較好的平坦度，且探測能量的分割會降低測量的信噪比．對于具有較高時間分辨要求的場合，將會對階梯鏡的設(shè)計加工帶來困難，成本大幅提高．

圖5 雙階梯編碼技術(shù)Fig.5 Angle-to-time encoding with transmissive dual echelons

2 旨在提高線性動態(tài)范圍的太赫茲脈沖場時域重現(xiàn)技術(shù)

以上對太赫茲脈沖時域場的單次測量均基于偏振靈敏的強度變化，因此它們只能工作于太赫茲光場引入的雙折射相位符合弱場近似的場合，不適用于高強度的太赫茲檢測．基于太赫茲電光效應(yīng)的光譜干涉測量技術(shù)則可獲得高線性測量范圍．

2.1 太赫茲Mach-Zehnder光譜干涉技術(shù)

IBRAHIM等[38]在探測光路中引入Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)，如圖6．其中，PM1和PM2為拋物線離軸鏡；CL1和CL2為柱透鏡；時間延遲線1和2用于探測光的時間掃描．該結(jié)構(gòu)不僅可同時獲得強度和位相信息，而且大大提高了太赫茲光譜測量技術(shù)的動態(tài)范圍．干涉儀中的兩束探測光，一束經(jīng)過檢測晶體與太赫茲脈沖重疊，另一束直接記錄作為參考脈沖．這兩束光在光譜儀中形成干涉條紋記錄，通過求解干涉圖反推太赫茲波的光強和相位變化．

圖6 基于Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu) 太赫茲時域光譜測量技術(shù)Fig.6 The spectral-domain interferometry based on the Mach-Zehnder interferometer

Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)的時域光譜測量技術(shù)采用掃描記錄方式獲得較長的時間掃描窗口；且在該結(jié)構(gòu)中，沒有受到如強度測量中的弱場近似限制，大大提高了動態(tài)范圍．但非共線的干涉儀結(jié)構(gòu)，使測量結(jié)果易受氣流、溫度變化及機械振動等因素的影響，測量信噪比低．其掃描記錄方式無法單次獲得完整的測量結(jié)果，也使該技術(shù)不能用于單次或低重復(fù)頻率探測．類似地，SHARMA等[39]在其太赫茲光譜干涉測量中引入自參考技術(shù)．該技術(shù)將幅度較弱的太赫茲場空間邊緣場測到的信號作為參考，使測量信噪比提高近6倍．但該技術(shù)仍沒能擺脫掃描測量的要求，同時，這種做法意味著至少需要兩次掃描太赫茲信號，不具備單次測量的能力．

2.2 共線太赫茲光譜干涉技術(shù)

為克服非共線Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)帶來的不穩(wěn)定性影響，SHARMA等[40]利用玻璃片GP前后表面反射光作為取樣光的光譜干涉實現(xiàn)太赫茲時域光測量，如圖7．這種設(shè)計使參與光譜干涉的兩束探測光共線，優(yōu)點在于不易受外界干擾，干涉信號穩(wěn)定．雖然也是基于電光效應(yīng)，但不需要測量其偏振靈敏的強度變化，因此動態(tài)范圍很高，可達8 898π．其缺點是兩束干涉脈沖的強度相差大，干涉條紋的調(diào)制度差，影響測量信噪比．該技術(shù)還要求兩干涉光相位延遲大于太赫茲信號的時域?qū)挾?，這嚴(yán)重影響其適應(yīng)范圍．另外，其工作方式仍為多次掃描，不具備單次測量能力．

圖7 共線太赫茲光譜干涉技術(shù)Fig.7 Terahertz detection using collinear spectral domain interferometry

圖8 正交偏振太赫茲光譜干涉Fig.8 Cross-polarized spectral-domain interferometry

2.3 正交偏振太赫茲光譜干涉技術(shù)

2016年正交偏振太赫茲光譜干涉技術(shù)見諸報道[41]．系統(tǒng)僅需一束探測光進入探測晶體，見圖8．使用太赫茲金屬網(wǎng)偏振片(wire grid polarizer， WGP)以提高太赫茲脈沖的偏振純度.探測光經(jīng)透鏡L1聚焦到ZnTe晶體與太赫茲信號重合．透過ZnTe晶體后探測光被透鏡L2準(zhǔn)直再透過1/4波片，然后耦合進入保偏光纖．在光譜儀前放置一個偏振器，它與QWP一起使探測光被光譜儀接收后光譜干涉環(huán)具有最大的干涉調(diào)制度．太赫茲電光效應(yīng)中對不同偏振方向的探測光調(diào)制程度不同，因此探測光的正交偏振分量可用作自參考．為得到光譜干涉所需的時間延遲，該結(jié)構(gòu)利用保偏光纖的雙折射效應(yīng)．這種自參考的共線光譜干涉技術(shù)使其測量信噪比高達45∶1．動態(tài)測量范圍比傳統(tǒng)的太赫茲電光取樣技術(shù)提高4個量級．利用保偏光纖的雙折射需在光纖的進出端引入耦合裝置，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時也降低了抗周圍環(huán)境干擾的能力．光纖擾動也會引入一定噪聲．此外，該裝置也工作于時間掃描模式，不能用于單次測量．

3 高信噪比、大動態(tài)范圍的單次太赫茲時域光譜測量技術(shù)

為實現(xiàn)同時具有高信噪比及大動態(tài)范圍的太赫茲時域光譜單次測量，本課題組基于以下3個關(guān)鍵技術(shù)：① 采用光譜干涉技術(shù)提高動態(tài)范圍，擺脫弱場近似條件限制；② 利用全透射體光學(xué)元件實現(xiàn)共線干涉以提高測量信噪比；③ 采用啁啾脈沖為探測光實現(xiàn)單次探測，提出緊湊型共路光譜干涉測量方法[42]，如圖9．其中，λ/2為消色差半波片；PM為離軸拋物面鏡；EOC為太赫茲電光晶體；S為取樣板；M1和M2為反射鏡；L1和L2為透鏡；Si為硅片；P為偏振器．該方案中，首先將探測光通過脈沖展寬器(stretcher)展寬為啁啾脈沖．為簡化結(jié)構(gòu)，方便調(diào)節(jié)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，實驗中脈沖展寬器采用兩等腰直角棱鏡組成的脈沖色散器．以一塊雙折射晶體(α-BBO)產(chǎn)生兩束同向傳輸，具有一定延時的脈沖對，分別作為探測光和參考光，其水平和垂直分量光分別與有無太赫茲位相調(diào)制對應(yīng)；光譜干涉環(huán)由常規(guī)的光纖光譜儀記錄．還利用自制的旨在直接重建電場的光譜相位干涉儀(spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction, SPIDER)探測脈沖光譜相位，通過傅里葉變換算法取代簡單的啁啾相位光譜-時間映射獲得時間信息．

圖9 共路光譜干涉單次測量技術(shù)Fig.9 Single-shot terahertz electro-optic detection on common-path spectral interferometer

相比非共路太赫茲光譜干涉光路，該方案光路可有效抵抗環(huán)境干擾，如振動、空氣湍流和溫度波動，提高測量信噪比．實驗研究表明，采用該技術(shù)的噪聲只有非共路光譜干涉的1/6，而信噪比提高近5.2倍．其時間分辨率高，取決于探測脈沖啁啾前的時間寬度．但該技術(shù)存在電光晶體轉(zhuǎn)角α的影響，光的不同角度會對波形測量結(jié)果帶來不同的誤差，準(zhǔn)確波形測量要求α=0°．

為解決共路光譜干涉測量裝置中測量結(jié)果的晶體轉(zhuǎn)角相關(guān)性，本課題組對上述方案進行改進，提出自參考光譜干涉技術(shù)[43]，如圖10．對比圖9可見，此時僅將雙折射晶體α-BBO從電光晶體EOC前移到電光晶體后．在物理上，圖9中探測光兩個相互垂直的偏振分量受到具有相對時間延遲的太赫茲信號調(diào)制，而在圖10中，這兩個偏振分量受到的是同一太赫茲信號調(diào)制．于是圖10測量到的太赫茲信號時域波形與光電晶體方向無關(guān)，這使測量操作更簡單，結(jié)果更可靠．另外，此種干涉光路可有效抑制非共路干涉儀中的常見噪聲，單次信噪比高達88.85．到目前為止，該設(shè)計裝置已成功用于低重復(fù)率的強太赫茲脈沖探測中．

圖10 自參考光譜干涉單次記錄Fig.10 Single-shot terahertz electro-optic detection on self-referenced spectral interferometry

總結(jié)與展望

隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，太赫茲時域光譜技術(shù)也得到迅猛發(fā)展．但傳統(tǒng)太赫茲時域光譜技術(shù)基于泵浦-探針原理，記錄每個太赫茲脈沖時域波形需要較長的掃描時間，而且要求脈沖重復(fù)性好、重復(fù)率高，故不能對重復(fù)率低、重復(fù)性差甚至不可重復(fù)的太赫茲場進行測量．另外，這些探測技術(shù)受限于太赫茲弱場近似．為克服傳統(tǒng)太赫茲時域光譜技術(shù)的缺陷，研究者在改善太赫茲脈沖時域光譜測量動態(tài)范圍的同時，努力發(fā)展具有單脈沖工作能力的測量技術(shù)．本文分析近10年太赫茲時域光譜技術(shù)領(lǐng)域在單次測量和大動態(tài)范圍方面的研究進展，指出目前該研究已從對基于強度變化的太赫茲電光采樣技術(shù)，以及大動態(tài)范圍太赫茲時域光譜測量技術(shù)，向單次大動態(tài)范圍太赫茲時域光譜測量技術(shù)發(fā)展轉(zhuǎn)化．從目前發(fā)展來看，基于由電光效應(yīng)引起的偏振靈敏強度變化的太赫茲電光測量技術(shù)不適用于高強度的太赫茲檢測，而基于太赫茲電光效應(yīng)的光譜干涉測量技術(shù)是獲得高線性測量范圍的有效途徑．本課題組結(jié)合太赫茲光譜干涉技術(shù)與啁啾脈沖探測技術(shù)，實現(xiàn)高動態(tài)范圍的單次測量．該研究方案采用雙折射晶體透射式的共線干涉光路設(shè)計實現(xiàn)自參考光譜干涉測量，測量信噪比得到大幅提高，具備實際應(yīng)用能力．展望未來在進一步提升單次測量信噪比及動態(tài)范圍的同時，拓展其測量復(fù)雜太赫茲時域波形能力，將是一個重要的研究發(fā)展方向．