[发明专利]太赫兹波段纳秒时间分辨傅立叶变换光谱仪

说明书

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100GHz到30THz(1THz＝10¹²Hz)，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/(Al，Ga)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 A)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(BayonetNeill-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，Ga)As组成的多量子阱结构，其中(Al，Ga)As表示GaAs晶体中部分Ga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。