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· Rainbowphotonics應用說明

· 寬帶太赫茲的產生與探測

· 廣泛可調和窄帶THz源

· THz波的應用

人們對太赫茲電磁輻射的興趣源于這些射線與物質之間*的相互作用，這種作用可以在各種應用中得到利用。太赫茲波激發材料的分子振動和晶格振動，這使得太赫茲輻射在光譜學和材料識別中非常有趣。太赫茲輻射是非電離的，對水和水合狀態非常敏感，對非極性物質如不導電聚合物、紙張、包裝材料等透明。因此，材料的不規則性、缺陷、外殼，用太赫茲輻射是看不到的。因此，THz輻射具有很高的無損檢測潛力。

有幾種技術可以產生太赫茲輻射，我們開發了新型的有機晶體THz發生器，其優化的性能使其成為高效產生和檢測太赫茲輻射的理想材料。基于這些有機晶體材料，我們開發了袖珍的THz時域光譜系統:

1) TeraSys?-ULTRA，具有超寬的THz帶寬，可用于光譜和成像，可達20 THz，每秒可實時采集4個光譜。

2) TeraSys12?，具有寬THz帶寬的光譜學和成像高達12 THz；改進的檢測，允許每秒實時獲取4個光譜。

3) TeraSys?-AiO，提供高達20 THz的帶寬

4)TeraSys?，高達12 THz

5) TeraIMAGE?，用于高達14 THz或20 THz的傳輸和成像，檢測速度為每分鐘3個光譜。我們還開發了一種*的可調單頻THz源，TeraTune?，具有非常寬的可調范圍1-20 THz和窄線寬< 100 GHz。

太赫茲輻射

電磁波譜的太赫茲范圍位于高頻電子(微波)和長波光子學(紅外光)之間。

太赫茲輻射很容易通過黑體輻射的方式獲得，但將信號與自然背景分離是一個挑戰。在這個所謂的“THz頻率間隔"上下產生電磁波的技術有好幾種。電子技術可用于產生頻率高達0.5 THz左右的波(主要是通過低頻源的電子倍頻)。從0.3到3 THz的Auston開關是非常流行的源。非線性光學技術(光學整流和差頻產生)可以用來覆蓋0.3到50 THz之間的頻率范圍，量子級聯激光器大約在20 THz到100 THz之間。

寬帶太赫茲源

大多數寬帶THz源是基于不同材料在飛秒范圍內的超短激光脈沖的激發，光傳導和光學整流是產生寬帶THz脈沖的兩種見的方法。光學方法用于寬帶太赫茲源的產生，由于激光技術的不斷進步，這些方法是近20年來發展迅速的。

在光導方法中，飛秒激光利用電場載流子加速在光導開關或半導體中產生超快光電流。由于半導體中載流子壽命的固有限制，可實現的帶寬被限制在幾個THz以內。光學整流是脈沖太赫茲產生的另一種機制。也使用飛秒激光，太赫茲輻射的能量直接來自于激發的激光脈沖。在這種情況下，除了泵浦激光的參數外，轉換效率主要取決于光電系數和材料的相位匹配條件的距離。

在光學整流中，高強度超短激光脈沖通過透明晶體材料，透明晶體材料在不施加任何電壓的情況下發出太赫茲脈沖。圖2顯示了使用有機晶體發生器DAST或DSTMS的脈沖飛秒激光進行光學整流的原理圖。在這種非線性光學過程中，非線性材料在高光強下迅速電極化。這種變化的電極化發出太赫茲輻射。由于激光脈沖電場的快速振蕩被整流，只剩下振蕩的包絡，故稱為整流。由于介質吸收低，極化瞬間遵循脈沖包絡暗示幾乎沒有限制的速度極化可以開啟和關閉,即沒有內在限制帶寬的光電導天線。

產生太赫茲的材料

由于有機材料與無機材料相比具有更大的非線性光學靈敏度和速度匹配，因此利用有機材料作為THz發生器可以獲得更大的功率級，但受到材料損傷閾值的限制。

表1：光學-太赫茲頻率轉換研究的有機和無機非線性光學材料的相關參數。在泵浦光波長處的折射率n0和基團指數ng;折射率nTHz在THz范圍內;電光系數r;利用光學整流產生THz的優點FMTHz圖。 有機晶體:DAST, DSTMS, OH1 LAPC:主-客體聚合物 無機晶體:GaAs, ZnTe, InP, GaP, ZnS, CdTe, LiNbO3

表中顯示了與無機晶體相比，的有機晶體以及電光聚合物LAPC的THz波產生的的材料參數。從表中可以看出，有機晶體OH1、DSTMS和OH1的質量分數大。在平均光泵波長上，當THz折射率nTHz接近群折射率ng時，相位匹配是可能的。這種相位匹配通常被稱為群速度匹配，通常用于飛秒泵浦激光器的光整流產生寬帶THz波。

的無機電光材料，如LiNbO3離相位匹配條件還很遠，只能在特殊配置下使用。因此，雖然具有較低的電光系數和優點的半導體電光材料，如ZnTe，因為它們可以操作接近相位匹配。有機材料結合了高質量和速度匹配的可能性，因此我們選擇了這些材料來制作我們的儀器。有機晶體DAST、DSTMS和OH1在波長1200-1600 nm范圍內對飛秒激光光源的相位匹配，這使得它們對于袖珍桌上型THz儀器非常有吸引力。它們還可以在寬范圍的THz頻率范圍內進行接近速度匹配的操作，使低功率飛秒激光源實現產生寬帶THz成為可能。顯示了一個使用TeraSys?- ULTRA在有機晶體DSTMS中生成寬帶THz場的例子，與使用微型的飛秒光纖激光源的半導體天線生成的場相比。

在有機晶體DSTMS (TeraSys?- ULTRA)中使用飛秒泵浦激光器和THz時域光譜學產生的THz脈沖的頻率函數和典型的PC天線范圍內的THz場振幅。

有機THz發生器和探測器

太赫茲發生器和探測器是在瑞士的彩虹光子學工廠生產和光學準備的。彩虹光電股份有限公司是世界上的有機單晶THz發生器的商業生產商。

我們的THz發生器的應用范圍：泵浦激光器的波長范圍在1200-1600nm是合適的。當使用光整流時，脈沖越短，產生的THz帶寬越大。

探測：在太赫茲時域光譜學中，可以使用常見的技術來檢測有機晶體中產生的太赫茲信號。為了在較寬的THz范圍內達到的檢測效率，同樣的有機材料也可以用于電光檢測，使用與標準電光采樣不同的原理，而標準電光采樣僅限于光學各向同性材料。對于有機晶體(或其他雙折射材料)，THz感應的透鏡可以使用與電光采樣類似的靈敏度。

太赫茲時域光譜和成像：TeraSys?-ULTRA和TeraIMAGE?

TeraSys?- ULTRA為光譜和成像提供市場上超寬的THz帶寬，并為實時、THz成像和光譜提供終解決方案。它是一個微型的太赫茲儀器尋址：在太赫茲(THz)頻率實時感應、檢測、分析和處理方法。它是基于有機晶體，允許使用的太赫茲頻率高達20太赫茲，這是傳統天線所不能達到的，它具有每秒4個光譜的實時采集功能。TeraSys12?提供了一個THz帶寬高達12 THz的實時采集。

TeraSys?- ULTRA中的THz檢測是使用特殊的光學和電子元件(細節是保密的)進行優化的，因此可以使用相對低功率的飛秒光纖激光器實現高信噪比。時域THz信號及其頻譜的一個例子如圖所示，它具有每秒4個光譜的采集時間。

在TeraSys?- ULTRA中使用0.45 mm厚的DSTMS晶體來產生和檢測THz，并使用一個脈沖長度為20 fs的泵浦激光器，平均功率為120 mW，能量/脈沖為3.5 nJ。

TeraIMAGE?THz時域光譜儀具有成像選項，除了與TeraSys?相同的光譜部分外，還包括成像部分，該部分具有所有必要的機械控制和數據采集軟件，用于掃描50 x 50 mm2以下的物體(可根據要求提供更大的尺寸)。

光學圖像(由普通相機拍攝)和太赫茲圖像(由TeraIMAGE?拍攝)，顯示一塊具有視覺上缺陷不可見的塑料

使用TeraIMAGE?檢測UHMWPE(超高分子量聚乙烯)中的隱藏洞的THz圖像

窄帶可調諧太赫茲源：TeraTune?

許多材料不僅在高達約3 THz的THz范圍內都表現出特定的吸收特性（指紋），因為光電導天線可以達到該范圍，但也高于上面的范圍，因此進行了廣泛的研究，請參見下表。水蒸氣的吸收導致在空氣中的衰減，這限制了大約10 THz以下的應用可能性范圍變得更小（在18 THz時達到四個數量級），這使得高達20 THz擴展THz的范圍引起了關注。

空氣中THz輻射的衰【來自Appleby等人，IEEE 2007】。在10 THz以上，空氣中的衰減明顯小于10 THz以下。這開辟了廣泛的新應用可能性，如遠程成像和遙感。

在某些應用中，窄帶內的高THz波束功率比寬帶脈沖更可取。寬帶產生技術產生的總太赫茲功率分布在脈沖的頻譜范圍內；因此，任何特定頻率下的功率密度本來就很低。為了在一定的THz頻率下獲得合理的轉換效率，具有高波束峰值功率的窄帶脈沖輸出。

TeraTune?一個可調諧的窄帶THz源，窄線寬小于100 GHz，調優范圍為1-20 THz。2012年，彩虹光電將這一*的THz光源引入市場，它是基于有機THz發生器DSTMS和OH1中納秒脈沖的差頻產生。合適的紅外泵浦光脈沖是在一個*設計的雙波長OPO(光參量振蕩器)中產生的，該光參量振蕩器可在1330-1480 nm范圍內進行調諧，產生兩個頻率差在THz范圍內的窄帶納秒脈沖。波長可以通過角度調整OPO晶體來調整，OPO晶體由相應的軟件控制。為了在不同的THz頻率下獲得的效率，發生器晶體可外接開關。

高THz峰值功率超過30 W使用OH1產生晶體可以達到1.25 THz，使用1毫米厚DSTMS晶體的可調諧譜如圖所示。

TeraTune?:可調(1-20 THz)窄線寬(<100 GHz) THz源

使用1毫米DSTMS THz發生器的TeraTune?調諧曲線。在某些頻率，可達到的THz峰值功率較低，這可能是由于產生材料本身對THz的吸收，也可能是由于相位匹配不完善。產生晶體相對較厚(1mm)，因此產生相位匹配的地方可以獲得較高的效率。

THz波的應用

太赫茲波的某些應用與這些波的*性質有關，以激發“Reststrahlen"范圍內的分子振動和晶格振動。此外，太赫茲波顯示出低吸收性，并通過大多數非導電的均質塑料、紙張、卡通、大多數衣服等傳播，因此可以檢測到隱藏的有害物質。因此，除了材料的太赫茲光譜外，這些波還可能對安全性應用有用，而且還可用于識別非導電材料中的缺陷。對于導電和部分導電的材料，太赫茲光譜可以深入了解這些材料中電荷傳輸的機理。在這里，我們給出了太赫茲光譜的一些示例，并說明了使用有機非線性光學材料產生和檢測太赫茲波的材料測試。

(a) 顯示了使用THz時域光譜測量的幾種的THz光譜。

(b) 顯示了隱藏在兩個特氟龍板后面的Semtex樣品，可以看到;光波(左)和THz波(右，:綠色;右上角的黃色區域對應于左圖中的紅色貼紙)。

(c) 顯示了隱藏在一個信封中的蠟樣芽孢桿菌(炭疽)樣本的圖片和THz圖像。

(d) 顯示了一堆透明膠片的光學和THz圖片，其中標簽“ ETH"已在其中一張透明膠片中被切掉（可見光看不到），并且由于相位的原因，其THz透射圖像給出了完整的對比度圖像，切除區域中太赫茲波的偏移（“缺陷"）。 第二張圖片顯示了如何通過太赫茲波使嵌入塑料中的金屬缺陷或夾雜物（帶有“ NLO"符號的金屬線）可見。后一幅圖顯示了一塊塑料上的一個空洞，

(e) 顯示了隱藏在信封中的上的號碼。

(f) 顯示了帶有和不帶有缺陷的聚乙烯樣品的THz反射圖像示例。可以在3D中以小于10μm的分辨率顯示這些空隙，低于波長（縱向）分辨率的原因在于，可以非常精確地確定反射波的相移和時間分辨率。

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