摘要 光電測(cè)試技術(shù)是太赫茲輻射研究的重要基礎(chǔ)技術(shù)。文章首先介紹兩種太赫茲量子器件的工作原理和最新進(jìn)展，隨后主要介紹太赫茲量子器件在脈沖激光功率測(cè)量技術(shù)、快速調(diào)制與直接探測(cè)技術(shù)、激光偏振轉(zhuǎn)換與測(cè)量以及光纖損耗測(cè)量技術(shù)及相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用。最后總結(jié)基于太赫茲量子器件的光電測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞 太赫茲輻射，光電測(cè)試技術(shù)，量子級(jí)聯(lián)激光器，量子阱探測(cè)器
01引 言
太赫茲(THz)頻段介于紅外光與毫米波之間，是一段有待深入和全面研究的電磁波段。太赫茲頻段覆蓋0.1—10 THz，對(duì)應(yīng)波長0.03—3 mm。在20世紀(jì)八、九十年代把太赫茲頻段單獨(dú)劃分出來研究和發(fā)展之前，這段電磁波通常被稱為極遠(yuǎn)紅外波段和毫米波段，對(duì)該頻段的研究也主要集中在天文學(xué)和材料科學(xué)。隨著材料技術(shù)、激光技術(shù)和能帶工程的發(fā)展，緊湊型的太赫茲輻射源和探測(cè)器逐漸出現(xiàn)并獲得性能上的不斷提高[1，2]。隨著太赫茲輻射產(chǎn)生和探測(cè)手段的快速發(fā)展，該頻段的光電測(cè)試技術(shù)和系統(tǒng)逐步得到完善和更新?lián)Q代，一些傳統(tǒng)方法難以準(zhǔn)確測(cè)量的物理參數(shù)也可以較為方便地獲得。該頻段的光電測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)跟紅外光和可見光的類似，主要以1—10 THz頻段的光電技術(shù)為主；而小于1 THz的頻段更多的是類似于毫米波和微波的測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)。光電測(cè)試技術(shù)是太赫茲頻段應(yīng)用技術(shù)的重要基礎(chǔ)，涵蓋了該頻段的器件測(cè)量技術(shù)、光譜測(cè)量技術(shù)、光調(diào)制解調(diào)和發(fā)射接收技術(shù)等，相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)包括太赫茲功率測(cè)量系統(tǒng)、快速光譜測(cè)量系統(tǒng)、無線信號(hào)傳輸系統(tǒng)、功能器件測(cè)量系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)等，上述技術(shù)與系統(tǒng)在太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
在太赫茲頻段逐漸成熟的輻射源和探測(cè)器中，以太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器(quantum-cascade laser，QCL)和量子阱探測(cè)器(quantum-well photodetector，QWP)為代表的半導(dǎo)體多量子阱結(jié)構(gòu)器件，因其制備工藝成熟、性能穩(wěn)定、體積小、壽命長等特點(diǎn)而被廣泛研究，并逐步應(yīng)用于本地振蕩源、快速探測(cè)與成像系統(tǒng)、無線信號(hào)傳輸系統(tǒng)中[1—5]。
02太赫茲量子器件概述
2.1 太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器
太赫茲量子器件通常指基于低維半導(dǎo)體材料的THz QCL和THz QWP。THz QCL是THz頻段的主要激光源之一，工作頻率可覆蓋1—5 THz。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易集成、壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。THz QCL的工作過程主要由電子參與，是一種單極器件，其工作原理為：采用分子束外延生長技術(shù)，通過交替生長的化合物半導(dǎo)體(主要為GaAs/AlGaAs)材料薄層形成周期性低維半導(dǎo)體模塊，每個(gè)周期包含多層量子阱層(GaAs材料)和勢(shì)壘層(AlGaAs材料)，當(dāng)施加外部電場時(shí)，電子通過級(jí)聯(lián)的方式從一個(gè)周期到達(dá)另一個(gè)周期，每一步躍遷輻射出一個(gè)太赫茲頻段的光子，多個(gè)周期輻射出的太赫茲光子通過級(jí)聯(lián)的方式匯集，并在器件脊條形成的腔體中不斷增益，最后形成太赫茲輻射輸出[1，5]。這種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)就像多級(jí)瀑布的水流形成的水勢(shì)能一樣，通過多級(jí)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)能量的多級(jí)疊加。THz QCL自2002年首次被驗(yàn)證以來[6]，在工作溫度、輸出功率、光束質(zhì)量方面發(fā)展迅速[7]，截至目前，THz QCL的激射頻率可覆蓋1.2—5.2 THz范圍[2]，在脈沖激射模式下，最高工作溫度可達(dá)250 K[8]，最高脈沖峰值功率已達(dá)到瓦級(jí)以上[9，10]；在連續(xù)波模式下，最高工作溫度為129 K[11]，最大輸出功率為230 mW[12]。在器件激光耦合輸出方面，采用超半球透鏡可將光束發(fā)散角減小至3 以內(nèi)[13]，采用內(nèi)置反射鏡可將光束發(fā)散性減小至2 以內(nèi)[7]。在激光源裝置開發(fā)方面，斯特林制冷型太赫茲激光源最大有效輸出功率大于4 mW[14]；液氮冷卻型太赫茲激光源最大有效輸出功率大于1 mW[7]。上述THz QCL輸出激光的各項(xiàng)性能已基本滿足太赫茲頻段光路校準(zhǔn)、光電測(cè)量和成像系統(tǒng)等應(yīng)用?？傮w來說，基于THz QCL的激光源，其輻射功率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光學(xué)泵浦源和熱輻射源，且與龐大而昂貴的超快激光源或氣體激光器相比，THz QCL在構(gòu)建緊湊型太赫茲光電測(cè)試系統(tǒng)和太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)方面更具優(yōu)勢(shì)[7，15]。
2.2 太赫茲量子阱探測(cè)器
THz QWP[16]是太赫茲頻段中頗具潛力的一種半導(dǎo)體光電探測(cè)器，它源于紅外頻段的量子阱結(jié)構(gòu)探測(cè)器在太赫茲頻段的延伸。與紅外量子阱探測(cè)器一樣，THz QWP具備有源區(qū)結(jié)構(gòu)簡單、探測(cè)響應(yīng)速度快、工作性能穩(wěn)定、易集成和損傷閾值高等優(yōu)點(diǎn)，在2 THz以上頻段具有較好的綜合性能，特別適合太赫茲頻段的高速探測(cè)與快速成像應(yīng)用[7]。THz QWP的工作原理為：采用分子束外延生長技術(shù)，通過交替生長的化合物半導(dǎo)體(主要為GaAs/AlGaAs)材料薄層形成周期性低維半導(dǎo)體模塊，每個(gè)周期包含一層摻雜的量子阱層(GaAs材料)和一層勢(shì)壘層(AlGaAs材料)，當(dāng)外加太赫茲輻射作用于器件敏感面時(shí)，位于量子阱中束縛態(tài)的電子吸收太赫茲光子能量后躍遷至接近勢(shì)壘邊的準(zhǔn)連續(xù)態(tài)，形成光生載流子(電子)，并在外加偏壓的作用下形成特定方向的光電流，通過測(cè)量和分析光電流的大小和變化可以得到入射光輻射的強(qiáng)弱和變化情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲輻射的探測(cè)[7]。器件的峰值響應(yīng)頻率由上述結(jié)構(gòu)中束縛態(tài)到準(zhǔn)連續(xù)態(tài)的能量間隔決定，上述能量間隔可通過調(diào)節(jié)有源區(qū)勢(shì)壘高度、量子阱寬度和阱中摻雜濃度等參數(shù)來改變，從而實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)[17]。自從2004年世界上首個(gè)THz QWP由加拿大的Liu等[16]研制成功后，器件在有源區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、光電性能提高和應(yīng)用研究[17—19]方面均取得了重要進(jìn)展。截至目前，除了因GaAs材料剩余射線吸收帶導(dǎo)致的器件無響應(yīng)頻段之外，太赫茲頻段器件的峰值探測(cè)頻率可覆蓋1.5—10 THz，器件最大峰值響應(yīng)率可達(dá)5 A/W以上，噪聲等效功率(NEP)優(yōu)于0.5 pW/Hz0.5 [20]。在器件應(yīng)用研究方面，基于THz QWP的快速探測(cè)技術(shù)得到了較好的發(fā)展，分別應(yīng)用于1 THz頻段以上的太赫茲光無線信號(hào)傳輸系統(tǒng)[21]、快速調(diào)制激光的直接探測(cè)系統(tǒng)[22]以及太赫茲快速掃描成像系統(tǒng)[23]。此外，F(xiàn)u等[24]采用頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了THz QWP與光電二極管(LED)在材料上的有效集成，研制出具有成像功能的太赫茲頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)芯片，并獲得了很好的成像效果。
圖1 1個(gè)THz QWP的歸一化光響應(yīng)譜與5個(gè)THz QCLs歸一化發(fā)射譜對(duì)比圖
THz QCL和THz QWP器件性能的不斷提高，為太赫茲頻段技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展提供了很好的輻射源和探測(cè)器，圖1所示為一個(gè)峰值探測(cè)頻率為3.22 THz的QWP器件光電流譜與多個(gè)THz QCLs激射頻率的對(duì)照?qǐng)D。由圖可知，在太赫茲光電測(cè)試系統(tǒng)中，一個(gè)THz QWP器件基本上可以覆蓋2—5 THz頻段所有THz QCL的工作頻率，從而可以大大減少系統(tǒng)中探測(cè)器的數(shù)量，降低測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建成本。
03基于太赫茲量子器件的光電測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)
3.1 太赫茲脈沖激光峰值功率測(cè)量技術(shù)
輸出功率是太赫茲頻段激光器應(yīng)用的重要性能指標(biāo)，激光器輸出功率的大小直接決定了其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。因此，如何精確地測(cè)量出器件的有效輸出功率是器件應(yīng)用之前的重要環(huán)節(jié)。脈沖激光是太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中常用的激光狀態(tài)，脈沖激光的重復(fù)頻率通常在kHz量級(jí)以上，脈寬在微秒量級(jí)。在傳統(tǒng)的基于熱探測(cè)器的太赫茲脈沖光功率測(cè)量中，由于熱探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間大多數(shù)都在毫秒和亞毫秒量級(jí)，脈沖激光被熱探測(cè)器以平均能量的形式測(cè)量到，然后再根據(jù)其占空比計(jì)算得到脈沖激光的峰值功率。然而，不同熱探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間和積分時(shí)間各有不同，得到的平均功率也有較大的起伏和差異，導(dǎo)致功率測(cè)量過程中因探測(cè)器帶來的誤差較大。為此，在太赫茲脈沖功率需要精確測(cè)量的系統(tǒng)中，需要一種可以將脈沖激光探測(cè)后還原成電驅(qū)動(dòng)脈沖形狀，并可根據(jù)探測(cè)信號(hào)的幅度直接得到脈沖激光功率的探測(cè)技術(shù)。
THz QWP作為在1.5—10 THz頻段響應(yīng)非常快速的一種探測(cè)器，在脈沖激光功率的測(cè)量方面頗具優(yōu)勢(shì)。采用具有快速響應(yīng)特性的THz QWP和離軸拋物面反射鏡(OAP)來直接表征脈沖激光的峰值功率，無需像熱探測(cè)器那樣進(jìn)行包絡(luò)積分，可直接根據(jù)探測(cè)器和放大器的參數(shù)計(jì)算得到脈沖激光的峰值功率。
圖2為太赫茲脈沖激光器峰值功率測(cè)量裝置示意圖，脈沖驅(qū)動(dòng)電源給太赫茲激光器供電，使激光器輸出與電脈沖波形一致的太赫茲激光，同時(shí)將脈沖同步信號(hào)輸入到顯示波形信號(hào)的示波器，THz QWP探測(cè)到脈沖激光后產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的脈沖光電流，上述脈沖光電流被電流放大器放大后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后輸入示波器與電驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)比顯示。根據(jù)示波器上顯示的探測(cè)信號(hào)波形幅度、電流放大器靈敏度和探測(cè)器響應(yīng)率，計(jì)算出到達(dá)THz QWP上太赫茲脈沖激光的峰值功率。
圖2 基于THz QWP的太赫茲脈沖激光器峰值功率測(cè)量裝置示意圖
脈沖工作模式下的THz QCL通常由重復(fù)頻率為100 Hz—100 kHz、脈寬為0.5—50 μs的電流或電壓驅(qū)動(dòng)。采用如圖2所示的裝置，測(cè)量并計(jì)算得到了一個(gè)THz QCL的脈沖峰值功率，其中器件的中心工作頻率為4.02 THz(圖1)。測(cè)量過程中，THz QWP為電流響應(yīng)率已知的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器，所用器件與文獻(xiàn)[7]中報(bào)道的相同，器件的峰值電流響應(yīng)率為0.52 A/W。由圖1計(jì)算得到器件在4.02 THz處的實(shí)際電流響應(yīng)率，再根據(jù)圖3綠色波形測(cè)得的信號(hào)幅度(1.64 V)和探測(cè)器前置放大器的放大靈敏度，計(jì)算得出到達(dá)THz QWP的脈沖激光峰值功率為4.5 mW。由于太赫茲脈沖激光到達(dá)THz QWP之前，被低溫裝置上的聚乙烯窗口衰減，經(jīng)傅里葉變換光譜儀的測(cè)量，低溫恒溫器上的高密度聚乙烯(HDPE，厚度3 mm)窗口在4.02 THz處的透過率為0.61[7]。因此，在不考慮測(cè)量裝置收集效率和大氣吸收的情況下，輸出脈沖激光的有效功率為4.5 mW 0.61 7.38 mW。而實(shí)際上，當(dāng)考慮測(cè)量裝置收集效率和大氣吸收時(shí)，從太赫茲激光器窗口處輸出的實(shí)際脈沖峰值功率應(yīng)該更大。
圖3 THz QCL驅(qū)動(dòng)電壓波形(上，黃色)和THz QWP響應(yīng)信號(hào)波形(下，綠色)。
上述測(cè)量裝置及測(cè)量方法可以快速而準(zhǔn)確地得到光學(xué)鏡會(huì)聚焦點(diǎn)處太赫茲脈沖激光的峰值功率，進(jìn)而計(jì)算出太赫茲激光器的脈沖峰值輸出功率，為標(biāo)準(zhǔn)太赫茲激光源的應(yīng)用提供了很好的測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)。
3.2 太赫茲光快速調(diào)制技術(shù)與直接探測(cè)系統(tǒng)
太赫茲頻段具有豐富的通信帶寬資源，是未來超寬帶、大容量通信系統(tǒng)的潛在應(yīng)用頻段。太赫茲量子器件作為該頻段非常重要的發(fā)射端和接收端器件，是實(shí)現(xiàn)太赫茲光通信的兩個(gè)關(guān)鍵器件。要實(shí)現(xiàn)大容量的太赫茲光通信系統(tǒng)，首先要研究太赫茲量子器件的快速調(diào)制和探測(cè)響應(yīng)性能。由于工作時(shí)，器件內(nèi)部具有皮秒量級(jí)的載流子躍遷過程，THz QCL非常適合于快速的直接調(diào)制[25]，因此，THz QCL是1—5 THz頻段首選的通信系統(tǒng)發(fā)射端器件。在探測(cè)端，THz QWP的內(nèi)在響應(yīng)時(shí)間也在皮秒級(jí)，是2—7 THz頻段非常具有潛力的快速探測(cè)器，也適合于高速探測(cè)和高速通信應(yīng)用。于是Chen和Gu等[25，26]采用THz QCL作為發(fā)射端先后實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)和實(shí)時(shí)視頻信號(hào)的無線傳輸演示，填補(bǔ)了國內(nèi)1—5 THz無線信號(hào)傳輸?shù)目瞻?，也充分?yàn)證了太赫茲量子器件在無線信號(hào)傳輸方面的應(yīng)用性能。然而，由于缺乏阻抗匹配的信號(hào)處理電路和跨阻放大技術(shù)，早期基于上述兩種器件的無線傳輸系統(tǒng)的鏈路帶寬僅達(dá)到40 MHz水平[26]。我們必須尋找新的調(diào)制和解調(diào)方法，將兩種太赫茲量子器件的內(nèi)在高速性能發(fā)揮出來。
盡管采用上轉(zhuǎn)換探測(cè)的方法，THz QCL已被驗(yàn)證具有非常快速的被調(diào)制特性[27]，但對(duì)THz QCL輸出的高速調(diào)制太赫茲光的直接探測(cè)因缺乏有效而快速的探測(cè)手段，一直未能解決。為此，Tan和Li等[22]提出了一種基于射頻注入方法的太赫茲快速調(diào)制與直接探測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的電學(xué)連接與光路示意圖如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)快速調(diào)制太赫茲光的直接探測(cè)，THz QWP采用傳輸線封裝方式，其電極可以直接與傳輸線相連。具體的快速調(diào)制與探測(cè)過程為：首先給THz QCL施加直流偏壓，使器件工作在激射閾值電壓附近，隨后將射頻源產(chǎn)生的射頻信號(hào)經(jīng)電流加法器加載到THz QCL上，使其輸出與射頻信號(hào)同周期變化的太赫茲激光，THz QWP接收到被快速調(diào)制的太赫茲激光之后產(chǎn)生相應(yīng)的光電流，通過另一個(gè)電流加法器輸出至放大器，然后輸入到示波器中進(jìn)行顯示，為了獲得更穩(wěn)定的信號(hào)波形，需將射頻源的參考信號(hào)接入示波器或頻譜分析儀中。根據(jù)示波器或頻譜分析儀中顯示的信號(hào)頻率，得出被解調(diào)太赫茲激光的調(diào)制速率。
圖4 基于THz QCL和THz QWP的高速調(diào)制與直接探測(cè)裝置示意圖
為了驗(yàn)證上述太赫茲光的快速調(diào)制與探測(cè)過程，我們使用圖4所示裝置，用一個(gè)激射頻率4.2 THz的QCL和峰值探測(cè)頻率4.3 THz的 QWP，實(shí)現(xiàn)了對(duì)0.5 GHz快速調(diào)制太赫茲激光的直接探測(cè)[22]?？焖僬{(diào)制與探測(cè)的信號(hào)波形如圖5所示，其中綠色曲線為加載到THz QCL的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，黃色曲線為THz QWP的響應(yīng)信號(hào)。從圖5可以看出，探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)與激光器的射頻調(diào)制信號(hào)相比，二者在幅度變化上非常一致，只是時(shí)序上響應(yīng)信號(hào)延遲了約1 ns，這一點(diǎn)主要是由系統(tǒng)延遲所致。隨后，Li和Tan等又將THz QWP上探測(cè)到的光學(xué)拍頻信號(hào)進(jìn)行了提取和放大，實(shí)現(xiàn)了6.2 GHz的探測(cè)性能[28]。上述演示實(shí)驗(yàn)充分展示了對(duì)太赫茲激光的快速調(diào)制及直接探測(cè)，為進(jìn)一步發(fā)展基于太赫茲量子器件的高速調(diào)制、探測(cè)與信號(hào)傳輸技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
圖5 驅(qū)動(dòng)THz QCL出光的射頻源信號(hào)(綠色波形)和THz QWP響應(yīng)信號(hào)(黃色波形)對(duì)比圖[28] (a)300 MHz；(b)500 MHz
3.3 太赫茲偏振測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)
太赫茲頻段的偏振特性測(cè)量與紅外和可見光頻段類似，測(cè)試系統(tǒng)中通常需要配置多個(gè)太赫茲線偏振片，本文介紹的太赫茲偏振測(cè)試系統(tǒng)主要包括太赫茲光偏轉(zhuǎn)特性測(cè)量系統(tǒng)和太赫茲光偏振轉(zhuǎn)換測(cè)量系統(tǒng)。
3.3.1 太赫茲光偏轉(zhuǎn)特性測(cè)量系統(tǒng)
異常折射是太赫茲頻段特異材料研究的重要方向之一，通過在常規(guī)基底材料上設(shè)計(jì)和制備特定的微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射太赫茲光的異常折射，這種異常折射的太赫茲光會(huì)在與光傳播方向的某個(gè)夾角處出現(xiàn)次極大信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射太赫茲光的偏轉(zhuǎn)傳播功能。異常折射材料在光譜測(cè)量、成像和探測(cè)領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。
我們采用小型化太赫茲激光源和戈萊盒(Golay cell)探測(cè)器搭建了異常折射材料樣品的太赫茲光偏轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量裝置光路示意圖如圖6所示。測(cè)量系統(tǒng)的工作原理為：將樣品放置于平行傳播的太赫茲線偏振光中，保持樣品表面的法向與太赫茲光傳播方向一致，經(jīng)過樣品異常折射后的太赫茲線偏振光會(huì)出現(xiàn)偏振狀態(tài)和傳播方向的改變(即偏轉(zhuǎn))，采用配置了太赫茲檢偏器的戈萊盒沿水平方向旋轉(zhuǎn)，測(cè)量不同角度上太赫茲線偏振光的信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制出經(jīng)過樣品后的太赫茲線偏振光隨傳播角度的變化曲線，最后根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷樣品的偏轉(zhuǎn)水平。圖6所示測(cè)量系統(tǒng)可測(cè)量入射線偏振太赫茲光經(jīng)異常折射樣品后-55 —55 (即θ值)角度范圍內(nèi)的折射偏振光，測(cè)量系統(tǒng)的工作頻率由THzQCL的激射頻率確定，探測(cè)端采用戈萊盒探測(cè)器。
圖6 太赫茲光偏轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)光路示意圖
我們采用圖6所示測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了聚酰亞胺(PI)基V型金屬微結(jié)構(gòu)薄膜[29]對(duì)太赫茲偏振光傳播方向的改變，通過測(cè)量樣品兩個(gè)放置角度(微結(jié)構(gòu)排列與太赫茲光偏振方向的夾角分別為0 和90 )下的太赫茲線偏振信號(hào)，獲得了線偏振光信號(hào)隨偏轉(zhuǎn)角度θ的分布(圖7)。由圖可知，當(dāng)微結(jié)構(gòu)排列方向與太赫茲光偏振方向呈0 時(shí)(黑色實(shí)心方形線)，經(jīng)過異常折射樣品后的太赫茲光除了在0 方向有極大信號(hào)之外，在-21 的地方有次極大信號(hào)，說明太赫茲光在傳播過程中發(fā)生了偏振傳播，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲線偏振光的異常折射效應(yīng)。以上測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)量結(jié)果為進(jìn)一步研究太赫茲光的傳播和偏振測(cè)量提供了很好的手段。
圖7 聚酰亞胺(PI)基 V 型金屬微結(jié)構(gòu)薄膜對(duì)入射太赫茲光的偏轉(zhuǎn)效果
3.3.2 太赫茲光偏振轉(zhuǎn)換測(cè)量系統(tǒng)
太赫茲線偏振片本質(zhì)上是平行排列的金屬條，它是在聚合物基底上蒸鍍V型金屬條，再用金屬架固定后制作而成。太赫茲線偏振片除了對(duì)偏振光具有起偏和檢偏作用外，還具有一定的透射和反射功能，利用這一點(diǎn)，Luo和Tan等[30]構(gòu)建出一種寬譜的太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器，其光路示意圖如圖8所示。THz QCL發(fā)出的線偏振光被一個(gè)離軸拋物面鏡(OAP)收集和準(zhǔn)直成平行太赫茲光，然后依次經(jīng)過第一線偏振片(P1)、第二線偏振片(P2)、平面反射鏡(M)和第三線偏振片(P3)后被太赫茲透鏡收集，會(huì)聚到戈萊盒探測(cè)器中。其中，P1與太赫茲光的線偏振方向成45 夾角，P2的反射面與入射太赫茲光的方向成45 夾角，平面反射鏡與P2平行且與P2的距離(d)控制在幾個(gè)太赫茲光波長范圍內(nèi)。P3則對(duì)偏振轉(zhuǎn)換后的太赫茲光進(jìn)行檢偏，太赫茲透鏡的作用是將檢偏后的太赫茲光盡可能多地收集到太赫茲探測(cè)器上。圖8(b)為入射太赫茲線偏振光經(jīng)過平面反射鏡M與線偏振片P2組成的干涉結(jié)構(gòu)后，形成不同偏振光狀態(tài)的原理示意圖。透過P2的太赫茲偏振光被M反射后在P2表面與P2直接反射的太赫茲偏振光干涉，且二者的相位差與距離d相關(guān)，從而形成偏振狀態(tài)可調(diào)的合束太赫茲偏振光。
圖8 (a)太赫茲偏振轉(zhuǎn)換裝置光路示意圖；(b)偏振轉(zhuǎn)換原理示意圖[30]
我們采用圖8(a)所示的裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)THz QCL輸出線偏振光的有效轉(zhuǎn)換，通過調(diào)節(jié)平面反射鏡M與線偏振P2的距離d，可實(shí)現(xiàn)太赫茲光從線偏振(相位差為nπ，n=0，1，2，…)到橢圓偏振(相位差介于(n/2)π和nπ之間，n=0，1，2，…)再到圓偏振(相位差為(n/2)π，n=0，1，2，…)的周期性切換(圖9)，該THz QCL的工作頻率為4.3 THz，對(duì)應(yīng)波長為70 μm。
圖9 調(diào)節(jié) M 與 P2 之間的距離 d 實(shí)現(xiàn)的偏振轉(zhuǎn)換結(jié)果，相位差在0—π變化，對(duì)應(yīng)于偏振狀態(tài)從線偏振 橢圓偏振 圓偏振 橢圓偏振 線偏振[30]
由于所采用的太赫茲線偏振片上金屬線條的尺寸較小，工作頻率寬，因此該太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器具有工作頻率覆蓋范圍廣、易于調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，該太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)，為研制基于太赫茲量子器件的偏振轉(zhuǎn)換與測(cè)量系統(tǒng)，研究2—5 THz頻段的橢偏技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
3.4 太赫茲光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)
光纖是電磁波獲得應(yīng)用的一種重要媒介。與紅外和可見光一樣，太赫茲領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，尤其是系統(tǒng)的小型化和集成化發(fā)展都離不開光纖的使用。目前在太赫茲頻段，還沒有找到特別合適的材料，能像1550 nm和1310 nm光纖那樣實(shí)現(xiàn)近紅外光的低損耗傳輸。因此，開發(fā)具有低損耗、可彎曲的太赫茲光纖并將其應(yīng)用于光電測(cè)試技術(shù)和成像等系統(tǒng)中，對(duì)縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要作用。
太赫茲光纖損耗的測(cè)量由于沒有像近紅外波段那樣的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量產(chǎn)品，研究過程中需要搭建非標(biāo)的測(cè)量系統(tǒng)。為了研究THz QCL輸出激光在定制太赫茲光纖中的傳輸特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲空芯光纖損耗的準(zhǔn)確測(cè)量，我們搭建了基于THz QCL激光源的空芯光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和光路示意圖如圖10所示，THz QCL發(fā)出的激光經(jīng)一組離軸拋面鏡后會(huì)聚于光纖入口，在光纖入口處安裝三維調(diào)節(jié)架及夾具，將太赫茲激光準(zhǔn)確地耦合進(jìn)光纖中；在光纖中段，采用特定夾具對(duì)光纖進(jìn)行固定，且固定裝置可以移動(dòng)，以形成彎曲的空芯光纖，便于彎曲損耗的測(cè)量；在光纖出口處放置太赫茲功率計(jì)或陣列探測(cè)器，分別用于測(cè)量經(jīng)光纖傳輸后的太赫茲光功率和光能量二維分布(即光斑模式分布)。通過對(duì)比測(cè)量光纖入口處和出口處的太赫茲光功率，獲得光纖的傳輸損耗；再通過夾具將空芯光纖彎曲，獲得不同彎曲曲率下的損耗。需要說明的是，為了消除大氣對(duì)太赫茲激光的吸收影響，上述光纖損耗測(cè)量時(shí)，太赫茲空芯光纖充入了用于減小大氣吸收的氮?dú)狻?/p>
圖10 太赫茲介質(zhì)膜空芯光纖損耗測(cè)量裝置示意圖
在眾多被研究的太赫茲光纖中，介質(zhì)/金屬膜結(jié)構(gòu)空芯光纖[31]是非常重要的一種。它具有制作工藝成熟、傳輸損耗和彎曲損耗相對(duì)較小等特點(diǎn)，未來有望在太赫茲標(biāo)準(zhǔn)光源、光電測(cè)試系統(tǒng)、成像系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。介質(zhì)/金屬膜結(jié)構(gòu)的空芯光纖的制備順序?yàn)椋涸诨軆?nèi)面先鍍制金屬薄膜，再鍍制增透介質(zhì)層，利用光纖內(nèi)壁的多層膜實(shí)現(xiàn)高反射率從而降低傳輸損耗，這種結(jié)構(gòu)的空芯光纖要求基管的表面光滑、均勻性好。考慮到彎曲損耗測(cè)量涉及到可彎曲等形變因素，基管材料通常選擇高分子聚合物。此外，根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)中THz QCL的工作波長(120 μm)，為了獲得低損耗及與太赫茲激光波長相匹配的耦合效果，空芯光纖的內(nèi)徑選擇為4 mm。
圖11 三種光纖在不同彎曲角度下測(cè)得的光纖損耗(a)和附加彎曲損耗(b)[31]
為了對(duì)比介質(zhì)膜及其濃度變化在降低傳輸損耗上的效果，我們制備了內(nèi)表面只鍍金屬銀(Ag光纖)、鍍12%濃度COP/Ag和鍍18%濃度COP/Ag三種光纖，其中COP為Cyclo Olefin Polymer，是一種環(huán)烯烴聚合物。采用圖10所示裝置測(cè)量了三種太赫茲空芯光纖的傳輸損耗和彎曲損耗。在彎曲損耗測(cè)量時(shí)，通過夾具將光纖兩端固定，進(jìn)行不同角度(45 、90 、180 )狀態(tài)下彎曲損耗的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖11所示。由圖可知，18%濃度COP/Ag光纖對(duì)120 μm太赫茲激光的傳輸損耗和彎曲損耗最小，分別為3.93 dB/m和0.62 dB/m[31]，即采用1 m長度的光纖傳輸120 μm太赫茲激光的效率為40%(只有40%的光從光纖出口輸出)。從上述研究結(jié)果來看，太赫茲空芯光纖的性能距離理想狀態(tài)下的應(yīng)用型光纖(傳輸效率大于99%)還有很大差距，但作為減小光學(xué)系統(tǒng)元件體積、提高系統(tǒng)集成度的一種手段，目前的傳輸效率可以在一些實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的測(cè)量系統(tǒng)中開始應(yīng)用了。
04總結(jié)和展望
太赫茲光電測(cè)試與表征結(jié)果的好壞，依賴于所使用的太赫茲激光源和探測(cè)器的性能與水平，太赫茲領(lǐng)域的諸多技術(shù)目前還不是很成熟，因此構(gòu)建一套穩(wěn)定可靠的表征系統(tǒng)是發(fā)展太赫茲技術(shù)、實(shí)現(xiàn)可重復(fù)測(cè)量的重要基礎(chǔ)。本文圍繞基于太赫茲量子器件的光電測(cè)試技術(shù)和相關(guān)系統(tǒng)，從脈沖激光峰值功率測(cè)量、太赫茲光快速調(diào)制與直接探測(cè)技術(shù)、太赫茲光偏振轉(zhuǎn)換與光偏轉(zhuǎn)測(cè)試技術(shù)以及光纖損耗測(cè)量技術(shù)等方面，結(jié)合相關(guān)測(cè)試技術(shù)的實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)介紹。其中，采用THz QWP測(cè)量的脈沖激光峰值功率更為直觀和準(zhǔn)確，采用射頻注入的調(diào)制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高速率的直接探測(cè)驗(yàn)證，太赫茲光偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有工作頻率范圍寬、可調(diào)諧性強(qiáng)等特點(diǎn)，光纖損耗測(cè)量技術(shù)有效地獲得了直接傳輸及彎曲部分的損耗測(cè)定，通過充氮操作更加準(zhǔn)確地測(cè)量出光纖本身的損耗。對(duì)于太赫茲光電測(cè)試技術(shù)及系統(tǒng)的未來發(fā)展，我們認(rèn)為，太赫茲輻射源和探測(cè)器的性能還需要進(jìn)一步提高，測(cè)試系統(tǒng)的小型化和集成化還需要進(jìn)一步完善，以便為太赫茲領(lǐng)域提供測(cè)量重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠的光電測(cè)試系統(tǒng)，有效地促進(jìn)太赫茲器件和技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)源、本地振蕩源、高速探測(cè)技術(shù)、光頻梳技術(shù)和近場顯微成像技術(shù)等方面的應(yīng)用。
