CN102331403B - 近场太赫兹THz时域光谱表征方法及其测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种近场太赫兹THz时域光谱表征方法及其测试装置，首先将飞秒激光光源辐射的近红外飞秒脉冲激光光束由光学分束器分为泵浦光路和检测光路；泵浦光经光学斩波器调制后激励固体太赫兹发射源或纳米尺度的准一维结构的测试样品，以产生谱分析所需的太赫兹波信号；检测光经光学延迟线和必要的传输光路与泵浦光路在太赫兹探测晶体处重合，并实现对太赫兹信号的采样；经检测光采样的太赫兹信号经过四分之一波片和沃拉斯顿棱镜，分为P光和S光，分别送入差分光电二极管的输入端，其小信号输出端输出差分信号并由锁相信号放大器处理(放大与模数转换)，锁相放大器的同步频率信号来自光学斩波器；处理后的信号数据送往计算机进行下一步处理和运算分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于准一维纳米结构半导体或金属材料的近场太赫兹THz时域光谱表征方法及其测试装置。
背景技术
通常情况下，大部分的太赫兹时域光谱系统THz-TDS系统都采用的是在远场测量太赫兹THz透射或反射信号，这主要是由于测试样品本身的形貌(块材料、聚合物材料等)和现有的太赫兹THz探测光路限制了近场方式。远场条件下，由于存在衍射现象，太赫兹时域光谱THz-TDS及THz成像系统的空间分辨率被大大限制。在纳电子器件研究中，人们亟需了解准一维纳米结构半导体或金属材料的激子生成分离、自由电荷输运、俘获等过程，进而了解材料的形貌、缺陷、掺杂、退火等是否有利于改善其光电应用属性。
在过去的几年，人们尝试利用光圈(Aperture)技术来实现近场方式下的太赫兹THz信号测量，但是随着光圈直径缩小，太赫兹THz光信号能量也急剧降低，很可能被本底噪声所淹没，不利于提高系统的信噪比。最近几年，不少研究者参考扫描型近场光学显微技术(Scanning Near-field Optical Microscopy，SNOM)发展出太赫兹近场扫描显微THz-SNOM方法，将分辨率提高到太赫兹THz光波长的一半甚至十分之一，效果明显，但是这种方法信噪比低，系统结构复杂度大，且成本非常昂贵。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了提供一种针对准一维纳米结构半导体或金属材料的近场太赫兹THz时域光谱表征方法和相关的测试装置。
技术方案：无接触、低能量的太赫兹时域光谱系统THz-TDS方法应用于半导体材料研究最近几年发展很快，根据与材料作用后THz信号的幅度和相位变化，可以获得材料复介电系数、光电导率、载流子迁移率和弛豫时间常数等信息。本发明致力于实现一种互补的THz近场透射/发射时域光谱表征技术：1、通过测量THz光与样品作用后的幅度和相位变化，获得样品的折射率n和消光系数k信息；2、将纳米尺度的准一维结构半导体或金属材料放置在泵浦光路上，利用飞秒激光脉冲(800nm，70fs～120fs，75MHz)照射并使其成为太赫兹THz发射源，通过测量样品自身发射的THz光信号幅度。
一种近场太赫兹THz时域光谱测试装置，包括飞秒激光光源、半波起偏器、光学分束器、光学斩波器、固体太赫兹发射源、光学延迟器、波片、电光晶体、Wollaston偏振光分束器、光电探测器和锁相放大器；
飞秒激光光源输出光脉冲，经半波起偏器后，由光学分束器分为泵浦光和检测光；本装置的光路包括泵浦光路和检测光路；检测光经光学延迟线和检测光路与泵浦光路在电光晶体处重合；
泵浦光对应泵浦光路，在泵浦光路上，沿光的照射方向依次设有固定的光学斩波器、可拆除的固体太赫兹发射源和测试样品放置位置；所述光学斩波器输出用于锁相放大器的同步频率信号；
检测光对应检测光路；在检测光路上，设有光学延迟器、Wollaston偏振光分束器、波片和沃拉斯顿棱镜；
与测试样品放置位置对应处设置电光晶体和透镜，电光晶体采集的来自测试样品光信号经透镜后，再经Wollaston偏振光分束器送到波片和沃拉斯顿棱镜，分为P光和S光，这两个光速送入光电探测器，光电探测器进行光电转换后输出的电信号由锁相放大器进行放大；锁相放大器的同步频率信号来自泵浦光路或来自检测光路中的光学斩波器。
所述电光晶体作为太赫兹THz探测器，是碲化锌ZnTe电光晶体；电光晶体与被测样品表面的最大距离小于1.0cm；
碲化锌ZnTe电光晶体面向测试样品的一侧的表面依顺序制备二氧化硅SiO2膜和锗Ge膜，采用电子束蒸发的方式制备。
所述二氧化硅SiO2膜的厚度为133nm±10％；锗Ge膜厚度为300nm±10％。
所述固体太赫兹发射源是无源的非线性光学整流晶体或有源的光电导天线；所述波片为λ/2或λ/4波片；所述光电探测器是差分光电探测器。
一种使用上述装置的近场太赫兹时域光谱测试方法，其特征是包括两种测试模式：太赫兹THz透/反射谱法和发射谱方法：
第一测试模式：透/反射谱法为使用太赫兹THz光信号辐射纳米结构的样品，通过测量经过测试样品的太赫兹THz透/反射信号的幅度和相位信息，来进行光谱表征；
第二测试模式：发射谱法则是利用近红外飞秒激光脉冲直接辐射纳米结构的测试样品，激励出具有一定幅度和相位信息的太赫兹THz光信号，用以作为光谱分析；
发射谱法与透/反射谱法的切换通过在泵浦光路中移去或加入调整好的固体太赫兹发射源来实现，其中，在泵浦光路中设置固体太赫兹发射源为透/反射谱法；
本方法是针对纳米尺度的准一维半导体或金属纳米结构进行近场方式下的太赫兹THz时域光谱THz-TDS表征。
本技术方案的原理说明如下：
本发明提出的装置采用泵浦-检测光学系统，主要包括飞秒激光光源、分束器、光学斩波器、光学时间延迟导轨、波片(λ/2与λ/4)、固体太赫兹发射源(非线性光学晶体或光电导天线)、电光晶体、Wollaston偏振光分束器、差分光电探测器和锁相放大器。装置的光路分为泵浦光路和检测光路，飞秒激光光源输出光脉冲，经半波起偏器后，由光学分束器分为泵浦光和检测光，泵浦光用于激励固体太赫兹发射源或纳米尺度的准一维结构材料以激发太赫兹THz光的产生，而检测光经光学延迟后与太赫兹THz光波重叠于电光晶体，完成太赫兹THz光幅度和相位信息的采集；经电光晶体采集的光信号由Wollaston偏振光分束器分为P光束和S光束，并送入差分光电探测器，光电转换后输出的电信号由锁相放大器进行必要的放大；锁相放大起的同步频率信号来自泵浦光路或检测光路中的光学斩波器。
由于准一维纳米结构材料具有纳米尺度特点，本发明的方案中将作为太赫兹THz探测器的碲化锌ZnTe电光晶体放置在纳米尺度准一维结构材料样品表面附近，最大距离小于1.0cm，碲化锌ZnTe电光晶体面向测试样品的一侧表面依顺序制备二氧化硅SiO2膜，厚度约133nm，用以最大程度地减小泵浦光路的激光透射能量，以及锗Ge膜，厚度约为300nm，用以提高THz光波信号的吸收率。
相较于以往的远场模式的太赫兹时域光谱系统THz-TDS，本发明为一种针对纳米尺度半导体或金属材料的近场太赫兹THz时域光谱系统。
有益效果：本技术方案可用于纳米尺度金属或半导体材料的光谱分析，有效地提高了空间分辨率。另外，本发明中的时域光谱系统可以实现透射/反射模式与发射模式之间的切换，有利于测量方法上的互补，提高了测量的灵活度和准确性。
附图说明：
图1是本发明中针对纳米尺度准一维材料的太赫兹近场时域发射谱系统图。
图2是本发明中针对纳米尺度准一维材料的太赫兹近场时域透射/反射谱系统图。
图3是本发明中太赫兹探测晶体与其表面光学薄膜设计图。
图中标号：1-二氧化硅SiO2薄膜，2-锗Ge膜，3-太赫兹THz光探测晶体。
具体实施方式
一种近场太赫兹THz时域光谱测试装置，包括飞秒激光光源、半波起偏器、光学分束器、光学斩波器、固体太赫兹发射源、光学延迟器、波片、电光晶体、Wollaston偏振光分束器、光电探测器和锁相放大器；
飞秒激光光源输出光脉冲，经半波起偏器后，由光学分束器分为泵浦光和检测光；本装置的光路包括泵浦光路和检测光路；检测光经光学延迟线和检测光路与泵浦光路在电光晶体处重合；
泵浦光对应泵浦光路，在泵浦光路上，沿光的照射方向依次设有固定的光学斩波器、可拆除的固体太赫兹发射源和测试样品放置位置；所述光学斩波器输出用于锁相放大器的同步频率信号；
检测光对应检测光路；在检测光路上，设有光学延迟器、Wollaston偏振光分束器、波片和沃拉斯顿棱镜；
与测试样品放置位置对应处设置电光晶体和透镜，电光晶体采集的来自测试样品光信号经透镜后，再经Wollaston偏振光分束器送到波片和沃拉斯顿棱镜，分为P光和S光，这两个光速送入光电探测器，光电探测器进行光电转换后输出的电信号由锁相放大器进行放大；锁相放大器的同步频率信号来自泵浦光路或来自检测光路中的光学斩波器。
所述电光晶体作为太赫兹THz探测器，是碲化锌ZnTe电光晶体；电光晶体与被测样品表面的最大距离小于1.0cm；
碲化锌ZnTe电光晶体面向测试样品的一侧的表面依顺序制备二氧化硅SiO2膜和锗Ge膜，采用电子束蒸发的方式制备。
所述二氧化硅SiO2膜的厚度为133nm±10％；锗Ge膜厚度为300nm±10％。
所述固体太赫兹发射源是无源的非线性光学整流晶体或有源的光电导天线；所述波片为λ/2或λ/4波片；所述光电探测器是差分光电探测器。
一种使用上述装置的近场太赫兹时域光谱测试方法，其特征是包括两种测试模式：太赫兹THz透/反射谱法和发射谱方法：
第一测试模式：透/反射谱法为使用太赫兹THz光信号辐射纳米结构的样品，通过测量经过测试样品的太赫兹THz透/反射信号的幅度和相位信息，来进行光谱表征；
第二测试模式：发射谱法则是利用近红外飞秒激光脉冲直接辐射纳米结构的测试样品，激励出具有一定幅度和相位信息的太赫兹THz光信号，用以作为光谱分析；
发射谱法与透/反射谱法的切换通过在泵浦光路中移去或加入调整好的固体太赫兹发射源来实现，其中，在泵浦光路中设置固体太赫兹发射源为透/反射谱法；
本方法是针对纳米尺度的准一维半导体或金属纳米结构进行近场方式下的太赫兹THz时域光谱THz-TDS表征。
下面结合附图与具体实施方式对本技术方案作进一步说明：
本技术方案为一种针对纳米尺度准一维结构材料的近场太赫兹时域光谱系统，可以交替使用太赫兹透/反射谱和太赫兹发射谱。
本发明首先将飞秒激光光源辐射的近红外飞秒脉冲激光光束由光学分束器分为泵浦光路和检测光路；泵浦光经光学斩波器调制后激励固体太赫兹发射源或纳米尺度的准一维结构的测试样品，以产生谱分析所需的太赫兹波信号；检测光经光学延迟线和必要的传输光路与泵浦光路在太赫兹探测晶体处重合，并实现对太赫兹信号的采样；经检测光采样的太赫兹信号经过四分之一波片和沃拉斯顿棱镜，分为P光和S光，分别送入差分光电二极管的输入端，其小信号输出端输出差分信号并由锁相信号放大器处理(放大与模数转换)，锁相放大器的同步频率信号来自光学斩波器；处理后的信号数据送往计算机进行下一步处理和运算分析。
在本发明中，透射/反射谱与发射谱方式的切换采用在泵浦光路中移去或加入固体太赫兹发射源模块实现：移去固体太赫兹发射源模块，将泵浦光路直接辐射纳米尺度的准一维结构的测试样品，由样品自身激励出太赫兹波，测试模式即为发射谱模式；加入调整好地固体太赫兹发射源，由泵浦光辐射并激励发射源产生太赫兹光，并进行必要的聚焦，随后由太赫兹光照射纳米尺度的准一维结构的测试样品，测试模式即为透射/反射谱模式。
本发明为一种近场太赫兹光谱系统，其中太赫兹信号的探测采用将太赫兹探测晶体抵近纳米尺度的准一维结构的样品，两者相距的最大距离不大于1cm，在太赫兹探测晶体靠近样品的一侧表面依次制备二氧化硅SiO2膜，厚度约133nm，用以最大程度地减小泵浦光路的激光透射能量，以及锗Ge膜，厚度约为300nm，用以提高THz光波信号的吸收率。
实施例1
纳米尺度准一维结构氧化锌ZnO材料的太赫兹THz近场时域光谱(透射模式)
首先将选取好的氧化锌样品附着在光具座上，并将其放入太赫兹近场时域光谱系统中；打开飞秒激光光源输出窗口前的光阑，输出飞秒激光脉冲，利用光学分束器将其分为泵浦光和检测光，经过光学斩波器调制的泵浦光激励太赫兹光电导天线辐射出太赫兹信号，经聚焦后投射到纳米准一维结构氧化锌样品的表面；将表面依次制备有二氧化硅薄膜和锗膜的太赫兹探测晶体碲化锌ZnTe放置在太赫兹THz光传输的光路上，距氧化锌样品距离为0.4cm；探测光经光学延迟后与经过氧化锌样品的太赫兹THz光路重合在太赫兹探测晶体碲化锌ZnTe处，完成采样；采样后的太赫兹THz信号经四分之一波片和沃拉斯顿棱镜送入差分光电二极管的输入段，完成光电转换，输出的小信号由与光学斩波器同步的锁相放大器放大和模数转换；计算机通过数据接口接收和存储锁相放大器处理后的太赫兹信号的离散数据，并可实现快速傅里叶变换，将时域信号转为频域信号。
利用上述的频域和时域太赫兹信号，依据相应的物理模型或原理，可对被测试的纳米尺度准一维结构的氧化锌样品的材料属性和光电性能进行对应的分析和比对。
实施例2
纳米尺度准一维结构氧化锌ZnO材料的太赫兹THz近场时域光谱(发射模式)
首先将选取好的氧化锌样品附着在光具座上，并将其放入太赫兹近场时域光谱系统中；打开飞秒激光光源输出窗口前的光阑，输出飞秒激光脉冲，利用光学分束器将其分为泵浦光和检测光，经过光学斩波器调制的泵浦光经聚焦后投射到纳米准一维结构氧化锌样品的表面，激励纳米氧化锌样品辐射出太赫兹信号；将表面依次制备有二氧化硅薄膜和锗膜的太赫兹探测晶体碲化锌ZnTe放置在太赫兹THz光传输的光路上，距氧化锌样品距离为0.4cm；探测光经光学延迟后与经过氧化锌样品的太赫兹THz光路重合在太赫兹探测晶体碲化锌ZnTe处，完成采样；采样后的太赫兹THz信号经四分之一波片和沃拉斯顿棱镜送入差分光电二极管的输入段，完成光电转换，输出的小信号由与光学斩波器同步的锁相放大器放大和模数转换；计算机通过数据接口接收和存储锁相放大器处理后的太赫兹信号的离散数据，并可实现快速傅里叶变换，将时域信号转为频域信号。
利用上述的频域和时域太赫兹信号，依据相应的物理模型或原理，可对被测试的纳米尺度准一维结构的氧化锌样品的材料属性和光电性能进行对应的分析和比对。
Claims (6)
1.一种近场太赫兹THz时域光谱测试装置，其特征是包括飞秒激光光源、半波起偏器、光学分束器、光学斩波器、固体太赫兹发射源、光学延迟器、波片、电光晶体、Wollaston偏振光分束器、光电探测器和锁相放大器；
飞秒激光光源输出光脉冲，经半波起偏器后，由光学分束器分为泵浦光和检测光；本装置的光路包括泵浦光路和检测光路；检测光经光学延迟线和检测光路与泵浦光路在电光晶体处重合；
泵浦光对应泵浦光路，在泵浦光路上，沿光的照射方向依次设有固定的光学斩波器、可拆除的固体太赫兹发射源和测试样品放置位置；所述光学斩波器输出用于锁相放大器的同步频率信号；
检测光对应检测光路；在检测光路上，设有光学延迟器、Wollaston偏振光分束器、波片和沃拉斯顿棱镜；
与测试样品放置位置对应处设置电光晶体和透镜，电光晶体采集的来自测试样品光信号经透镜后，再经Wollaston偏振光分束器送到波片和沃拉斯顿棱镜，分为P光和S光，这两个光速送入光电探测器，光电探测器进行光电转换后输出的电信号由锁相放大器进行放大；锁相放大器的同步频率信号来自泵浦光路或来自检测光路中的光学斩波器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述电光晶体作为太赫兹THz探测器，是碲化锌ZnTe电光晶体；电光晶体与被测样品表面的最大距离小于1.0cm；
碲化锌ZnTe电光晶体面向测试样品的一侧的表面依顺序制备二氧化硅SiO2膜和锗Ge膜，采用电子束蒸发的方式制备。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述二氧化硅SiO2膜的厚度为133nm±10％；锗Ge膜厚度为300nm±10％。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述固体太赫兹发射源是无源的非线性光学整流晶体或有源的光电导天线；所述波片为λ/2或λ/4波片；所述光电探测器是差分光电探测器。
5.一种使用权利要求1～4任一所述装置的近场太赫兹时域光谱测试方法，其特征是包括两种测试模式：太赫兹THz透/反射谱法和发射谱方法：
第一测试模式：透/反射谱法为使用太赫兹THz光信号辐射纳米结构的样品，通过测量经过测试样品的太赫兹THz透/反射信号的幅度和相位信息，来进行光谱表征；
第二测试模式：发射谱法则是利用近红外飞秒激光脉冲直接辐射纳米结构的测试样品，激励出具有一定幅度和相位信息的太赫兹THz光信号，用以作为光谱分析；
发射谱法与透/反射谱法的切换通过在泵浦光路中移去或加入调整好的固体太赫兹发射源来实现，其中，在泵浦光路中设置固体太赫兹发射源为透/反射谱法；
6.根据权利要求5所述方法，其特征是本方法是针对纳米尺度的准一维半导体或金属纳米结构进行近场方式下的太赫兹THz时域光谱THz-TDS表征。
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