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自混合干涉测量为太赫兹探测“减负”
发布时间:2020-06-22 20:07:29 阅读:66

来源:中国光学期刊网

    太赫兹(THz)波通常是指振荡频率为0.1~10 THz,波长范围在0.03~3 mm之间的电磁波,它介于红外光与毫米波之间。近年来,随着THz应用技术的发展,它在生命科学、材料科学、天文大气与环境监测、通讯雷达、国家安全检测等多个重要领域具有的独特优越性和巨大的应用前景,它被美国评为“改变未来世界的十大技术”,并被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”。

太赫兹波段

    光电表征技术是THz应用技术的重要基础,涵盖了诸如THz光电器件性能表征、光路校准与光束改善、光谱测量、激光调制与解调、通信与成像应用等多个层面,在THz应用领域中发挥着重要作用。随着材料科学、激光技术和能带工程的发展,紧凑型THz辐射源和探测器逐渐出现并获得性能上的不断完善。

    在这些不断成熟的THz器件中,太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)是太赫兹波段唯一紧凑的高功率固态相干源,它具有功率高、波长可设计、相干性好、体积小巧便于集成等特性,在安全检查、工业监测及军事技术等领域具有极大的应用潜力。利用激光的相干性开发高灵敏的探测技术一直是激光应用技术的重要研究方向,对于THz-QCL也不例外。然而,在开展相关应用技术研发之前,需要对所用THz-QCL的动力学特性及输出特性进行全面了解。

    由于太赫兹波探测的困难,THz-QCL的频谱测量并非易事。现有的太赫兹波探测手段存在测量成本高、探测耗时长、热背景干扰、光路复杂等问题,因此迫切需要开发一种简便快速、经济实用的测量技术对THz-QCL的输出频谱和关键动力学参数进行准确表征。

    清华大学解研博士、北京应用物理与计算数学研究所楚卫东研究员以及山东大学冯德军教授合作提出了一种利用自混合干涉效应对THz-QCL频谱、线宽增强因子以及反馈光耦合系数进行测量的实验方法。该研究所实现的自混合干涉测量技术,无需探测器,光路简单且具有自准直特性,为满足THz-QCL高分辨成像、高灵敏传感的应用需求提供了新的技术方向。

    实验中搭建的THz-QCL自混合干涉测量系统如图1所示。将THz-QCL安置在连续流低温恒温器的载物台上,由恒流源供电,使其工作在连续激射模式。出射的太赫兹光束经一个离轴抛物面反射镜准直之后,被另一个离轴抛物面反射镜会聚到一个平面反射镜上,此时,光束可沿原光路返回到激光器谐振腔中,与腔内激光场干涉,并引起激光器频率、功率、端电压的变化。

图1 THz-QCL自混合干涉光谱测量系统示意图

    通过测量THz-QCL端电压的变化获取自混合干涉信号。当目标物在远离或靠近激光器的方向上匀速运动时,对应于半波长的移动,自混合信号会产生周期变化,呈现所谓的“干涉条纹”。将激光器端电压随反馈光光程变化的曲线进行傅里叶变换,就可以得到THz-QCL激射频谱。目标物移动的长度决定了自混合干涉频谱测量的精度,可变光程的范围越大,频谱的分辨率越高。该研究中,频谱测量的最高分辨率为1.5 GHz。

    作为一种半导体激光器,THz-QCLs的激射特性敏感地依赖于激光腔内载流子密度的变化。当载流子密度发生变化时,腔内折射率、增益谱、激射频率以及光场振幅都会随之发生变化,直到系统形成新的稳定状态。驱动电流的变化对载流子密度有直接的影响,是导致激射特性发生变化的重要因素。图2和图3分别给出了阈值附近和远离阈值的两种驱动电流下测量的激射频谱。

图2 I=0.645 A时,由自混合干涉信号获得的THz-QCL激射频谱

图3 I=0.7 A时,由自混合干涉信号获得的THz-QCL激射频谱

    测量结果表明:阈值附近,THz-QCL单模激射,测量频率与标称值吻合;驱动电流较大时,出现多纵模激射,模式间距与理论计算一致。该研究证实,由自混合干涉效应引起的激射频率的变化只有几十MHz,对测量结果的影响非常微小。由此可知,利用自混合干涉效应进行的THz-QCL光谱测量是非常准确的。此外,还可以通过拟合自混合干涉信号得到THz-QCL线宽增强因子和反馈光耦合系数,揭示驱动电流的变化对激光器动力学特性的影响。

    在后续的工作中,该课题组将开展基于THz-QCL自混合干涉效应的多目标物测速、太赫兹高分辨成像以及物质频谱分析等研究,为THz-QCL相关应用技术研究奠定基础。

 
 

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