第三章 太赫兹波的探测
太赫兹波在无损检测中的应用研究
太赫兹波在无损检测中的应用研究摘要：太赫兹波（THz波）作为一种新型电磁波，具有独特的特性和潜在的应用前景。
本文旨在研究太赫兹波在无损检测领域的应用，探讨其在材料表征、安检、药物检测、食品质量检测以及非破坏性测试等方面的应用潜力。
1. 引言无损检测是一种重要的工业技术和科学研究方法，它可以在不破坏被测物体的情况下，通过测试和分析物体的特性来判断其质量和性能。
太赫兹波在无损检测领域的应用日益受到关注，因为它在电磁波谱中处于微波和红外光之间，具有特殊的穿透力和分辨率。
2. 太赫兹波的基本原理太赫兹波是指频率范围在0.1到10太赫兹（THz）之间的电磁波。
它源于材料的非线性光学效应和能带结构，具有较高的吸收系数和穿透能力。
太赫兹波的传播特性受到材料的结构、成分和状态的影响，因此可以用于无损检测和表征材料的物理性质。
3. 太赫兹波在材料表征中的应用太赫兹波可以通过测量材料对太赫兹波的吸收、透射和散射来分析材料的组成、厚度、内部结构和物理性质。
它在聚合物、纳米材料、复合材料以及半导体等领域的表征中具有广阔的应用前景。
4. 太赫兹波在安检中的应用太赫兹波可以穿透一些非金属和半导体材料，并对隐藏在衣物、包裹和行李中的潜在威胁物质进行探测。
与传统的X射线安检相比，太赫兹波无电离辐射，对人体和环境无害，因此在安检领域具有良好的应用前景。
5. 太赫兹波在药物检测中的应用药物的红外光谱特征与太赫兹波的共振谱线相近，因此可以利用太赫兹波对药物的纯度、成分和结构进行无损检测。
太赫兹波在药物质量控制、假冒药物鉴别和新药研发等方面有着重要的应用价值。
6. 太赫兹波在食品质量检测中的应用太赫兹波可以对食品中的水分含量、糖分含量、脂肪含量等进行精确测量。
通过测量食品的太赫兹波谱线，可以判断食品的新鲜度、成熟度和品质等关键指标，对食品产业的质量控制和食品安全具有重要意义。
7. 太赫兹波在非破坏性测试中的应用太赫兹波可以对物体的结构和材料的变形进行无损检测。
太赫兹炸药探测方案设计
毕业设计说明书太赫兹炸药探测方案设计学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：2012年6月太赫兹炸药探测方案设计摘要近十几年来，太赫兹技术随着超快激光技术的进展而得到蓬勃发展。
太赫兹辐射通常指的是波长在0.1太赫兹-10太赫兹区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。
太赫兹时域光谱技术是20世纪80年代以来发展起来的一种新型光谱测量技术。
它以太赫兹辐射作为探测源，利用电光采样或光电导采样方法直接记录太赫兹辐射电场的振幅时间波形，通过傅立叶变换得到测量信号振幅和相位的光谱分布，进而获得材料在太赫兹波段的吸收和色散等信息。
许多物质在THz波段的光谱包含着丰富的物理和化学信息，因此研究物质在该波段的光谱具有重要意义。
太赫兹辐射对炸药所处的状态非常敏感，温度的不同和晶型的不同都会在太赫兹光谱中有不同反应，不同的炸药样品吸收特征也有所差别，可用于炸药的精细结构监测分析，利用太赫兹光谱技术可以测得爆炸物的特征吸收光谱，由此识别爆炸物种类，进而分析物质的物理化学特性，为爆炸物的探测提供了一种全新的方法。
本论文首先介绍了THz波的特性及其在爆炸物探测技术上所存在的优势，并对近年来国内外利用THz-TDS技术探测炸药领域的研究进展进行了详细的综述。
其次，对THz的产生和探测技术进行了归类和介绍。
对实验中使用的透射型THz-TDS系统的光路系统及其主要工作原理和数据分析方法进行了介绍。
然后，利用THz-TDS技术进行了炸药THz吸收光谱的探测，并对使用小波变换对THz-TDS系统所测数据进行了降噪分析。
关键词：太赫兹，爆炸物，探测技术，小波变换THZ EXPLOSIVE DETECTION SCHEME DESIGNABSTRACTThe THz technology is developed with the development of ultra-fast laser in recent years, Terahertz radiation usually refers to the wavelength in 0.1 terahertz to 10 terahertz range of far infrared electromagnetic radiation, the waveband is located between in the microwave and infrared radiation. THz time-domain spectroscopy is a powerful tool development in 1990s for spectroscopy measurement. This technique can record the amplitude of the wave by electro-optical or photoconductive sampling. After fast Fourier transform, the amplitude and phase of the THz pulse wave is given, then the refractive index and absorption of the material in THz region is extracted. Terahertz radiation to the explosive which state is very sensitive, different temperature and different type in terahertz spectroscopy has different reaction, the different absorption characteristics of explosive samples also difference can be used for monitoring and analysis of the fine structure of explosive, Because of the vibration and rotation energy levels of many explosives lie in the THz wave band, the characteristic absorption spectra of the explosives which can be detected by the THz technology can be used to analyze the physical and chemistry characteristic. The THz technology provides a brand new detection method.This paper first introduces the characteristics of THz wave and the explosive detecting technology on the existing advantages, and the domestic and abroad in recent years by THz-TDS technology for explosive detection research progress were reviewed in detail. Secondly, the production and the detection technology THz classified and introduced. Used in the experiments of THz-TDS system transmission model of the light path system and its main working principle and data analysis methods are introduced in this paper. Then, using a THz-TDS technology THz absorption spectra of the explosives detection, and to use wavelet transform THz-TDS system of the test data analysis the noise reduction.Key words：Terahertz, explosive, detection technology, wavelet transform,目录第一章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)第二章太赫兹波 (3)2.1 太赫兹波的性质 (3)2.2 太赫兹波的产生与探测 (4)2.2.1 太赫兹波的产生 (4)2.2.2 太赫兹波的探测 (9)第三章太赫兹时域光谱技术 (11)3．1 THz-TDS系统 (11)3.1.1 EKSPLA THz-TDS Kit光路部分 (12)3.1.2 EKSPLA THz-TDS Kit电路部分 (13)3.2THz-TDS数据分析方法 (14)3.2实验室样品制备 (16)第四章炸药的太赫兹吸收光谱 (17)4.1炸药的太赫兹吸收光谱 (17)4.2基于小波变换的炸药太赫兹吸收光谱降噪分析 (23)4.2.1 小波变换介绍及基本原理 (23)4.2.2 小波变换降噪处理 (24)第五章结论与展望 (33)5.1 本论文主要工作及意义 (33)5.2展望 (33)参考文献： (35)致谢 (37)第一章绪论1.1研究背景及意义随着爆炸物应用范围的拓展和爆炸技术的普及，爆炸物的安全管理问题变得越来越重要，从七十年代初开始，对通过重要出入口如机场、港口、车站、海关等地的人员所携带的行李物品实施安全检查已成为国际上广泛采用的安全措施。
第三章 太赫兹波的探测
第三章 太赫兹波的探测和太赫兹辐射源一样，太赫兹探测也是太赫兹科技中的另一项关键技术，是太赫兹技术投入到实际应用的另一关键环节。
由于目前太赫兹辐射源的功率普遍都较低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。
太赫兹的探测方法比较多，不过依据太赫兹辐射的形式不同，可以将它们大致分为太赫兹脉冲辐射的探测和太赫兹连续波信号的探测两类。
另外，本章对太赫兹单光子的探测技术也做了简要的介绍。
3.1 脉冲太赫兹信号探测光电导取样和电光取样是两种应用最广的相干探测THz脉冲的方法。
其中，电光取样又可分为时分电光取样和波分电光取样两种。
此外，对应第二章中的空气产生太赫兹辐射的相关内容，本节会相应介绍一下利用空气探测太赫兹脉冲。
3.1.1 光电导取样光电导取样是基于光导天线（photoconductive antenna, PCA）发射机理的逆过程发展起来的一种探测THz脉冲信号的探测技术。
如要对THz脉冲信号进行探测，首先，需将一个未加偏置电压的PCA放置于太赫兹光路之中，以便于一个光学门控脉冲（探测脉冲）对其门控。
其中，这个探测脉冲和泵浦脉冲有可调节的时间延迟关系，而这个关系可利用一个延迟线来加以实现；尔后，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在PCA上的偏置电场，以此来驱动那些载流子运动，从而在PCA中形成光电流。
最后，用一个与PCA相连的电流表来探测这个电流即可，如图3-1所示。
其中，这个光电流与THz瞬时电场是成正比的。
图3-1 光电导偶极天线探测脉冲（飞秒量级）的持续时间要远短于太赫兹脉冲（皮秒量级）的，所以通过改变这两个脉冲之间的时间延迟，就可以“取样”出THz的波形来，可参见图3-2。
其中，这里所探测到的太赫兹信号只是入射太赫兹脉冲与PCA响应函数的卷积。
在实际的光谱实验中，探测器和发射极的响应可以通过解卷积来求得，也可将信号与参考脉冲正交化来求得。
太赫兹波的产生及探测方法综述
图七
光电导天线采样原理示意图
3、空气探测方法
空气探测法是一种新的 THz 探测方法，该种方法利用飞秒激光与空气等离 子体相互作用产生较强的太赫兹波脉冲辐射的原理，从而探测到太赫兹波的时 域波形。2006 年，Jiangming Dai 和 X.-C. Zhang 等人，根据 THz 辐射的产生 和探测是互逆过程这一理论， 利用三阶非线性性质实现了空气等离子体探测 THz 电场。 该方法利用空气做介质，在外加偏置电场下利用探测光离化空气产生等离 子体并辐射激光脉冲的二次谐波，相干探测太赫兹波脉冲，因此也称为 Air-Biased-Coherent-Detection， 即 ABCD。 在太赫兹波辐射源较宽的情况下， 空气探测方法不受晶体声子吸收的影响， 因此它所探测到的谱能够覆盖整个 “太 赫兹波间隙”，目前报道的利用该方法探测已经可以得到 30THz 的谱，因此这
图四
等离子体有质动力产生太赫兹波
另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫 兹。将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离 形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是 一个三阶的非线性四波整流（ 混频） 过程 ，称之为 Four Wave Rectification-FWR （或 Four Wave Mixing-FWM）。 图五为四波混频辐射太赫兹示意图。
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波 段具有很多独特的性质： （1）宽带性：一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个 脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱 性质。 （2）瞬态性：太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、 飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背 景辐射噪音的干扰。 （3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV， 一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的 电离，便于对生物体进行活体检验。 （4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激 光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的， 它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问 题有很大的优势。 （5）透射性：除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透 性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。 （6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光 谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广 阔的应用前景。
thz波探测原理
"THZ"波探测原理是指使用太赫兹(Terahertz, THz)波进行物体探测的技术。
太赫兹波是一种电磁波，其频率介于微波和红外线之间，通常在几百兆赫兹到几千兆赫兹之间。
THZ波探测原理基于太赫兹波的特殊性质，即其穿透力强、能够穿透非金属材料等特点。
通过使用太赫兹波探测器，可以检测和测量物体内部的物理特性和结构变化。
以下是THZ 波探测原理的简要概述：
1. 发射器：首先，需要使用发射器产生太赫兹波并将其发送到被测物体上。
发射器可以使用多种技术来产生太赫兹波，例如微波谐振腔、离子注入等。
2. 接收器：接收器用于接收从被测物体反射回来的太赫兹波信号。
接收器需要具备高灵敏度和高分辨率能力，以便能够准确地检测和测量物体内部的物理特性和结构变化。
3. 数据处理：接收到的太赫兹波信号需要经过数据处理和分析，以提取有用的信息。
这包括对信号进行滤波、放大、数字化、重建等操作，以便将信号转换为可视化的图像或数据。
4. 应用：THZ波探测技术可以应用于多种领域，例如医学影像学、材料科学、安全检查等。
在医学影像学中，THZ波可以用于检测人体内部器官的形态和结构；在材料科学中，THZ波可以用于检测材料的成分和结构变化；在安全检查中，THZ波可以用于检测包裹、箱子等物品内部是否藏有危险物品。
太赫兹波的产生及探测方法综述
太赫兹波的产生及探测方法综述太赫兹波是指波长在0.1-10毫米之间的电磁波。
太赫兹波具有许多独特的特性和广泛的应用前景，因此研究太赫兹波的产生和探测方法成为了热门的研究领域。
本综述将对太赫兹波的产生和探测方法进行全面的介绍。
太赫兹波的产生主要有光电效应、非线性光学效应和热效应等方法。
其中，光电效应是太赫兹波产生的主要方法之一、光电效应是指在材料中光的作用下，电子从价带跃迁到导带产生的自由载流子。
当光照射到半导体材料上时，光子的能量大于带隙能量时，会激发束缚态电子跃迁到导带形成自由载流子，产生太赫兹波。
非线性光学效应也可以用于太赫兹波的产生。
非线性光学效应是指在高强度激光照射下，光与物质之间的相互作用呈现非线性关系。
当高强度的激光束照射到介质上时，光与介质之间会发生非线性的相互作用，导致太赫兹波的产生。
非线性光学效应产生的太赫兹波强度高，频率可调。
除了光电效应和非线性光学效应，热效应也可以用于产生太赫兹波。
热效应产生的太赫兹波是由物质的热扩散引起的，其原理是当被激发的物质发生热传导过程时，会产生短暂的局部温度变化，这种短暂的温度变化会产生太赫兹辐射。
太赫兹波的探测方法多样，主要包括光电探测器、热电探测器、激光诱导电偶极振荡探测器和局域场增强探测器等。
光电探测器是最常用的探测器之一，其基本原理是当太赫兹波照射到探测器上时，探测器会产生电信号，通过测量电信号的强度和波形，可以确定太赫兹波的强度和频率等参数。
热电探测器是另一种常用的太赫兹波探测器，其原理是利用太赫兹波的热效应，在热敏元件中产生电势差，从而测量太赫兹波的强度。
热电探测器具有灵敏度高、响应速度快的特点。
激光诱导电偶极振荡探测器是一种基于非线性光学效应的太赫兹波探测器，其原理是将太赫兹波转化为电偶极振荡信号。
通过测量电偶极振荡信号的频率和强度，可以确定太赫兹波的参数。
局域场增强探测器是一种基于纳米结构的太赫兹波探测器，其原理是利用纳米结构中的局域场增强效应，增强太赫兹波与探测器之间的相互作用，提高探测灵敏度。
宽带太赫兹波的产生与探测方法研究
工程技术DOI：10.19392/ki.1671-7341.201725072科技风2017年12月宽带太赫兹波的产生与探测方法研究张前成西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010摘要：目前由于部分物质在3T H z以下无特征吸收峰，因此研究高于3T H z以上的宽带太赫兹波具有重要的意义。
本文基于 四波混频模型，利用BBO晶体产生二次谐波，通过让双色激光共同激励空气形成等离子体细丝，从而辐射出宽带太赫兹波。
转动 BBO晶体的角度，让入射基频激光与BBO晶体光轴形成不同的夹角，测量不同夹角时的太赫兹辐射强度。
利用碲化锌$ZnTe%晶体和磷化镓（GaP)晶体进行电光取样，获得的太赫兹波带宽分别是2.5TH d和4. 2TH d左右。
结果表明：GaP晶体探测到的太赫兹 波带宽比ZnTe晶体探测时宽，GaP晶体可以实现宽带探测，但是GaP晶体探测到的太赫兹信号强度明显不如ZnTe晶体。
此外，太赫兹信号强度随着BBO晶体角度变化而变化，周期为90。
关键词：太赫兹；宽带；四波混频；BBO晶体；双色激光中图分类号:O432.1 文献标识码:A太赫兹技术作为一种新兴的光谱和成像技术[1]，因其独特 的性质，使其在医学、通信、军事、无损检测、食品检测和安全与 反恐等多个重要领域有着巨大的应用前景[2〇3]$目前由于部分物质在3TH d以下无特征吸收峰，为了充分研究物质的特性，发挥太赫兹波的优势，人们不断地朝着宽带太赫兹的产生和探 测方向前进。
产生太赫兹波的方式有多种，一般采用光整流法和光电导 天线法。
其中光整流是一个二阶非线性过程，它产生的太赫兹 波带宽宽，但是功率小'光电导天线是利用电场驱动由超快激 光脉冲激发的光生自由载流子来辐射太赫兹波，它产生的太赫 兹波功率高，但是带宽窄。
光整流法和光电导天线法都无法实 现远距离产生太赫兹波[4]。
空气产生太赫兹波是一种相对较 新的太赫兹波产生方法，它是利用激光击穿空气形成等离子 体，等离子体会向外辐射太赫兹波，这种方式不仅可以远距离 产生太赫兹波，而且产生的太赫兹波的带宽宽、功率高，所以本 次试验采用空气产生太赫兹波。
太赫兹检测技术
Materials and Methods
• 1.Patients and Specimen Preparation • From 22 nonconsecutive female patients( mean age
光电导天线图
THz信号的探测是另一项关键技术，由于目 前THz辐射源普遍功率较低，高灵敏度、高信噪 比的探测技术显得更加重要。
THz波的探测方法有两种基于采样测量原理 的探测方法：光电导天线采样法 和自由空间电光 取样法 。
光电导产生/探测THz
太赫兹成像技术
THz辐射和其它电磁辐射(如可见光、X射线、 中近远红外、超声波等)一样，可以作为物体 成像的信号源。
E（min)/E(max)(阈值是最大值得四分之一），图像中的肿瘤可以通过 这两个参数计算出来。
用皮尔森积矩相关系数来计算每个参数，以此来决定图像区域之间的相 互联系，以及22个样品的的梯度。
• 在显微相片上比较可见肿瘤区域的形状，区域中的像素值在x和y方向之 间。因此，图像和显微相片中的二维的肿瘤形状会减少到两个一维的曲 线绘图。
绝热泡沫
航天飞机外挂燃料箱的铝制外壳覆盖有热防 护系统,所用的是几英寸厚的泡沫状材料，它们被 逐层喷涂在基底上。图为火箭燃料箱泡沫板内的 缺陷的太赫兹成像，图中的4个缺陷是用锡箔纸 做的人工缺陷，从泡沫板的太赫兹图像中可以清 晰地看出4个缺陷的边缘以及缺陷的凸起和凹陷 。
安全检查
THz波可穿过衣服纸张等,对报纸遮挡下的陶 瓷匕首成像。THz波相对其他电磁波如微波、X射 线、γ射线等有很强的互补特征,是对常用安检 方法的有益补充。
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第三章太赫兹波的探测就太赫兹波的研究领域来说，太赫兹信号的探测也是一项十分重要的内容。
由于目前太赫兹辐射源的发射功率较低，而且还耦合了相对较强的热背景噪声，所以要想探测太赫兹信号，就得用高灵敏度的探测手段才能得以实现。
在宽波段太赫兹信号的探测中，基于热吸收的直接探测方法是最常用的手段。
但是这些探测方法都需要通过冷却来降低热背景噪声。
而通常的冷却方法就是利用液氦（He）来实现，或者是用冷却式的硅（Si）、锗（Ge）和锑化铟（InSb）热辐射测量仪来进行测量。
热电的红外测量仪器在太赫兹的波段也是可以使用的。
利用铌（Ni）在超导态和正常态之间的转变，科研人员已经根据这种超导技术成功地研制出了非常灵敏的热辐射测量仪。
另外，利用干涉仪也可以直接测得THz光谱信息。
最近的单光子探测器就是利用干涉仪技术实现了对太赫兹光子的探测。
这种探测装置，利用包含一个量子点的单光子晶体管在强磁场中工作,得到了其他方法所不能达到的灵敏度。
尽管这种测量的速度现在仍被限制在1ms左右，但是已经有人提出了高速探测的设想，如果这个设想实现的话，它将会在太赫兹探测领域引发另一场革命。
在需要高光谱分辨率的太赫兹信号探测中，比较常用的是外差式探测器。
在这样的系统中，探测器中的振荡器会以太赫兹量级的频率进行振动，并与接收信号发生混合。
如果对信号进行频率下转换，信号就会被放大，并且对它就可以进行测量了。
在室温条件中，利用半导体技术产生太赫兹辐射是可行的。
而且利用平面肖特基二极管混频器来产生 2.5THz的太赫兹波技术，已经成功地应用于空间技术中了。
如果利用高灵敏度的超导外差式探测器的话，在探测的过程中需要对探测器进行冷却。
在空间技术领域，还有一些别的超导器件比较常用。
其中应用最广泛的就要数超导-绝缘体-超导（SIS, superconductor-insulator-superconductor）结混频器。
高温超导体(如YBCO)则可以应用于更宽波段的测量当中。
而对于太赫兹窄波段的测量，则可以使用各种窄波段探测器来实现,如等离子体场效应管，经研究证明，它的基频已经可达600GHz了。
太赫兹时域光谱（THz-TDS，Terahertz time－domain spectroscopy）系统中的太赫兹脉冲测量，需要使用相干探测器来实现。
最常用的两种相干探测方法是光电导取样和自由空间的电光取样，这两种方法都需要使用超快激光脉冲。
其中，电光效应是低频电场(太赫兹脉冲)和激光束(光学脉冲)在探测晶体中的耦合。
简单的张量分析表明,使用一块〈110〉取向的闪锌矿结构电光晶体（如ZnTe晶体），可以得到很高的探测灵敏度。
经过太赫兹电场调制探测晶体的折射率椭球，进而调制了通过探测晶体的探测光束的椭偏度。
探测光束的被调制的偏振状态，可以反映出包括太赫兹电场的大小和相位在内的光谱信息，从而达到探测太赫兹脉冲的目的。
使用超短激光脉冲(如<15fs)和薄的探测晶体(如<30μｍ)，也可以进行中红外波段的电光信号探测。
3.1脉冲太赫兹信号的探测3.1.1 光电导取样光电导取样是基于光导天线（PCA, photoconductive antenna）发射极发展起来的太赫兹脉冲信号探测技术。
为了探测太赫兹信号，首先将未加偏置的PCA放置在太赫兹光路中，并且利用一个光脉冲门控对其进行控制，而这个光脉冲门控与泵浦光有可调节的时间延迟关系。
门控(探测)脉冲能产生流过PCA的电流，并与电测量系统相连。
当太赫兹电场加在PCA上时，探测到的差分电流与T-射线电场成比例。
光探测脉冲的持续时间远远短于T-射线脉冲，所以通过改变两个光脉冲之间的时间延迟，就可以“取样”出T-射线的波形。
其中探测到的太赫兹信号是入射太赫兹脉冲与PCA响应函数的卷积。
在实际的光谱实验中，探测器和发射极的响应可以通过解卷积来求得，也将信号与参考脉冲正交化来求得。
最常用的光导天线是在低温生长的砷化镓（LT-GaAs）上制作的，PCA探测器的最大带宽约为2THz。
近年来，利用持续时间约为15fs的超快门控脉冲，可使探测带宽达到40 THz。
LT-GaAs PCAs可以通过双光子吸收过程而被1.55μm波长的光门控脉冲探测。
在太赫兹光激发和相关探测系统中，包括有锁模钛蓝宝石激光器，用它作为泵浦光束和探测光束的飞秒脉冲光源；大孔径光电导发射极和作为接收器的光电导偶极天线。
其中，可以在光路中加装硅透镜来提高收集效率。
图 3-1是常用产生和探测的实验装置。
光束经由分光镜一分为二，未经聚焦的较强光束照射在光导发射极的表面上，在此过程中会被一机械斩波器所调制；较弱的光束可用做探测器的时间开启控制，通过时间延迟，聚焦在偶极天线间隙光导体上约 5 mm 光斑。
各种放大的和非放大的飞秒激光器，包括有碰撞脉冲锁模环状染料激光器和自锁模钛蓝宝石激光器，都可以用来作为光导偶极天线发射的太赫兹脉冲的相干产生和探测的光源。
图3-1 太赫兹产生和探测实验装置示意图Grischkowsky 天线图 3-2 光电导偶极天线结构示意图。
具有自由空间电场，持续时间为皮秒的T-射线光斑给电极加上偏压。
飞秒探测脉冲激发瞬态光生载流子，形成电流，被电信号系统所探测。
电流正比于所加的太赫兹场。
如图3-2所示，这种几何结构的光电导探测天线，是由 D Grischkowsky 发明，所以以他的名字来命名这种天线为Grischkowsky 天线。
它可以由辐射损伤的蓝宝石上硅探测器(RD-SOS ，radiation-damaged silicon-on-sapphire) 或低温生长的砷化镓(LT-GaAs)晶片制得。
每一种材料都有极短的光生载流子寿命，这是使探测器响应的探测信号波形的卷积所必须的。
天线构件放置在 20 mm 长的共面传输线的中间，传输线由两条平行间距为 5μm ，长为10μm 的金属条组成。
聚焦太赫兹辐射，其电场在直接与锁相放大器相连的光导天线两极间5μm 的空隙产生瞬时偏压。
这个瞬时电压的强度和时间相关性，可以通过测量集电极电荷（平均电流）对入射太赫兹脉冲和光脉冲之间的相对延迟而获得。
光脉冲通过驱动限制在5μm 天线间隙的光导开关来同步门控探测器。
因此，辐射电场的时域波形可以通过激发脉冲和门控光脉冲之间的时间延迟而取样获得。
这样，系统的信噪比可超过103 。
由于RD-SOS 上的100µm 偶极天线响应时间大约是0.3-1 ps ， 被测量辐射脉冲的带宽受光导探测器的限制，其在几百GHz 频率响应最大。
最快的天线探测响应范围从近 DC 到 5 太赫兹。
探测器所测量得信号，利用锁相放大器和计算机数据采集系统，取平均和数字化，即可反映出太赫兹电场的大小和位相来。
()()()I dtE t n t ττ∞-∞∝-⎰ (3.1-1)3.1.2 自由空间电光取样技术最近几年，很多自由空间技术都得到发展。
在本节中，我们将讨论基于电光（EO ）效应的自由空间太赫兹电光取样技术，包括非线性晶体光整流和利用普克尔（Pockels ）效应的电光取样探测及其应用。
图3-3 是自由空间电光取样太赫兹测量的常用装置。
超快激光脉冲被分为两束：泵浦光束(强光束)和探测光束(弱光束)。
泵浦光束照射在太赫兹发射极上(例如光导天线发射极、光整流发射极等)。
发射极产生的辐射是短电磁脉冲，持续时间在皮秒量级，频率在太赫兹量级，即太赫兹辐射。
太赫兹辐射通常有一个或几个周期，因此带宽很宽。
太赫兹光束被一对抛物面镜准直后聚焦到电光晶体上，它改变了电光晶体折射率椭球。
线偏振探测光束在晶体内与太赫兹光束共线传播，它的相位被调制。
由于电光晶体的折射率被太赫兹脉冲电场改变。
探测光经过电光晶体时，其偏振状态发生变化，再经偏振分束镜（这里常用的是沃拉斯顿（Wollaston ）棱镜）分为s 偏振和p 偏振的两束，这两束光的光强差正比于太赫兹电场。
使用差分探测器可以将这两束光的光强差转换为电流差，从而探测到太赫兹电场随时间变化的时域光谱来。
机械电动延迟线改变太赫兹脉冲和探测脉冲的时间延迟，通过扫描此时间延迟而得到太赫兹电场波形。
为了提高灵敏度和压缩背景噪声，泵浦光束被一机械斩波器调制，利用标准的锁相探测技术，即可获得太赫兹电场振幅和相位的信息。
图3-3 自由空间电光取样(FS-EOS)的经典装置3.1.3 测量原理电光取样的原理如图3-4所示。
假定探测光束沿z 方向传播， x 和 y 是电光晶体的结晶轴。
当电光晶体上施加电场，电感应双折射轴 'x 和 'y 相对于 x 和 y 成45°。
如果入射光束是x 偏振，则输出光束可由下式得到： ()0cos sin cos sin exp 04444001sin cos sin cos 4444x y E E i E ππππδππππ⎛⎫⎛⎫- ⎪ ⎪⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(3.1-2) 其中 Γ+Γ=0δ 是 'x 和'y 方向偏振电场的相位差，包括动态(Γ, 太赫兹电场感生的)和静态(0Γ, 来自电光晶体和补偿器的固有或剩余双折射)相位差。
方程(3.1-2)中，x 和y 偏振光强度为：22002200cos 2sin 2x x y y I E I I E I Γ+Γ⎧==⎪⎪⎨Γ+Γ⎪==⎪⎩ (3.1-3) 其中 200E I =为入射光强度。
可看出 x I 和 y I 是有关系的，即 0I I I y x =+。
这是能量守恒的结果。
为了分别提取x 和y 偏振的光，通常使用Wollaston 棱镜。
静态相位项0Γ也称作光学偏置，常被设置为 2/π来进行平衡探测。
对于没有固有双折射的电光晶体（例如ZnTe ），通常用四分之一波片来提供此光学偏置。
因为电光取样的大多数情况下， 1<<Γ ，因此()()001212x y I I I I ⎧=-Γ⎪⎪⎨⎪=+Γ⎪⎩ (3.1-4) 两束光的信号具有相同的大小但是符号相反。
对于平衡探测，测量到 x I 和 y I的差别，给出信号0s y x I I I I =-=Γ (3.1-5) 信号正比于太赫兹感应的相位改变 Γ ，并且 Γ反过来与太赫兹脉冲的电场成比例。
对于<110> ZnTe 晶体，有下面的关系341dn E πγλΓ= (3.1-6)其中 d 是晶体厚度， n 是探测光束的折射率，λ 是波长, γ41 是电光系数， E是太赫兹脉冲的电场。
图3-4 电光取样的坐标系图3-5 所示的是自由传播的太赫兹脉冲的典型波形和它的频谱，这是利用大孔径光导天线做发射极，1 mm 厚<110> ZnTe 晶体做感应器通过自由空间电光取样测量的。