劉鵬翔 李偉4) 郭麗媛 祁峰? 龐子博李惟帆 汪業(yè)龍 劉朝陽(yáng)

1) (中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所, 光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110169)

2) (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所, 天津 300220)

3) (中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院, 沈陽(yáng) 110169)

4) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

利用激光泵浦國(guó)產(chǎn)有機(jī)吡啶鹽4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶對(duì)甲基苯磺酸鹽(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate, DAST)晶體, 通過(guò)非線性頻率上轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)了室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的高靈敏、快響應(yīng)、寬頻段太赫茲探測(cè).高效生成了近紅外上轉(zhuǎn)換光, 采集到其脈沖包絡(luò)和光譜, 獲得了ns 量級(jí)的時(shí)間分辨率, 并換算太赫茲波的頻率, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲信息的全面表征.與商用高萊探測(cè)器相比, 上轉(zhuǎn)換方法在19 THz頻點(diǎn)的探測(cè)靈敏度高4 個(gè)數(shù)量級(jí); 在可探測(cè)頻率3.15—29.82 THz 范圍內(nèi), 響應(yīng)度普遍高2—3 個(gè)數(shù)量級(jí).結(jié)果表明: 室溫下的光泵頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)方法在時(shí)間分辨率和響應(yīng)度方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的熱探測(cè)器, 極大地提高了差頻有源太赫茲系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍, 使差頻源在太赫茲波譜分析和成像等領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用潛力.

1 引 言

太赫茲波段因獨(dú)特的電磁波譜位置, 具有廣闊的應(yīng)用前景, 受到各國(guó)政府和科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[1].低成本、高性能的相干波源和探測(cè)器是太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ).當(dāng)前的太赫茲探測(cè)方法主要有: 電子學(xué)方法(如場(chǎng)效應(yīng)管探測(cè)器[2])、熱方法(測(cè)輻射熱計(jì)Bolometer、氣動(dòng)高萊探測(cè)器和熱釋電探測(cè)器等)、量子方法(如量子點(diǎn)半導(dǎo)體探測(cè)器[3])和光學(xué)方法.光學(xué)探測(cè)方法包括: 用于時(shí)域光譜系統(tǒng)的光電導(dǎo)/電光采樣[4], 以及針對(duì)準(zhǔn)單色波的非線性光學(xué)頻率上轉(zhuǎn)換方法[5].頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)方法,可以看作差頻產(chǎn)生[6]的逆過(guò)程, 通過(guò)太赫茲波與激光在非線性晶體中相互作用, 將信息加載到新生成的近紅外光(上轉(zhuǎn)換光), 利用成熟的光學(xué)探測(cè)器,從頻域高度重疊的熱背景中, 實(shí)現(xiàn)對(duì)相干太赫茲信號(hào)的高效提取.

該方法最早由美國(guó)里海大學(xué)課題組[7?9]于2006 年實(shí)現(xiàn), 他們利用GaSe, GaP 和ZnGeP2晶體實(shí)現(xiàn)了對(duì)差頻產(chǎn)生的太赫茲脈沖的探測(cè), 捕獲了脈沖寬度ns 量級(jí)的上轉(zhuǎn)換光信號(hào), 最小可探測(cè)太赫茲脈沖能量為亞nJ 量級(jí).2011 年, 美國(guó)麻省理工大學(xué)課題組[10]利用周期反轉(zhuǎn)GaAs 晶體實(shí)現(xiàn)了對(duì)返波管BWO 輸出的連續(xù)太赫茲波的上轉(zhuǎn)換探測(cè), 并利用高性能的蓋革計(jì)數(shù)器代替普通p-i-n 二極管, 獲得噪聲等效功率78 fW/Hz0.5.日本理化研究所RIKEN 課題組[11,12]自2008 年和2010 年先后報(bào)道基于LiNbO3和有機(jī)DAST 晶體的太赫茲脈沖探測(cè), 且其長(zhǎng)期系統(tǒng)性工作引領(lǐng)了世界范圍內(nèi)太赫茲上轉(zhuǎn)換探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展水平.LiNbO3晶體主要用于3 THz 以下頻段[13?16], DAST 晶體主要用于3—30 THz 頻段.2014 年他們利用DAST晶體在普通p-i-n 二極管室溫下實(shí)現(xiàn)了與液氦冷卻Bolometer 相當(dāng)?shù)奶綔y(cè)靈敏度[17], 利用雪崩光電二極管APD 并通過(guò)噪聲抑制, 將靈敏度再提高2 個(gè)數(shù)量級(jí)[18], 利用同步雙光柵克服了商用濾波片無(wú)法兼顧高光密度和大范圍調(diào)諧的局限, 實(shí)現(xiàn)了1.85—30.00 THz 的寬頻段探測(cè)[19].2015 年他們以該有源系統(tǒng)為基礎(chǔ), 實(shí)現(xiàn)了太赫茲實(shí)時(shí)成像[20].國(guó)內(nèi)方面, 華中科技大學(xué)于2010 年報(bào)道了LiNbO3非共線相位匹配探測(cè)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模型[21,22], 并于2013 年在實(shí)驗(yàn)中獲得了上轉(zhuǎn)換光信號(hào)[23].

本文報(bào)道了基于激光泵浦國(guó)產(chǎn)DAST 晶體的室溫、高靈敏、寬頻段太赫茲上轉(zhuǎn)換探測(cè), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波脈寬、頻率和能量信息的全面表征, 比較了上轉(zhuǎn)換方法與商用熱探測(cè)的靈敏度和頻率響應(yīng)特性.結(jié)果表明: 室溫下的光泵頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)方法極大地提高了差頻有源太赫茲系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,將促進(jìn)差頻源在太赫茲波譜分析等領(lǐng)域的應(yīng)用.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

激光泵浦DAST 晶體太赫茲頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示.倍頻Nd:YAG 激光器輸出532 nm綠光脈沖(10 ns, 10 Hz), 經(jīng)過(guò)隔離器ISO, 由偏振分束立方體PBS 分為兩束, 分別泵浦兩路反射式光學(xué)參量振蕩器(OPO).其中一路為雙KTiOPO4(KTP)晶體組成的OPO, 圖中KTP 1 與KTP 2的尺寸為10 mm × 7 mm × 20 mm, 切角θ 分別為65°和60°, φ = 0°, 產(chǎn)生1.3—1.6 μm 的雙波長(zhǎng)閑頻光, 用于太赫茲差頻產(chǎn)生(稱為“差頻光”); 另一路為單KTP 晶體(圖中KTP3, 10 mm × 7 mm ×20 mm, θ = 65°, φ = 0°)組成的OPO, 產(chǎn)生1.3 μm附近的單波長(zhǎng)閑頻光, 用于頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)(稱為“探測(cè)光”).差頻光經(jīng)透鏡聚焦至發(fā)射晶體DAST 1, 產(chǎn)生頻率可調(diào)的單色太赫茲波, 由Ge 基紅外長(zhǎng)通濾光片LP 濾除差頻光, 經(jīng)過(guò)一對(duì)拋物面鏡準(zhǔn)直并聚焦, 與探測(cè)光合束進(jìn)入探測(cè)晶體DAST 2,產(chǎn)生波長(zhǎng)更長(zhǎng)的近紅外上轉(zhuǎn)換光, 經(jīng)帶通濾光片組BP 濾除探測(cè)光, 利用InGaAs 光電二極管PD(或光譜儀)間接實(shí)現(xiàn)相干太赫茲探測(cè).用于太赫茲波發(fā)射與探測(cè)的有機(jī)晶體由中國(guó)電科46 所生長(zhǎng)[24], 通光孔徑不小于3 mm, DAST 1 與DAST 2 的厚度分別為1.10 mm 和0.36 mm.

圖1 基于DAST 晶體太赫茲上轉(zhuǎn)換探測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1.Schematic diagram of THz-wave up-conversion detection based on DAST crystals.

3 測(cè)量結(jié)果

利用光電二極管PD 獲得上轉(zhuǎn)換光的典型(非飽和)信號(hào)如圖2 實(shí)線, 脈沖寬度約2 ns(差頻光與探測(cè)光脈寬分別為3.6 ns 和4.6 ns).當(dāng)遮住太赫茲波, 只有探測(cè)光照射晶體DAST 2 時(shí), PD 的響應(yīng)如圖2 虛線, 本底幅值低于1 mV, 說(shuō)明圖2 實(shí)線的脈沖響應(yīng)全部為探測(cè)過(guò)程新生成的上轉(zhuǎn)換光(差頻光已被LP 濾除).

圖2 太赫茲上轉(zhuǎn)換探測(cè)光電二極管響應(yīng)信號(hào)Fig.2.The up-converted signal acquired by a photo-diode.

在PD 響應(yīng)達(dá)到飽和的情況下, 利用光譜儀測(cè)量上轉(zhuǎn)換光的波長(zhǎng)如圖3 所示.此時(shí), OPO 產(chǎn)生的探測(cè)光與差頻光波長(zhǎng)分別為1276.5, 1354.5和 1481.9 nm (圖3 中從左至右3 個(gè)幅值較高的波長(zhǎng)).幅值較低的波長(zhǎng)為新生成的上轉(zhuǎn)換光(1390.1 nm).當(dāng)有、無(wú)太赫茲波照射探測(cè)晶體DAST 2 時(shí), 輸出光譜的比較如圖3 插圖.根據(jù)一對(duì)差頻光波長(zhǎng)計(jì)算太赫茲波頻率為19.04 THz,根據(jù)探測(cè)光與上轉(zhuǎn)換光波長(zhǎng)計(jì)算其頻率為19.21 THz, 誤差為0.17 THz, 相對(duì)誤差小于1%.

對(duì)上轉(zhuǎn)換方法探測(cè)靈敏度的測(cè)量結(jié)果如圖4,測(cè)量頻點(diǎn)為19.04 THz, 探測(cè)光波長(zhǎng)1356.42 nm(KTP 3 正入射), 脈沖能量0.68 mJ, 利用衰減片組改變待測(cè)太赫茲能量.其中衰減倍率30%(右數(shù)第二個(gè)“+”)對(duì)應(yīng)能量下, 商用高萊探測(cè)器(室溫下最靈敏的熱探測(cè)器)的響應(yīng)幅值與噪聲基線寬度相當(dāng)(如圖4 插圖).進(jìn)一步衰減, 肉眼將無(wú)法分辨,須使用鎖相放大器等提取信號(hào).此時(shí), 由上轉(zhuǎn)換方法獲得的PD 響應(yīng)幅值為700 mV, 繼續(xù)衰減4 個(gè)數(shù)量級(jí)仍可以觀察到響應(yīng).同樣為室溫運(yùn)轉(zhuǎn), 上轉(zhuǎn)換方法的最小能量分辨能力較高萊探測(cè)器優(yōu)4 個(gè)數(shù)量級(jí).

圖3 上轉(zhuǎn)換探測(cè)過(guò)程中探測(cè)光、差頻光及上轉(zhuǎn)換光光譜Fig.3.Spectra of the detection light, dual-wavelength lights and up-converted light.

圖4 不同太赫茲能量下的上轉(zhuǎn)換探測(cè)響應(yīng)幅值, 插圖為在相應(yīng)的太赫茲能量下商用高萊探測(cè)器的響應(yīng)幅值Fig.4.Relationship between THz input energy and photodiode output.Inset: the output of a Golay Cell at the corresponding THz energy.

上轉(zhuǎn)換探測(cè)的頻率響應(yīng)特性如圖5 所示.保持產(chǎn)生路與探測(cè)路OPO 的泵浦綠光能量不變(5.15 和4.86 mJ), 旋轉(zhuǎn)晶體KTP2, 改變太赫茲波頻率(差頻光能量0.52 mJ@19 THz, 0.57 mJ@4.3 THz);固定晶體KTP 3, 根據(jù)需要更換帶通濾光片組.四組通帶寬度50 nm 的濾光片共同覆蓋探測(cè)頻段3.15—29.82 THz.同等條件下, 高萊探測(cè)器獲得的DAST 1 晶體差頻發(fā)射曲線如圖5 所示.

圖5 上轉(zhuǎn)換與熱探測(cè)獲得的差頻調(diào)諧曲線Fig.5.Tuning curves of THz-wave difference frequency generation obtained with up-conversion (squares) and thermal detection (circles).

針對(duì)圖5 說(shuō)明如下: 第一, 受濾光片通帶邊沿陡度的限制, 更低的探測(cè)頻率下(3 THz 以內(nèi))光噪聲增大導(dǎo)致上轉(zhuǎn)換探測(cè)分辨能力下降; 第二, 在部分強(qiáng)發(fā)射頻點(diǎn)處PD 的輸出達(dá)到飽和(約9 V),此時(shí)對(duì)上轉(zhuǎn)換光能量衰減再換算得到其響應(yīng)值; 第三, 上轉(zhuǎn)換方法在8.00—9.13 THz 頻率處存在探測(cè)“漏洞”, 原因在于DAST 晶體(a 軸)在8.4 THz處存在強(qiáng)吸收峰, 吸收強(qiáng)度與1.1 THz 處的強(qiáng)峰相當(dāng)[25]; 第四, 同等條件下, 上轉(zhuǎn)換探測(cè)的響應(yīng)度普遍較高萊探測(cè)器高2—3 個(gè)數(shù)量級(jí)(DAST 晶體的吸收峰除外).

4 分析和討論

與此前關(guān)于DAST 晶體太赫茲頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)的結(jié)果[12,17?19]相比, 本文報(bào)道了探測(cè)過(guò)程生成上轉(zhuǎn)換光譜的測(cè)量.在低重復(fù)頻率脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)方式下, 利用單模光纖耦合采集到上轉(zhuǎn)換光的譜線, 說(shuō)明上轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率很高.該光譜信息的獲得能夠間接表征待測(cè)太赫茲波長(zhǎng), 換算結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi).

從頻率響應(yīng)的測(cè)量情況來(lái)看, 圖5 與文獻(xiàn)[19]中圖7 曲線在整體趨勢(shì)上是接近的, 頻率覆蓋率和動(dòng)態(tài)范圍有所提高.本文的具體實(shí)驗(yàn)方法和條件略有不同: 一方面, 施加的激光脈沖能量更高; 另一方面, 帶通濾光片組較文獻(xiàn)[19]中雙光柵的濾光損耗更低.圖5 中上轉(zhuǎn)換探測(cè)的最大動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了5 個(gè)數(shù)量級(jí), 高于此前的3.3 個(gè)數(shù)量級(jí).頻率覆蓋率方面, 文獻(xiàn)[19]中的調(diào)諧曲線存在多處間斷,包括9 THz 和2—23 THz 處的較大間斷; 本文實(shí)現(xiàn)了3.15—29.82 THz 頻段(除8.4 THz 強(qiáng)吸收峰外)全覆蓋, 對(duì)其余吸收峰頻點(diǎn)(如5.0, 12.5, 15.0 和17.0 THz)都獲得了響應(yīng), 特別對(duì)20—22 THz 頻段的響應(yīng)相對(duì)高.在此前關(guān)于DAST 晶體調(diào)諧譜的報(bào)道中(包括直接探測(cè)[26?28]和上轉(zhuǎn)換探測(cè)[19]),20—22 THz 一直是DAST 晶體的“發(fā)射空白”, 原因在于該頻段為晶體的吸收帶[29].根據(jù)我們推導(dǎo)的理論模型[5]分析, 隨晶體對(duì)太赫茲波的吸收增大, 上轉(zhuǎn)換效率和探測(cè)響應(yīng)度降低.該頻段的吸收系數(shù)整體較大, 但與吸收峰位置相比系數(shù)值較小,因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)20—22 THz 頻段的響應(yīng)獲得了明顯的提升.針對(duì)3 THz 以下低頻段, 可借鑒文獻(xiàn)[19]的方法, 配合使用衍射光柵和濾光片等分光元件,進(jìn)一步擴(kuò)展上轉(zhuǎn)換探測(cè)的頻率下限.

此外, 本系統(tǒng)較室溫高萊探測(cè)器的分辨能力高4 個(gè)數(shù)量級(jí)(圖4), 與文獻(xiàn)[17,18]普通p-i-n 二極管探測(cè)水平相當(dāng).利用光電倍增管和雪崩光電二極管等放大探測(cè)器, 將進(jìn)一步提高弱光信號(hào)的分辨能力.因此, 頻率上轉(zhuǎn)換方法的探測(cè)性能還有很大的提升空間.

5 結(jié) 論

本文利用激光泵浦國(guó)產(chǎn)有機(jī)DAST 晶體通過(guò)非線性頻率上轉(zhuǎn)換方法, 實(shí)現(xiàn)了室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的高靈敏、快響應(yīng)、寬頻段太赫茲探測(cè).獲得了ns 量級(jí)的時(shí)間分辨, 并能夠換算太赫茲波的頻率信息, 探測(cè)靈敏度較室溫最靈敏的商用熱探測(cè)器高4 個(gè)數(shù)量級(jí), 可探測(cè)頻率覆蓋3.15—29.82 THz.對(duì)于同一套DAST 晶體差頻太赫茲源, 光泵頻率上轉(zhuǎn)換方法將傳統(tǒng)熱探測(cè)器獲得的動(dòng)態(tài)范圍普遍提高了2—3 個(gè)數(shù)量級(jí), 使差頻源在太赫茲波譜分析和成像等領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用潛力.