太赫茲（Terahertz，THz）是指頻率在0.1THz到10THz之間的電磁波，這個(gè)區(qū)間覆蓋了紅外和微波光譜范圍之間的電磁波譜部分。在太赫茲時(shí)域光譜（Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）中，根據(jù)THz波電場(chǎng)的時(shí)域信號(hào)的傅里葉變換獲取THz電場(chǎng)的頻譜信息，由此可將THz-TDS應(yīng)用于安檢、成像、食品檢測(cè)以及材料無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域的研究，此外，由于THz單光子能量較低，且恰好落在生物分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)范圍內(nèi)，可應(yīng)用于生物分子學(xué)的研究。

隨著對(duì)THz波與物質(zhì)相互作用的深入研究，對(duì)THz-TDS的測(cè)量技術(shù)要求也越來(lái)越高。THz-TDS的核心部件包括一個(gè)脈沖THz波輻射源和一個(gè)脈沖THz波探測(cè)器，而偶極子光電導(dǎo)天線是常用的脈沖THz波輻射源和脈沖THz波探測(cè)器。典型的偶極子光電導(dǎo)天線輻射源輻射線偏振脈沖THz波，通過(guò)改變脈沖THz光電導(dǎo)發(fā)射天線的電極形狀和坐標(biāo)朝向獲得任意偏振態(tài)和偏振方向的THz電場(chǎng)，而偶極子光電導(dǎo)天線探測(cè)器的特征是僅測(cè)量脈沖THz電場(chǎng)在其電極間隙方向上的一個(gè)投影分量，而這個(gè)投影分量穿過(guò)材料后的幅值下降是被解釋為由材料吸收和散射引起的，其相位變化僅能分析材料在這一個(gè)投影分量方向上的折射率。

然而，在各向異性、手性特征等樣品材料與THz波的相互作用中，不同偏振方向和偏振態(tài)的THz脈沖不僅在材料內(nèi)部的折射率和吸收系數(shù)不同，而且材料的入射面和材料的旋轉(zhuǎn)角度的變化也將導(dǎo)致不同的測(cè)量結(jié)果，因此，對(duì)這類材料的研究中需要獲取與材料作用前后THz脈沖在幅值、相位、偏振態(tài)和偏振方向的全部變化信息，而僅靠測(cè)量THz脈沖在某一方向的投影分量不足以理解材料在THz波段的所有光學(xué)特性。例如在利用傳統(tǒng)方法對(duì)脈沖THz波和手性材料相互作用的研究中，與左旋和右旋特性材料作用后的THz信號(hào)幅值和相位信息是相同的，導(dǎo)致二者吸收光譜、折射率譜是沒有任何區(qū)分的，然而，在THz波段，左手性和右手性材料的圓二色性（Terahertz circular dichroism，TCD）和光學(xué)旋轉(zhuǎn)色散（Terahertz optical rotary dispersion，TORD）等特性是不同的，因此，利用脈沖THz波全息探測(cè)器對(duì)這類材料的研究是必需的和有意義的。

在脈沖THz波偏振測(cè)量技術(shù)中，傳統(tǒng)的脈沖THz波探測(cè)器（電光晶體、偶極子光電導(dǎo)天線等）需多次旋轉(zhuǎn)探測(cè)器或太赫茲偏振片，但探測(cè)過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)、程序繁多。而光電導(dǎo)天線陣列探測(cè)器則可一次性測(cè)量多通道信號(hào)，使用方便且用時(shí)較少，可應(yīng)用于脈沖THz波偏振探測(cè)的研究，但目前該類型脈沖THz波探測(cè)器還存在接收脈沖THz波的有效區(qū)域不可拓展或相鄰電極之間的反向電流干擾等問(wèn)題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，西安理工大學(xué)施衛(wèi)教授課題組在《物理學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“太赫茲時(shí)域光譜中脈沖太赫茲波全息探測(cè)”為題的文章。文中設(shè)計(jì)了一種基于砷化鎵光電導(dǎo)天線陣列的脈沖THz波全息探測(cè)器（Pulsed Terahertz Holographic Detector，PTHD），PTHD可探測(cè)任意方向THz脈沖在水平和豎直方向的正交偏振分量，并由此獲得THz電場(chǎng)的幅值、相位、偏振態(tài)和偏振方向。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試PTHD在不同角度下響應(yīng)THz電場(chǎng)的正交偏振分量，進(jìn)一步分析PTHD的對(duì)稱性，利用Stokes參量計(jì)算全部偏振信息，和利用瓊斯矩陣研究PTHD對(duì)各向異性材料的量化和手性材料的表征，以及利用PTHD進(jìn)行天線輻射源處于不同激光激勵(lì)狀態(tài)下輻射THz波偏振度（Dependent degree of Polarization，DOP）的研究。此外，該P(yáng)THD接收THz波的有效區(qū)域面積是可擴(kuò)展的，同時(shí)消除拓展后相鄰天線陣元之間的反向電流干擾，這有利于提高探測(cè)器的信噪比和檢測(cè)靈敏度。

（a）PTHD結(jié)構(gòu)；（b）THz波輻射天線結(jié)構(gòu)；（c）THz-TDS光路示意圖

PTHD的設(shè)計(jì)如上圖（a）所示。光電導(dǎo)天線的基底材料是采用MBE系統(tǒng)在（100）方向的半絕緣砷化鎵（Semi-insulating gallium arsenide，SI-GaAs）上生長(zhǎng)的低溫砷化鎵（Lowtemperature gallium arsenide，LT-GaAs），通過(guò)電子束蒸發(fā)工藝將Ni/Au-Ge/Au混合物沉淀在LT-GaAs上，并通過(guò)快速熱退火（Rapid Thermal Annealing，RTA）將其金屬化，通過(guò)精確控制RTA時(shí)間和溫度，AuGeNi合金電極與LT-GaAs襯底形成歐姆接觸。偶極天線長(zhǎng)度l=990μm，電極長(zhǎng)度h=990μm，偶極間隙g=50μm，天線陣元有源區(qū)域（0.03×0.05）mm2，PTHD包含兩個(gè)相互垂直的光電導(dǎo)天線陣元，分別以天線A、B區(qū)分，用以分別探測(cè)正交分量的脈沖太赫茲波，圖中紅點(diǎn)表示PTHD旋轉(zhuǎn)軸位置，并利用黑色曲線表示電極引線，引線連接至同軸電纜并輸出到鎖相放大器。實(shí)驗(yàn)中需設(shè)置PTHD幾何中心、激光光斑中心和THz光斑中心重合，具體方法為通過(guò)旋轉(zhuǎn)PTHD角度為45°，調(diào)節(jié)所有天線陣元通態(tài)電阻相等且接收正交分量的THz信號(hào)強(qiáng)度相同。所用脈沖THz輻射天線為基于LT-GaAs的光電導(dǎo)天線，其間隙為150μm，圖中引線處標(biāo)識(shí)分別代表對(duì)輻射天線施加外置偏置電壓的陽(yáng)極和陰極，輻射THz電場(chǎng)沿y軸方向偏振，如上圖（b）及其局部放大所示。

在本文中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了PTHD在不同角度下對(duì)太赫茲波正交分量的探測(cè)，結(jié)果表明了探測(cè)器用于脈沖THz波偏振探測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性，響應(yīng)矩陣的分析表明該探測(cè)器具有良好的對(duì)稱性，同時(shí)對(duì)輻射天線的研究也表明了PTHD用于脈沖THz波偏振探測(cè)的可靠性。此外，PTHD接收THz波的有效區(qū)域是可拓展為N×N陣列的，且無(wú)相鄰陣元間的反向電流干擾。實(shí)驗(yàn)與理論分析都表明了PTHD在0.1THz-2.2THz光譜范圍內(nèi)用于THz電場(chǎng)偏振測(cè)量的可靠性以及良好的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。

PTHD在不同角度下天線A（a）和天線B（b）的THz電場(chǎng)響應(yīng)；（c）天線陣元A、B響應(yīng)的THz電場(chǎng)振幅及THz信號(hào)幅值的擬合；（d）天線A響應(yīng)時(shí)域信號(hào)的傅里葉變換

總之，文中設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于研究THz波與各項(xiàng)異性、手性特征等對(duì)偏振敏感材料相互作用的PTHD。相比于傳統(tǒng)的光電導(dǎo)THz波探測(cè)器，THz波全息探測(cè)器可通過(guò)一次測(cè)量，獲取任意THz電場(chǎng)振幅、相位、偏振態(tài)和偏振方向的全部信息。