基于砷化镓光电导天线阵列的脉冲THz波全息探测器

太赫兹（Terahertz，THz）是指频率在0.1THz到10THz之间的电磁波，这个区间覆盖了红外和微波光谱范围之间的电磁波谱部分。在太赫兹时域光谱（Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）中，根据THz波电场的时域信号的傅里叶变换获取THz电场的频谱信息，由此可将THz-TDS应用于安检、成像、食品检测以及材料无损检测等领域的研究，此外，由于THz单光子能量较低，且恰好落在生物分子的转动和振动能级范围内，可应用于生物分子学的研究。

随着对THz波与物质相互作用的深入研究，对THz-TDS的测量技术要求也越来越高。THz-TDS的核心部件包括一个脉冲THz波辐射源和一个脉冲THz波探测器，而偶极子光电导天线是常用的脉冲THz波辐射源和脉冲THz波探测器。典型的偶极子光电导天线辐射源辐射线偏振脉冲THz波，通过改变脉冲THz光电导发射天线的电极形状和坐标朝向获得任意偏振态和偏振方向的THz电场，而偶极子光电导天线探测器的特征是仅测量脉冲THz电场在其电极间隙方向上的一个投影分量，而这个投影分量穿过材料后的幅值下降是被解释为由材料吸收和散射引起的，其相位变化仅能分析材料在这一个投影分量方向上的折射率。

然而，在各向异性、手性特征等样品材料与THz波的相互作用中，不同偏振方向和偏振态的THz脉冲不仅在材料内部的折射率和吸收系数不同，而且材料的入射面和材料的旋转角度的变化也将导致不同的测量结果，因此，对这类材料的研究中需要获取与材料作用前后THz脉冲在幅值、相位、偏振态和偏振方向的全部变化信息，而仅靠测量THz脉冲在某一方向的投影分量不足以理解材料在THz波段的所有光学特性。例如在利用传统方法对脉冲THz波和手性材料相互作用的研究中，与左旋和右旋特性材料作用后的THz信号幅值和相位信息是相同的，导致二者吸收光谱、折射率谱是没有任何区分的，然而，在THz波段，左手性和右手性材料的圆二色性（Terahertz circular dichroism，TCD）和光学旋转色散（Terahertz optical rotary dispersion，TORD）等特性是不同的，因此，利用脉冲THz波全息探测器对这类材料的研究是必需的和有意义的。

在脉冲THz波偏振测量技术中，传统的脉冲THz波探测器（电光晶体、偶极子光电导天线等）需多次旋转探测器或太赫兹偏振片，但探测过程耗时较长、程序繁多。而光电导天线阵列探测器则可一次性测量多通道信号，使用方便且用时较少，可应用于脉冲THz波偏振探测的研究，但目前该类型脉冲THz波探测器还存在接收脉冲THz波的有效区域不可拓展或相邻电极之间的反向电流干扰等问题。

据麦姆斯咨询报道，近期，西安理工大学施卫教授课题组在《物理学报》期刊上发表了以“太赫兹时域光谱中脉冲太赫兹波全息探测”为题的文章。文中设计了一种基于砷化镓光电导天线阵列的脉冲THz波全息探测器（Pulsed Terahertz Holographic Detector，PTHD），PTHD可探测任意方向THz脉冲在水平和竖直方向的正交偏振分量，并由此获得THz电场的幅值、相位、偏振态和偏振方向。通过实验测试PTHD在不同角度下响应THz电场的正交偏振分量，进一步分析PTHD的对称性，利用Stokes参量计算全部偏振信息，和利用琼斯矩阵研究PTHD对各向异性材料的量化和手性材料的表征，以及利用PTHD进行天线辐射源处于不同激光激励状态下辐射THz波偏振度（Dependent degree of Polarization，DOP）的研究。此外，该PTHD接收THz波的有效区域面积是可扩展的，同时消除拓展后相邻天线阵元之间的反向电流干扰，这有利于提高探测器的信噪比和检测灵敏度。

（a）PTHD结构；（b）THz波辐射天线结构；（c）THz-TDS光路示意图

PTHD的设计如上图（a）所示。光电导天线的基底材料是采用MBE系统在（100）方向的半绝缘砷化镓（Semi-insulating gallium arsenide，SI-GaAs）上生长的低温砷化镓（Lowtemperature gallium arsenide，LT-GaAs），通过电子束蒸发工艺将Ni/Au-Ge/Au混合物沉淀在LT-GaAs上，并通过快速热退火（Rapid Thermal Annealing，RTA）将其金属化，通过精确控制RTA时间和温度，AuGeNi合金电极与LT-GaAs衬底形成欧姆接触。偶极天线长度l=990μm，电极长度h=990μm，偶极间隙g=50μm，天线阵元有源区域（0.03×0.05）mm2，PTHD包含两个相互垂直的光电导天线阵元，分别以天线A、B区分，用以分别探测正交分量的脉冲太赫兹波，图中红点表示PTHD旋转轴位置，并利用黑色曲线表示电极引线，引线连接至同轴电缆并输出到锁相放大器。实验中需设置PTHD几何中心、激光光斑中心和THz光斑中心重合，具体方法为通过旋转PTHD角度为45°，调节所有天线阵元通态电阻相等且接收正交分量的THz信号强度相同。所用脉冲THz辐射天线为基于LT-GaAs的光电导天线，其间隙为150μm，图中引线处标识分别代表对辐射天线施加外置偏置电压的阳极和阴极，辐射THz电场沿y轴方向偏振，如上图（b）及其局部放大所示。

在本文中，实验测试了PTHD在不同角度下对太赫兹波正交分量的探测，结果表明了探测器用于脉冲THz波偏振探测的稳定性和可靠性，响应矩阵的分析表明该探测器具有良好的对称性，同时对辐射天线的研究也表明了PTHD用于脉冲THz波偏振探测的可靠性。此外，PTHD接收THz波的有效区域是可拓展为N×N阵列的，且无相邻阵元间的反向电流干扰。实验与理论分析都表明了PTHD在0.1THz-2.2THz光谱范围内用于THz电场偏振测量的可靠性以及良好的结构对称性。

PTHD在不同角度下天线A（a）和天线B（b）的THz电场响应；（c）天线阵元A、B响应的THz电场振幅及THz信号幅值的拟合；（d）天线A响应时域信号的傅里叶变换

总之，文中设计了一种可应用于研究THz波与各项异性、手性特征等对偏振敏感材料相互作用的PTHD。相比于传统的光电导THz波探测器，THz波全息探测器可通过一次测量，获取任意THz电场振幅、相位、偏振态和偏振方向的全部信息。

审核编辑：彭静