磁有序材料太赫兹时域光谱研究

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1、磁有序材料太赫兹时域光谱研究第一章绪论1.1太赫兹波简介太赫兹波(Terahertz，THz，lTHz=1012Hz~300m~33cm-1~4.1meV~47.6K)通常定义为频率从0.1-10THz范围内的电磁波。早在十九世纪二十年代就有人对太赫兹电磁波进行了研究[1]。但是，Terahertz一词却是由费莱明（Fleming）于1974年首先提出的[2]，当时提出来这个词是用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱频率范围的。太赫兹波由于它位于微波和红外线之间，技术上属于传统的微波技术与光学技术的过渡，在过去相

2、当长的时间里，由于缺乏产生和检测THz波的有效方法，相对于微波技术和光学技术，该波段的研究进展相当缓慢。由此，许多研究者称其为THz空白（THzGap）[3,4]。现在看来，THz空白其实包含了两层含义：一是THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，从频率上看，该波段位于无线电波和光波和红外波之间，如图1-1所示，其长波段方向与毫米波(亚毫米波)重合，在短波段方向与红外线相重合，所处的位置正好处于技术发展相对较为完善的微波、毫米波与红外光学之间，形成一个相对落后的空白；二是THz波的长波方向属于电子学(E

3、lectronics)范畴，短波方向属于光子学(Photonics)范畴，从能量上看，介于电子和光子之间，从而在电子学与光子学之间形成了一个空白。.1.2太赫兹电磁波的独特性质科学家发现，在宇宙大爆炸理论中，从宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射，几乎一半以上的能量和几乎全部光子都分布在THz波段，我们周围的大多数物体的热辐射都在太赫兹波段(约为6THz)。现在国际科学界已经越来越认识到太赫兹波的优越性，认为它为技术创新、经济发展和国家安全等提供了新的机遇。尤其是宽带太赫兹波具有不同于其它波段电磁辐射的特殊性

4、质，研究相关物质在这一波段的光谱响应，对于探索物质的结构性质及其所揭示的新的物理内容，建立THz光谱数据库，以及对THz光电器件的研发都具有十分重要的意义。下面简要介绍一下太赫兹波的性质：1、瞬态性：具有一个或半个振荡周期的THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，THz电磁波信号的持续时间一般为几个ps，因此可以利用它研究物质中的超快过程，时间分辨率能达ps量级，可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究。2、相干性：无论是利用飞秒激光脉冲激发电光晶体还是光导天线来产生THz

5、脉冲，飞秒激光脉冲的时间和空间相干性均使所产生的THz辐射具有高度的时间和空间相干性。THz的相干性源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡或是由相干的激光脉冲通过非线性光学效应（差频）产生。THz相干测量技术能够直接测量出THz波的时域电场，再对所得到的时域数据进行快速傅立叶变换就可得到THz电场的振幅和相位。因此，无需再使用克拉莫-克罗尼格（Kramers-Kronig）色散关系，就可以得出样品的介电常数的实部和虚部，能够很方便地得到样品的折射率、吸收系数等，从而大大减少了计算过程[8]。.第

6、二章太赫兹时域光谱技术2.1太赫兹时域光谱技术概述THz时域光谱技术（Terahertztimedomainspectroscopy，THz-TDS）是一种新型的光谱分析技术，是国际上近年来发展起来THz应用技术之一。1983年，Bell实验室的D.H.Anston等[1]人首先研究了基于天线机制的被称为相干远红外光谱的测量方法。1988年，IBM的D.GrischkoeDomainSpeetroscopy，THz-TDS)系统通过记录参考和透过样品(或从样品反射)后的THz时域电场波形，同时获得THz

7、脉冲的振幅信息和相位信息[3,4]。采用傅立叶变换将采集的信号从时域信号变换到频域信号，通过分析和处理频域信号即可获得被测样品的折射率、吸收系数、消光系数或者复介电参数等相关参数[5,6]，从而实现物质识别以及样品的其它重要的物理和化学信息等。需要指出的是，上述相关光学参数的获取无需借助于K-K关系，这正是TH-TDs技术的独特优势，也是当前其它任何光学和微波技术都无法做到的[7]。.2.2几种THz时域光谱实验系统THz-TDS已成为THz科学领域的一种重要技术手段，在物理、材料、化学、生物化合物样品

8、分析鉴定，生物医学、安全检测等领域，表现出巨大的应用前景。目前，实验用THz时域谱系统主要是由飞秒激光器，THz发射器、THz探测器和时间延迟控制系统等四个主要部分组成。其基本原理为飞秒激光器发射的飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为两束，一束激光脉冲(产生脉冲)经过时间延迟系统后入射到太赫兹发射器上产生太赫兹辐射，另一束激光脉冲（探测脉冲）和太赫兹脉冲一同入射到太赫兹探测器上，通过调节探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟可以得到太赫兹脉冲的整个波