光泵浦太赫茲探測(OPTP)系統(tǒng)簡介
光泵浦太赫茲探測（OPTP）技術是一種新興的應用前景良好的超快載流子動力學研究技術。太赫茲輻射，其波段在紅外與毫米波之間，屬于遠紅外波段，當它透射半導體樣品時，對半導體表面的載流子分布和變化十分敏感，很適合被用作探測波來反映載流子的運動狀況。 當泵浦光對半導體進行光激發(fā)時，導帶中的電子和價帶中的空穴占據(jù)了一些能態(tài)，從而會減少樣品對太赫茲探測光的透射，產(chǎn)生飽和吸收，但隨著受激載流子的復合，這種飽和效應也隨之退化，對太赫茲探測光的透射也隨之升高。因此，通過對太赫茲探測光瞬態(tài)透射譜的研究，我們可以獲得半導體材料中非平衡載流子分布的動力學過程及其他光學信息。
OPTP 技術的出現(xiàn)和崛起使超快光譜學可用的技術手段又多了一種。它是光學泵浦探測技術和太赫茲時域光譜技術的結合應用，主要優(yōu)勢在于既能直觀地觀測到樣品信號的光致變化所反映出來的信息，又能提供一個亞皮秒量級的時間分辨率。運用 OPTP 技術可以讓我們通過 THz 光譜在載流子動力學的研究過程中獲得樣品的復電導率的光致變化狀況，能夠實現(xiàn)對準粒子和超導冷凝物的動力學的實時測量。OPTP 技術在早期主要應用于凝聚態(tài)物質的動力學探測。但是近幾年來，隨著電光技術的不斷發(fā)展和人們對 OPTP 技術了解的逐漸深入，OPTP技術找到了適合發(fā)揮其特點的新的應用領域——探測光導材料中光生載流子的動力學。 國外對 OPTP 技術和其他超快光譜學技術的研究較為廣泛和深入。實驗方法主要以光泵浦 THz 探測的方式居多，同時也有通過改變溫度條件來促使物質內(nèi)部載流子發(fā)生變化，從而通過 THz 探測信息等其他形式。研究對象也多種多樣，但大部分還是以半導體材料、一些復合有機材料及異質結結構為主，也有小組用此來研究傳統(tǒng)金屬（例如金和銀）中電子間、電子與聲子間的相互作用過程，有的甚至還進行過對液體中的載流子動力學研究。 在國內(nèi)，只有中科院物理所曾研究過半導體材料 GaAs 作為輻射源產(chǎn)生 THz的研究，其他報道暫時未見到。
OPTP 系統(tǒng)同典型的 THz-TDS 系統(tǒng)的區(qū)別
典型的THz-TDS系統(tǒng)主要由飛秒激光器、THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射探測裝置和時間延遲控制系統(tǒng)組成。以首都示范大學太赫茲波譜與成像實驗室中的透射式THz-TDS系統(tǒng)為例，其具體實驗裝置示意圖如下圖所示。飛秒激光經(jīng)分束鏡分為兩束，其中一束經(jīng)斬波器(Chopper)斬波后，入射ZnTe晶體。利用光整流效應在ZnTe晶體中產(chǎn)生的THz脈沖經(jīng)過兩對離軸拋面鏡，后聚焦于ZnTe探測晶體上。由分束鏡分出的另一束光作為探測光也通過ZnTe晶體，THz的輻射電場通過電光效應使經(jīng)過該電光探測晶體的探測光偏振態(tài)發(fā)生變化，從而反映出了THz電場的變化。THz輻射時域波形由探測光對泵浦光的時間延時來追蹤測量，鎖相放大器(lock in)將信號放大。
OPTP 系統(tǒng)以上圖中實驗系統(tǒng)為例，激光脈沖從鈦寶石正反饋放大器中出射，經(jīng)過個分束鏡 BS 1 分束后，分為兩束：其中的一束光（顏色深）我們稱其為光泵浦路，它沿著 stage 1 的方向傳播，經(jīng)幾個反射鏡反射后斜入射到樣品上，對樣品進行光激勵；另一束傳播向 BS2，再次進行分成兩束激光。這兩束激光則如上文所描述構成太赫茲時域光譜儀系統(tǒng)。
OPTP 系統(tǒng)與 THz-TDS 系統(tǒng)相比，結構大致相同，產(chǎn)生 THz 信號和探測接受信號的方式也可以一樣，但其主要區(qū)別在于：分光過程中 OPTP 系統(tǒng)將一束超快激光脈沖分成三束脈沖——產(chǎn)生路，探測路和泵浦路，比 THz-TDS 系統(tǒng)多分出一路泵浦光路作為泵浦源來激勵樣品。在實驗測量方面，THz-TDS 系統(tǒng)主要靠移動圖中的 Delay Stage 2來掃描 THz脈沖的時域波形；而 OPTP 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)掃描過程有一維掃描和二維掃描之分，既能觀測時域波形中某一點的 THz 透射強度隨著時間延遲（泵浦路和產(chǎn)生路）變化而變化的情況，又能在確定泵浦路和產(chǎn)生路間的時間延遲的情況下，掃描 THz時域波形進行進一步分析。正是因為有一維和二維掃描的模式，及太赫茲脈沖探測提供的亞皮秒量級的時間分辨率，OPTP 系統(tǒng)能讓我們可以比較直觀地、時間分辨地觀測到實驗中所得的 THz 時域信號所反映出來的樣品載流子信息，對進行半導體超快載流子動力學的研究提供了一種便利的方法。
光泵浦太赫茲探測系統(tǒng)（OPTP）原理視頻
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