秒量级，所以太赫兹时域光谱技术具有时间分辨的能力，可以用于物质动态特性的研究。系统与传统的傅里叶红外光谱仪相比，在低于的范围表现出了更高的信噪比。太赫兹脉冲具有很高的峰值功率。系统采用时间采样的探测方式，可以隔离掉绝大部分的背景噪声，从而在很大程度上提高了系统的信噪比，使系统在不需要复杂的制冷系统的情况下能在室温下正常工作。太赫兹时域光谱技术可以方便快捷地对各种材料，如半导体材料超导材料生物组织样品等进行无损探测。与其他光谱技术相比，太赫兹时域光谱技术是种具有时间分辨的相干测量技术，它在太赫兹波段的测量优势是其他光谱技术很难相比的。由于太赫兹脉冲的宽度只有皮秒量级，因此，太赫兹时域光谱技术可用于测量样品的动态性质。利用脉冲太赫兹华中科技大学硕士学位论文探测技术，可以直接得到太赫兹脉冲电场强度的时域波形，采用傅里叶变换将它由时域变到频域可得由上式可知，从太赫兹脉冲的频域分布中，可以直接得到它的振幅信息和相位信息。与其他光学探测技术只能获取光强度信息相比，能够同时获得振幅和相位信息太赫兹时域光谱技术的独特优势。采用太赫兹时域光谱技术测量物质的光谱时，首先需要获得个参考信号，这个参考信号可以是来自太赫兹脉冲自身，也可以来自参考样品。经过傅里叶变换后得到它的频域分布为然后，还需要个经过样品透射或反射的太赫兹脉冲信号，同理，得到它的频域分布为对于样品的透射光谱，由和式，可以得到被测样品的吸收系数为式中，为被测样品的厚度。被测样品的折射率为式中，为真空中的光速。由上述可见，我们不需要经过克拉默斯克勒尼希关系变换，就可以得到被测样品的吸收系数和折射率。太赫兹时域光谱系统根据样品和测试要求的不同，太赫兹时域光谱系统的测量模式主要有透射式反射式差分式椭偏式。其中，透射式和反射式是比较常用的，典型的太赫兹时域光谱系统如图所示，华中科技大学硕士学位论文系统主要由超快脉冲激光器时间延迟控制系统太赫兹脉冲的发射装置和相应的探测装置组成。由超快脉冲激光器发射出来的脉中激光用于激发和探测太赫兹脉冲。时间延迟控制系统用来调节探测脉冲和太赫兹脉冲的时间关系。在透射式太赫兹时域光谱中，由飞秒激光器如钛蓝宝石锁模激光器发出的脉冲激光经分光镜分为泵浦光和探测光。泵浦光用于激发太赫兹发射器件产生太赫兹脉冲，脉冲经样品透射后携带样品信息。探测脉冲经携带信息的太赫兹脉冲调制，从而获得样品信息。对和进行傅里叶变换得到和，两者的比值为时间延迟装置激光器分光镜斩波器偏振片太赫兹发射装置样品透射探测装置离轴抛物面镜反射探测装置斩波驱动器锁相放大器图典型的太赫兹时域光谱测量系统上式中，表示测得的透射功率，表示固有相移，表示样品的厚度，为真空中的光速。通过测得的和可以算出折射率和，从而得到复折华中科技大学硕士学位论文射率。根据下式关系，可以算出相应的复介电常数和复电导率。式中，表示物质在自由空间中的介电常数，表示物质在高频下的介电常数。根据被测样品的实际情况，有时也需要采用反射式的太赫兹时域光谱测量。通过从样品反射回来的太赫兹脉冲对探测脉冲调制作用获取样品信息。同理，经傅里叶变换后也可以获得样品的复折射率和复介电常数等。但是，与透射式的太赫兹时域光谱测量相比，反射式的要求更为严格。因为扫描参考信号时，样品架上放置的金属反射镜的表面结构应该与样品的表面结构保持基本样，并且要求反射镜的位置与样品的位置严格致。因而使得样品样品架以及用作参考使用的金属反射镜的制作难度就更高了。本论文中实验所采用的是太赫兹时域光谱系统的透射模式，测量不同泵浦光功率下透过以为衬底的石墨烯样品的太赫兹波时域谱。实验测量中所使用的仪器为，如图所示，是种便携式的太赫兹时域光谱分析仪系统，此系统由和激光器电源两部分组成。的探测光谱范围为，频域分辨率小于变换后的，快速扫描频率可达到，动态范围大于，具有透射和反射两种模式。仪器的输入输出由外部器件控制，具有开放式结构，拥有和蓝牙接口能够与外部连结，可以通过网络远程操作。软件部分采用的是界面。内部的太赫兹发射模块采用的是光电导天线机制，太赫兹的探测部分使用电光晶体的电光采样法探测。华中科技大学硕士学位论文图实验仪器实物图基于衬底的石墨烯对太赫兹波吸收的实验下面介绍测量不同泵浦光功率下石墨烯样品在太赫兹波段吸收所采取的实验方案，如图所示，采用的透射模式来测量石墨烯样品。由飞秒激光器发射出的脉冲激光，经过偏振分束器分为泵浦光和探测光。泵浦光经过若干反射镜和个光学延迟线后达到光电导天线表面，它的两个电极上施加了个偏置电压，从而辐射出太赫兹脉冲。另束探测光经若干反射镜后到达晶体，在透过石墨烯样品的太赫兹场调制作用下，探测光的偏振态会发生改变。通过时间延迟控制系统，改变探测光和信号光的时间关系，从而得到石墨烯样品的太赫兹时域波形。实验中，我们对石墨烯样品所加的泵浦光是以角入射到它的表面，选用的是的绿激光作为泵浦光。华中科技大学硕士学位论文半波片分束镜飞秒激光脉冲时间延迟装置石墨烯绿激光图测量石墨烯样品的原理图石墨烯对太赫兹波吸收的测量结果及其分析本实验研究的主要内容有，不同泵浦光功率下透过石墨烯样品的太赫兹波的时域波形频域谱透过率谱光电导率载流子浓度吸收谱以及分析吸收的产生机制。首先，使用测量透过石墨烯样品的太赫兹波时域波形时，分为无光照射和有光照射样品两种情况，在有光照射的情况下，我们又采用了不同功率的泵浦光照射被测样品，它们分别为和。实验测得透过石墨烯样品的太赫兹波时域波形如图所示，由于采用太赫兹时域光谱技术测得的物理量是电场强度，所以我们得到的是电场强度的时域波形。从图中可以看到在无光照射和不同功率泵浦光作用下，透过被测样品的太赫兹波的整体时域波形几乎是重合在起的。于是，我们将测得的太赫兹脉冲的局部放大得到它的局部时域波形，如图所幅值幅值华中科技大学硕士学位论文时间图有无光场作用下透过石墨烯样品太赫兹波的整体时域波形时间图有无光场作用下透过石墨烯样品的太赫兹波局部时域波形幅值华中科技大学硕士学位论文示，可以看出泵浦光的加入使得透过样品的太赫兹波发生了时间延迟，并且随着泵浦光功率的增大，时间延迟也随之增大。不过，从本实验测得的结果可以看出，在外加光场作用下太赫兹波时间延迟的量级比较小，大概在范围内。我们测得的透过石墨烯样品的太赫兹波时域波形，由式对其进行傅里叶变换可得，于是便得到在不同泵浦光功率作用下透过石墨烯样品的太赫兹波频域谱，如图所示，从图中看到随着泵浦光功率的增大，吸收峰的频率会随之增大。频率图有无光场作用下透过石墨烯样品的太赫兹波频域谱进步我们将参考信号进行傅里叶变换得到，根据式可以得到样品的透过率谱，光透过率华中科技大学硕士学位论文如图所示，从图中我们看到，石墨烯对于同频率太赫兹波的透过率随着泵浦光功率的增加而下降。这是因为随着泵浦光功率的增大，导带中电子的浓度增加，它所引起的吸收增加，从而导致透过率减少。当没有光照射下和泵浦光功率为时，石墨烯对太赫兹波的透过率随着频率的升高呈现单调下降的趋势。当泵浦光功率为，的情况下，在附近的透过率曲线轮廓存在个最小透过率的现象，随着泵浦功率的增大，这种现象表现的更加明显。,,,,,,,,,华中科技大学硕士学位论文Ⅱ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,频率图有无光场作用下透过石墨烯样品的太赫兹波透过率谱对于实验所用的基于衬底的石墨烯样品，空气石墨烯三者的交界面满足光学边界条件，因此通过不同泵浦光功率下石墨烯的透过率谱可以算出它的稳态电导率，它满足以下关系式中，表示石墨烯样品的层数，表示石墨烯的透过率，和分别表示真空光电导率华中科技大学硕士学位论文中的磁导率和介电常数，为衬底的折射率。计算得到石墨烯稳态光电导率如图所示，频率图有无光场作用下石墨烯样品的光电导率由图可知，对于同频率的太赫兹波，石墨烯的光电导率随着泵浦光功率的增大而增大。当无光照和泵浦光功率为时，石墨烯的光电导率随着频率的升高而单调增加。随着泵浦光功率的升高，低于的光电导率随着频率的增大而增大，高于的光电导率随频率的增大而减小，泵浦光功率越高，这种趋势越显著。现在，我们来看下不同泵浦光功率下石墨烯对太赫兹波的吸收特性。由透过石墨烯的太赫兹波频域谱，按式可以算出石墨烯的吸收谱，式中，为样品厚度，和分别表示参考信号和样品信号的振幅信息。如图所示，吸收系数华中科技大学硕士学位论文波长图有无光场作用下石墨烯对太赫兹波的吸收谱石墨烯对同波长太赫兹波的吸收随着泵浦光功率的增加而增大。无光照射和的泵浦光所对应的吸收曲线表明，随着波长的增长石墨烯对太赫兹波的吸收逐渐减小并趋于稳定。当泵浦光功率为和时，吸收曲线在小于那部分的吸收系数会随着波长的增长有小幅增加，大于的吸收系数随着波长的增长逐渐减小。和泵浦光所对应的吸收曲线在