테라헤르츠 시간영역 분광법

Terahertz time-domain spectroscopy
THZ-TDS로 측정된 일반적인 펄스

물리학에서 테라헤르츠 시간영역 분광법(THZ-TDS)은 물질의 성질을 테라헤르츠 방사선의 짧은 펄스로 프로빙하는 분광기법이다. 생성과 검출 체계는 테라헤르츠 방사선의 진폭과 위상에 대한 표본의 영향에 민감하다. 이 기술은 시간영역에서 측정함으로써 진폭에만 민감한 기존의 푸리에 변환 분광법보다 더 많은 정보를 제공할 수 있다.

위 펄스의 푸리에 변환.

설명

일반적으로 초경량 펄스 레이저가 테라헤르츠 펄스 생성 프로세스에 사용된다. 저온 성장 GaAs를 안테나로 사용할 때, 울트라 포터 펄스는 테라헤르츠 펄스를 생성하기 위해 가속되는 전하 캐리어를 생성한다. 비선형 결정체를 선원으로 사용할 때, 고강도 울트라 포터 펄스는 결정으로부터 THZ 방사선을 생성한다. 단일 테라헤르츠 펄스는 0.05 ~ 4THz 범위의 많은 테라헤르츠 범위를 포함하는 주파수 성분을 포함할 수 있지만, 공기 혈장의[citation needed] 사용은 최대 40THz의 주파수 성분을 포함할 수 있다. TZ 펄스 생성 후 펄스는 광학 기법에 의해 지시되고 샘플을 통해 집중된 후 측정된다.

THZ-TDS는 훨씬 빠른 펨토초 광학 펄스(일반적으로 Ti-sapfire 레이저)에서 초고속(thus, 큰 대역폭) 테라헤르츠 펄스를 생성해야 한다. 광학 펄스는 광학 지연 라인을 사용하여 조정 가능한 경로 길이 조정을 수행하는 프로브 펄스를 제공하기 위해 먼저 분할된다. 프로브 펄스는 광학 프로브 펄스가 검출기로 전송될 때 결과 테라헤르츠 신호의 전기장에 민감한 검출기를 스트로브했다. 프로브 펄스에 의해 통과되는 경로 길이를 변화시킴으로써, 테스트 신호는 시간의 함수 즉, 샘플링 오실로스코프와 동일한 원리로 측정된다(기술적으로, 측정은 테스트 신호의 콘볼루션과 스트로브 검출기의 시간 영역 응답을 얻음). 푸리에 변환을 사용하여 결과 주파수 영역 응답을 얻으려면 측정값이 결과 테스트 펄스의 각 시점(지연선 오프셋)을 포함해야 한다. 예를 들어, 시험 표본의 응답은 그 스펙트럼을 분할하여 보정할 수 있으며, 이를 샘플이 제거된 상태에서 얻은 테라헤르츠 펄스의 스펙트럼으로 구할 수 있다.

구성 요소들

그림에서 설명한 것처럼 일반적인 THZ-TDS 기기의 구성품에는 적외선 레이저, 광학 빔 플리터, 빔 조향 미러, 지연 단계, 테라헤르츠 발생기, 포물선 미러와 같은 광학 포커싱 및 시준하는 테라헤르츠 빔, 검출기가 포함된다.

일반적인 THZ 시간 영역 분광기(THZ-TDS) 시스템. 하프 웨이브 플레이트(HWP), 편광 빔 플리터(PBS), 스티어링 미러(M#), 광 유도 안테나, 포물선 미러(PM#), 쿼터 웨이브 플레이트(QWP)

Ti:사파이어 레이저

저온 성장형 GaAs(LT-GaAs) 기반 안테나를 사용하여 THZ-TDS 실험을 구성하려면 광자 에너지가 해당 물질의 밴드 갭을 초과하는 레이저가 필요하다. LT-GaAs의 에너지 갭과 일치하는 800nm 정도로 튜닝된 Ti:사파이어 레이저가 10fs 정도의 짧은 광학 펄스를 생성할 수 있어 이상적이다. 이 레이저들은 상업용 턴키 시스템으로 사용할 수 있다.

스티어링 미러

은색 코팅 미러는 약 800nm의 적외선 펄스를 위한 조향 미러로 사용하기에 최적이다. 그들의 반사율은 금보다 높고 그 파장의 알루미늄보다 훨씬 높다.

빔플리터

빔플리터는 단일 울트라 포터 광학 펄스를 두 개의 개별 빔으로 나누는 데 사용된다. 50/50 빔플리터를 사용하는 경우가 많아 테라헤르츠 발생기와 검출기에 동일한 광학 전력을 공급한다.

지연단계

광학 지연선은 2개의 빔 경로 중 하나의 경로 길이를 변화시키기 위해 이동식 단계를 사용하여 구현된다. 지연 단계는 이동 역반사기를 사용하여 잘 정의된 출력 경로를 따라 빔을 리디렉션하지만 지연을 따른다. 역반사기를 고정하는 스테이지의 이동은 경로 길이의 조정과 그에 따라 테라헤르츠 검출기가 소스 테라헤르츠 펄스에 비례하여 게이트되는 시간에 해당한다.

퍼지 박스

퍼지 박스는 일반적으로 기체 물 분자에 의한 THz 방사선의 흡수가 발생하지 않도록 사용된다. 물은 물 분자의 회전 모드인 THZ 지역에서 많은 이산 흡수 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 질소는 이원자 분자로서 전기 쌍극자 모멘트가 없으며 (일반적인 THZ-TDS의 목적상) TZ 방사선을 흡수하지 않는다. 따라서 퍼지 박스는 TZ 주파수 범위에서 의도하지 않은 이산흡수가 발생하지 않도록 질소로 채울 수 있다.

포물선 거울

오프 축 포물선 미러는 일반적으로 THz 방사선을 콜리메이트하고 초점화하는 데 사용된다. 오프 축 포물선 미러의 LT-GaAs 안테나(활성 영역 ~ 5μm) 입사처럼 유효 지점 선원의 방사선이 시준되는 반면 포물선 미러의 시준 방사선 사고는 한 점에 집중된다(도표 참조). 따라서 테라헤르츠 방사선은 이러한 파장에서 투명한 물질로 만들어진 렌즈뿐만 아니라 거울과 같은 광학적 구성요소를 사용하여 공간적으로 조작할 수 있다. 분광학 검체는 일반적으로 테라헤르츠 빔이 가장 집중된 곳에 배치된다.

포물선 거울은 중요한 초점 길이와 몇 가지 모범적인 광선으로 보여진다.

THZ 방사선의 사용

THz 방사선은 분광학에서 사용하기 위한 몇 가지 뚜렷한 장점을 가지고 있다. 많은 물질은 테라헤르츠 파장에서 투명하며, 이 방사선은 (X-ray와는 반대로) 생물 조직이 비이온화되기에 안전하다. 많은 흥미로운 물질들은 식별에 사용될 수 있는 테라헤르츠 범위의 독특한 스펙트럼 지문을 가지고 있다. 입증된 예로는 여러 종류의 폭발물, 상용 의약품에서 활성제약 성분(API)으로 사용되는 많은 화합물의 다형성 형태 및 여러 가지 불법 마약성 물질이[citation needed] 있다. 많은 물질들이 TZ 방사선에 투명하기 때문에 시각적으로 불투명한 간섭층을 통해 기초 물질에 접근할 수 있다. 분광 기법은 아니지만, THZ 방사선 펄스의 초음파 폭은 탐사하기 어려운 재료(예: 폼)에 대한 측정(예: 두께, 밀도, 결함 위치)을 허용한다. 이러한 측정 기능은 짧은 테라헤르츠 펄스의 반사 타이밍을 통해 매립 구조물의 깊이를 추정할 수 있기 때문에 펄스 초음파 시스템과 많은 유사성을 공유한다.

TZ 제너레이션

테라헤르츠 펄스를 생성하기 위해 널리 사용되는 세 가지 기법이 있는데, 모두 티타늄 사파이어 레이저 또는 모드 잠금식 섬유 레이저의 울트라쇼트 펄스를 기반으로 한다.

표면 방출기

초단거리(100펨토초 이상) 광학 펄스가 반도체를 비추고 그 파장(에너지)이 물질의 에너지 밴드갭 위에 있으면 이동통신사를 광생화한다. 펄스의 흡수가 지수 공정임을 감안하면 대부분의 반송파가 표면 근처에서 생성된다(일반적으로 1마이크로미터 이내). 이것은 두 가지 주효과가 있다. 첫째로, 그것은 밴드 벤딩을 생성하는데, 이것은 반대 방향(평범한 표면에 대한)으로 서로 다른 부호의 캐리어를 가속시키는 효과를 가지고 있어 쌍극자를 생성한다. 이 효과는 표면장 방출이라고 알려져 있다. 둘째로, 표면의 존재 자체가 대칭의 파단을 일으켜, 캐리어가 반도체 덩어리로만 (평균적으로) 움직일 수 있게 된다. 이 현상은 전자와 구멍의 유동성의 차이와 결합하여 쌍극형을 만들기도 하는데, 이를 광-뎀버 효과라고 하며 특히 인듐 비소와 같은 고이동성 반도체에 강하다.

광촉자 방출기

주요 기사: 오스턴 스위치

광전자 유도 방출기를 통해 THZ 방사선을 생성할 때, 반도체 물질에 초고속 펄스(일반적으로 100 팜토초 이하)가 충전 캐리어(전자 구멍 쌍)를 생성한다. 이 경우 레이저 펄스는 안테나를 절연 상태에서 전도 상태로 갑자기 변경한다. 안테나를 가로질러 가해지는 전기 바이어스 때문에, 갑작스러운 전류가 안테나를 가로질러 전달된다. 이 변화하는 전류는 약 1피코초 동안 지속되며, 따라서 피코초 길이 신호의 푸리에 변환은 THz 성분을 포함할 것이기 때문에 테라헤르츠 방사선을 방출한다.

일반적으로 두 안테나 전극은 저온 갈륨 비소(LT-GaAs), 반절연 갈륨 비소(SI-GaAs) 또는 기타 반도체(InP 등) 기질에 패턴이 있다. 일반적으로 사용되는 방식에서 전극은 몇 마이크로미터의 간격을 가진 단순한 쌍극 안테나 모양으로 형성되며 그 사이에 최대 40V의 바이어스 전압을 가진다. 초고속 레이저 펄스는 반도체 기질의 밴드갭을 가로질러 전자를 자극할 정도로 짧은 파장을 가지고 있어야 한다. 이 계획은 1.55 eV의 광자 에너지와 약 10nJ의 펄스 에너지를 가진 Ti:sapfire 오실레이터 레이저로 조명에 적합하다. 펄스 에너지가 약 1mJ인 증폭 Ti:sapfire 레이저와 함께 사용할 경우, 최대 200kV의 바이어스 전압으로 전극 간극을 몇 센티미터까지 늘릴 수 있다.

비용 효율적이고 컴팩트한 THZ-TDS 시스템을 향한 최근의 발전은 1550 nm의 중심 파장에서 방출되는 모드 잠금식 섬유 레이저 선원에 기초하고 있다. 따라서 광촉자 방출기는 Fe-doped 인듐 갈륨 비소[1] 또는 인듐 갈륨 비소/인듐 알루미늄 비소 이성 구조와 같이 약 0.74 eV의 작은 밴드 간격을 가진 반도체 소재를 기반으로 해야 한다.[2]

THz 펄스의 짧은 지속 시간(일반적으로 ~2ps)은 반도체와 단거리 반송파 평생 반도체 소재(예: LT-GaAs)에서 광 유도 전류가 빠르게 상승하기 때문이다. 이 전류는 기질이 구성되는 재료에 따라 수백 펨토초, 최대 몇 나노초 동안만 지속될 수 있다. 이것이 유일한 세대수단이 아니라 현재(2008년 기준)가 가장 보편적이다.[citation needed]

이 방법에 의해 생성된 펄스는 수십 개의 마이크로와트 순서로 평균 전력 수준을 가진다.[2] 펄스 중 피크 출력은 레이저 소스의 반복 속도에 따라 달라지는 대부분 1% 이하의 낮은 듀티 사이클로 인해 크기가 더 클 수 있다. 결과 TZ 펄스의 최대 대역폭은 주로 레이저 펄스의 지속시간에 의해 제한되며, 푸리에 스펙트럼의 최대 주파수 위치는 반도체의 반송파 수명에 의해 결정된다.[3]

광학 정류

주요 기사: 광학 정류

광학 정류에서는 고강도의 초경량 레이저 펄스가 인가된 전압 없이 테라헤르츠 펄스를 방출하는 투명한 결정 물질을 통과한다. 그것은 비선형 광학 공정으로, 높은 광학 강도에서 적절한 결정 재료가 전기적으로 빠르게 편광된다. 이렇게 변화하는 전기 양극화는 테라헤르츠 방사선을 방출한다.

필요한 레이저 강도가 높기 때문에 이 기법은 주로 증폭된 Ti:sapfire 레이저와 함께 사용된다. 대표적인 결정 물질은 아연 텔루라이드, 갈륨 인산염, 갈륨 셀레니드 등이다.

광학 정류에 의해 생성되는 펄스의 대역폭은 레이저 펄스 지속시간, 결정 물질의 테라헤르츠 흡수, 결정의 두께, 결정 내부의 레이저 펄스와 테라헤르츠의 전파 속도 불일치에 의해 제한된다. 일반적으로 두꺼운 크리스털은 더 높은 강도를 발생시키지만 THZ 주파수는 더 낮다. 이 기법을 사용하면 발생 주파수를 40THz(7.5µm) 이상으로 끌어올릴 수 있지만, 2THz(150µm)는 덜 복잡한 광학 설정이 필요하기 때문에 더 일반적으로 사용된다.

THZ 탐지

테라헤르츠 펄스의 전기장은 초음파 레이저 펄스로 동시에 조명되는 검출기에서 측정된다. THZ-TDS에는 광 유도 샘플링과 전기 광학 샘플링이라는 두 가지 공통 검출 방식이 사용된다. THZ 펄스의 힘은 볼로미터(액체-헬리움 온도로 냉각된 열 감지기)에 의해 감지될 수 있지만, 볼로미터는 시간이 지남에 따라 전기장이 아닌 테라헤르츠 펄스의 총 에너지만 측정할 수 있기 때문에 THZ-TDS에는 적합하지 않다.

측정 기법이 일관성이 있기 때문에 조리 없는 방사선을 자연적으로 거부한다. 또한 측정의 시간 조각이 매우 좁기 때문에 측정 시 소음 기여도는 극히 낮다.

결과 시간 영역 파형의 신호 대 잡음 비(S/N)는 명백히 실험 조건(예: 평균 시간)에 따라 달라지지만, 설명한 일관성 있는 샘플링 기법 때문에 높은 S/N 값(>70 dB)은 1분 평균 시간으로 일상적으로 볼 수 있다.

다운믹싱

"테라헤르츠 갭"(THZ 주파수 범위의 기술 부족에 대한 구어적 용어)을 담당한 원래 문제는 전자제품이 10Hz12 이상에서 일상적으로 제한된 작동을 한다는 것이었다. LT-GaAs 안테나를 사용하는 THZ-TDS에서 그러한 두 가지 실험 파라미터는 그러한 측정을 가능하게 한다: 펨토초 "게이트" 펄스 및 안테나 내 충전 캐리어의 <1ps 수명(효과적으로 안테나의 "ON" 시간을 결정). 모든 광학 경로 길이가 고정된 경우 시간 분해능이 낮기 때문에 검출 전자기에 유효 dc 전류가 발생한다. 피코세컨드 시간 분해능은 빠른 전자나 광학 기법에서 오는 것이 아니라 마이크로미터(μm) 눈금의 광학 경로 길이를 조절하는 능력에서 오는 것이다. THz 펄스의 특정 세그먼트를 측정하기 위해 광 경로 길이가 고정되고 TZ 펄스의 특정 전기장 세그먼트 때문에 검출기에서 (유효 dc) 전류가 발생한다.

THZ-TDS 측정은 일반적으로 싱글샷 측정치가 아니다.

광촉자 검출

광촉자 검출은 광촉자 발생과 유사하다. 여기서 안테나 리드에 걸친 전압 편향은 일부 외부 발생이 아니라 안테나에 초점을 맞춘 THZ 펄스의 전기장에 의해 발생한다. THZ 전기장은 안테나 리드를 가로질러 전류를 구동하며, 일반적으로 저대역폭 증폭기로 증폭된다. 이 증폭 전류는 THZ 자기장 강도에 해당하는 측정된 파라미터다. 다시 말하지만, 반도체 기질에 있는 캐리어의 수명은 극히 짧다. 따라서 THZ 전기장 강도는 전체 전기장 파형의 극히 좁은 슬라이스(펨토초)에 대해서만 샘플링된다.

전자 광학 샘플링

광 정류에 의한 테라헤르츠 방사선 생성에 사용되는 물질은 특정 결정 물질이 전기장 존재에서 중경화되는 Pockels 효과를 이용하여 검출에 사용될 수도 있다. 테라헤르츠 펄스의 전기장에 의해 야기되는 이뇌전은 테라헤르츠 전기장 강도에 비례하는 검출 펄스의 광학적 양극화 변화를 이끈다. 편광기와 광다이오드의 도움을 받아 이러한 양극화 변화를 측정한다.

세대처럼 검출 대역폭은 레이저 펄스 지속시간, 재료 특성, 결정 두께에 따라 달라진다.

이점

THZ-TDS는 전력뿐만 아니라 펄스의 전기장을 측정한다. 따라서 THZ-TDS는 포함된 주파수 성분의 진폭과 위상 정보를 모두 측정한다. 대조적으로 각 주파수에서 전력만을 측정하는 것은 본질적으로 광자 계수 기법이며, 빛의 위상에 관한 정보는 얻어지지 않는다. 따라서 파형은 그러한 전력 측정에 의해 고유하게 결정되지 않는다.

샘플에서 반사되는 힘만 측정해도 소재의 복잡한 광학적 반응 상수를 얻을 수 있다. 광학 상수의 복잡한 성질이 자의적이지 않기 때문이다. 광학 상수의 실제와 상상의 부분은 크레이머-크로니그 관계에 의해 관련된다. 샘플에 대한 정보(예: 반사된 힘)를 모든 주파수에서 얻어야 하기 때문에, 문서로 작성된 크레이머-크로니그 관계를 적용하는데 어려움이 있다. 실제로 멀리 떨어져 있는 주파수 영역은 서로에 큰 영향을 미치지 않으며, 측정 범위를 벗어나 고주파와 저주파에서 합리적인 제한 조건을 적용할 수 있다.

대조적으로 THZ-TDS는 크레이머스-크로니그 관계를 사용할 필요가 없다. 시간영역에서 THZ 펄스의 전기장을 측정함으로써 THZ 펄스의 각 주파수 성분의 진폭과 위상이 알려져 있다(전력 측정에 의해 알려진 단일 정보 조각과는 대조적으로). 따라서 광학 상수의 실제 부분과 가상 부분은 가용 대역폭이나 Kramers-Kronig 관계를 벗어난 주파수의 필요 없이 THZ 펄스의 가용 대역폭 내의 모든 주파수에서 알 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ M.Suzuki and M. Tonouchi (2005). "Fe-implanted InGaAs terahertz emitters for 1.56μm wavelength excitation". Applied Physics Letters. 86 (5): 051104. Bibcode:2005ApPhL..86e1104S. doi:10.1063/1.1861495.
  2. ^ Jump up to: a b R.J.B. Dietz; B. Globisch; M. Gerhard; et al. (2013). "64 μW pulsed terahertz emission from growth optimized InGaAs/InAlAs heterostructures with separated photoconductive and trapping regions". Applied Physics Letters. 103 (6): 061103. Bibcode:2013ApPhL.103f1103D. doi:10.1063/1.4817797.
  3. ^ L. Duvillaret; F. Garet; J.-F. Roux; J.-L. Coutaz (2001). "Analytical modeling and optimization of terahertz time-domain spectroscopy experiments, using photoswitches as antennas". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 7 (4): 615–623. Bibcode:2001IJSTQ...7..615D. doi:10.1109/2944.974233.

추가 읽기