太赫茲（Terahertz，THz）是指頻率在0.1THz到10THz之間的電磁波，這個區(qū)間覆蓋了紅外和微波光譜范圍之間的電磁波譜部分。在太赫茲時域光譜（Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）中，根據(jù)THz波電場的時域信號的傅里葉變換獲取THz電場的頻譜信息，由此可將THz-TDS應用于安檢、成像、食品檢測以及材料無損檢測等領域的研究，此外，由于THz單光子能量較低，且恰好落在生物分子的轉(zhuǎn)動和振動能級范圍內(nèi)，可應用于生物分子學的研究。

隨著對THz波與物質(zhì)相互作用的深入研究，對THz-TDS的測量技術要求也越來越高。THz-TDS的核心部件包括一個脈沖THz波輻射源和一個脈沖THz波探測器，而偶極子光電導天線是常用的脈沖THz波輻射源和脈沖THz波探測器。典型的偶極子光電導天線輻射源輻射線偏振脈沖THz波，通過改變脈沖THz光電導發(fā)射天線的電極形狀和坐標朝向獲得任意偏振態(tài)和偏振方向的THz電場，而偶極子光電導天線探測器的特征是僅測量脈沖THz電場在其電極間隙方向上的一個投影分量，而這個投影分量穿過材料后的幅值下降是被解釋為由材料吸收和散射引起的，其相位變化僅能分析材料在這一個投影分量方向上的折射率。

然而，在各向異性、手性特征等樣品材料與THz波的相互作用中，不同偏振方向和偏振態(tài)的THz脈沖不僅在材料內(nèi)部的折射率和吸收系數(shù)不同，而且材料的入射面和材料的旋轉(zhuǎn)角度的變化也將導致不同的測量結(jié)果，因此，對這類材料的研究中需要獲取與材料作用前后THz脈沖在幅值、相位、偏振態(tài)和偏振方向的全部變化信息，而僅靠測量THz脈沖在某一方向的投影分量不足以理解材料在THz波段的所有光學特性。例如在利用傳統(tǒng)方法對脈沖THz波和手性材料相互作用的研究中，與左旋和右旋特性材料作用后的THz信號幅值和相位信息是相同的，導致二者吸收光譜、折射率譜是沒有任何區(qū)分的，然而，在THz波段，左手性和右手性材料的圓二色性（Terahertz circular dichroism，TCD）和光學旋轉(zhuǎn)色散（Terahertz optical rotary dispersion，TORD）等特性是不同的，因此，利用脈沖THz波全息探測器對這類材料的研究是必需的和有意義的。

在脈沖THz波偏振測量技術中，傳統(tǒng)的脈沖THz波探測器（電光晶體、偶極子光電導天線等）需多次旋轉(zhuǎn)探測器或太赫茲偏振片，但探測過程耗時較長、程序繁多。而光電導天線陣列探測器則可一次性測量多通道信號，使用方便且用時較少，可應用于脈沖THz波偏振探測的研究，但目前該類型脈沖THz波探測器還存在接收脈沖THz波的有效區(qū)域不可拓展或相鄰電極之間的反向電流干擾等問題。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，西安理工大學施衛(wèi)教授課題組在《物理學報》期刊上發(fā)表了以“太赫茲時域光譜中脈沖太赫茲波全息探測”為題的文章。文中設計了一種基于砷化鎵光電導天線陣列的脈沖THz波全息探測器（Pulsed Terahertz Holographic Detector，PTHD），PTHD可探測任意方向THz脈沖在水平和豎直方向的正交偏振分量，并由此獲得THz電場的幅值、相位、偏振態(tài)和偏振方向。通過實驗測試PTHD在不同角度下響應THz電場的正交偏振分量，進一步分析PTHD的對稱性，利用Stokes參量計算全部偏振信息，和利用瓊斯矩陣研究PTHD對各向異性材料的量化和手性材料的表征，以及利用PTHD進行天線輻射源處于不同激光激勵狀態(tài)下輻射THz波偏振度（Dependent degree of Polarization，DOP）的研究。此外，該PTHD接收THz波的有效區(qū)域面積是可擴展的，同時消除拓展后相鄰天線陣元之間的反向電流干擾，這有利于提高探測器的信噪比和檢測靈敏度。

（a）PTHD結(jié)構；（b）THz波輻射天線結(jié)構；（c）THz-TDS光路示意圖

PTHD的設計如上圖（a）所示。光電導天線的基底材料是采用MBE系統(tǒng)在（100）方向的半絕緣砷化鎵（Semi-insulating gallium arsenide，SI-GaAs）上生長的低溫砷化鎵（Lowtemperature gallium arsenide，LT-GaAs），通過電子束蒸發(fā)工藝將Ni/Au-Ge/Au混合物沉淀在LT-GaAs上，并通過快速熱退火（Rapid Thermal Annealing，RTA）將其金屬化，通過精確控制RTA時間和溫度，AuGeNi合金電極與LT-GaAs襯底形成歐姆接觸。偶極天線長度l=990μm，電極長度h=990μm，偶極間隙g=50μm，天線陣元有源區(qū)域（0.03×0.05）mm2，PTHD包含兩個相互垂直的光電導天線陣元，分別以天線A、B區(qū)分，用以分別探測正交分量的脈沖太赫茲波，圖中紅點表示PTHD旋轉(zhuǎn)軸位置，并利用黑色曲線表示電極引線，引線連接至同軸電纜并輸出到鎖相放大器。實驗中需設置PTHD幾何中心、激光光斑中心和THz光斑中心重合，具體方法為通過旋轉(zhuǎn)PTHD角度為45°，調(diào)節(jié)所有天線陣元通態(tài)電阻相等且接收正交分量的THz信號強度相同。所用脈沖THz輻射天線為基于LT-GaAs的光電導天線，其間隙為150μm，圖中引線處標識分別代表對輻射天線施加外置偏置電壓的陽極和陰極，輻射THz電場沿y軸方向偏振，如上圖（b）及其局部放大所示。

在本文中，實驗測試了PTHD在不同角度下對太赫茲波正交分量的探測，結(jié)果表明了探測器用于脈沖THz波偏振探測的穩(wěn)定性和可靠性，響應矩陣的分析表明該探測器具有良好的對稱性，同時對輻射天線的研究也表明了PTHD用于脈沖THz波偏振探測的可靠性。此外，PTHD接收THz波的有效區(qū)域是可拓展為N×N陣列的，且無相鄰陣元間的反向電流干擾。實驗與理論分析都表明了PTHD在0.1THz-2.2THz光譜范圍內(nèi)用于THz電場偏振測量的可靠性以及良好的結(jié)構對稱性。

PTHD在不同角度下天線A（a）和天線B（b）的THz電場響應；（c）天線陣元A、B響應的THz電場振幅及THz信號幅值的擬合；（d）天線A響應時域信號的傅里葉變換

總之，文中設計了一種可應用于研究THz波與各項異性、手性特征等對偏振敏感材料相互作用的PTHD。相比于傳統(tǒng)的光電導THz波探測器，THz波全息探測器可通過一次測量，獲取任意THz電場振幅、相位、偏振態(tài)和偏振方向的全部信息。