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太赫兹探测
太赫兹遥感采用“全光”荧光操纵技术
材料来源:激光世界           录入时间:2010-11-25 11:27:05

作者:Gail Overton

尽管目前人们已经开发出了多种时域太赫兹波探测技术,但是太赫兹波对周围水分的较高吸收却阻碍了其在遥感领域的广泛应用,其中包括在国土安全、天文学以及环境监测等方面的大量应用。最近,美国伦斯勒理工学院以及加拿大拉瓦勒大学的研究人员开发出了一种新型全光技术,该技术使太赫兹波在遥感应用中遇到的问题最终得以解决。[1]

激光致荧光

该技术的核心思想是利用与太赫兹波相互作用的全向荧光发射。其信号探测方法足够灵敏,可以在10米远处时域分辨太赫兹脉冲,同时具备最弱的水蒸气吸收,且不受方向性限制。

用一个紫外波段镀膜的望远镜和一个光谱仪对远处的激光致等离子体氮荧光进行采集和测量。用强激光脉冲辐照氮原子会激发出一部分电子,随后电子被原子及分子的高能级里德堡态束缚。单周期太赫兹脉冲很容易导致束缚态的原子电离,从而产生太赫兹辐射增强荧光发射(THz-REEF)。

研究人员利用双色(基频光与二次谐波)激光脉冲非对称地电离气体,这样可以控制激光致等离子体内的电子漂移速度,从而能够对与太赫兹波相互作用的等离子体产生的荧光进行相干操纵。基频光脉冲与二次谐波脉冲之间的相对光学相位,可以实现精度达阿秒量级的调节,用以产生非对称电子漂移。在电子漂移速度方向与太赫兹偏振方向同偏振以及垂直偏振的条件下,分别对时间分辨的THz-REEF波形(随着连续改变的太赫兹脉冲以及光脉冲之间的延迟来测量荧光发射而获得)进行测量。两种波形之间的差别正比于时间依赖的太赫兹场(太赫兹时域波形)。同时,太赫兹脉冲的振幅及相位信息可以从荧光信号中提取出来。

远距光谱

采用THz-REEF技术,可以分别在0~7THz以及0~1.5THz的范围内获得水蒸气和爆炸物4A-DNT的高分辨率宽带光谱。获得的4A-DNT光谱结果与用电光取样方法获得的结果一致。这里,电光取样利用一块电光晶体(300µm厚、沿<110>方向切割的磷化镓晶体)通过普克尔效应测量时域太赫兹波形。由于不存在本征声子吸收和法珀标准具效应,因此该技术能够提供宽带高分辨率光谱。

 

图:利用太赫兹辐射增强荧光发射(THz-REEF)技术测量爆炸物4A-DNT的吸收光谱。

伦斯勒理工学院太赫兹研究中心的X.-C. Zhang教授指出:“利用高功率激光,将该太赫兹波遥感技术与以前展示的利用稳定可控相对相位的双色激光束致远距离太赫兹波产生技术相结合,能够实现远距太赫兹光谱学在化学生物制剂识别领域的应用。此外,通过揭示强场电离、等离子动力学以及太赫兹波致电子加热等详细的相互作用过程,该技术还有望为研究光与物质的强相互作用中电子的行为提供颇具潜力的新方法。”

Zhang还补充道:“在现实环境下实现太赫兹波遥感的最大挑战在于太赫兹波对水蒸气的强吸收。紫外荧光在大气波段的高度透明性,使得太赫兹遥感成为可能。现在,我们不需要再担心湿度问题就可以实现太赫兹遥感了。”

参考文献
1. J. Liu et al., 2010 CLEO Postdeadline paper CPDB8, San Jose, CA (May 2010).


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