1、学生根据已有的太赫兹发射光谱光路图搭建太赫兹发射光谱系统；

2、测量ZnTe<110>晶体和InAs<100>晶体的太赫兹发射光谱；

3、对ZnTe<110>晶体和InAs<100>晶体的太赫兹发射光谱信号进行调控。

太赫兹（terahertz，THz）波位于电磁波谱的红外与微波波段之间，其工作频率为0.1 – 10 THz（1 THz=1012 Hz），波长范围为30 μm – 3 mm，其中1 THz对应于波数为33.3 cm-1，能量为4.1 meV。太赫兹波因有频率高、脉冲短、穿透性强、能量小等优点，在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐等多个重要领域具有独特的优越性和巨大的应用前景。2004年，美国将太赫兹技术列为“改变未来世界的十大技术”之一。2005年，日本将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。我国政府也分别在2005年和2014年专门召开“香山科技会议”研究我国太赫兹技术的发展蓝图。因此，尽快开展太赫兹技术的实验教学对培养和储备相关技术人才具有十分重要的意义。

在太赫兹技术中，太赫兹波的产生与探测是促进太赫兹科学技术发展的关键技术。然而在现有教学体系中，关于太赫兹技术的实验教学内容基本为空白。究其原因，主要是由于目前产生太赫兹波的主要方法是基于超快激光泵浦的光子学方法，而这一整套设备具有高危险、高成本和高消耗等特点，光路搭建复杂，实验环境要求较高，限制了其作为大面积实验教学项目的可能。

(1) 太赫兹发射光谱系统的基本原理

如图1（a）所示，钛蓝宝石激光器的放大级作为光源，出射的激光被分为泵浦光和探测光。其中透射的泵浦光具有大部分能量，在经过时间延迟线后用来泵浦样品产生太赫兹辐射。太赫兹信号被一面抛物面镜收集和准直，并被另一面抛物面镜聚焦到探测晶体ZnTe上。与此同时，被分束镜反射的弱功率光束作为探测光也聚焦在ZnTe上并与太赫兹光束在晶体上完全重合，通过移动时间延迟线调节太赫兹脉冲和探测脉冲的相对时间延迟，太赫兹信号最终转化为可被探测器和锁相放大器记录的信号。其基本探测原理是基于晶体的Pockels效应和电光采样技术。在样品后放置着一个由聚四氟乙烯和硅片组合的装置，它可以散射并挡住泵浦红外光进入探测系统，而太赫兹波则几乎不会被该装置吸收。根据泵浦光激发方式的不同，此实验系统具有反射型与透射型两种产生装置，可通过去除反射镜M1将反射型调整至透射型。样品被飞秒脉冲激光泵浦后，其表面或界面会产生电子、空穴等瞬时载流子或准粒子，其运动处于皮秒时间量级在频域上对应于太赫兹频率，从而在时域产生了太赫兹辐射信号。太赫兹发射光谱系统所得时域信号如图1（b）所示。对时域信号做傅立叶变换后，可以得到如图1（c）和（d）所示频域的振幅谱和相位谱。 

图1（a）太赫兹发射光谱系统实验装置示意图，实验中可通过移去翻转反射镜M1使反射型泵浦产生方式转换为透射型；（b）太赫兹辐射的时域信号；（c，d）太赫兹波辐射在频域的振幅与相位谱。

(2) 晶体产生太赫兹波的基本原理

ZnTe<110>电光晶体是已知最有效的太赫兹发射源之一，它产生太赫兹波的主要机理是光整流效应。该效应是一种二阶非线性过程，当泵浦光子能量低于样品带隙时，入射光子可通过差频过程产生一个低频电场，即太赫兹辐射。当入射激光的脉冲宽度在飞秒或亚皮秒尺度时，光整流过程所产生的电磁辐射频率Ω就处于太赫兹区域。

(3) 太赫兹波的电光探测原理

自由空间电光探测的基本机理是基于电光晶体的Pockels效应。由于静电场会在非线性光学介质中引起正比于外加电场振幅的双折射，因此通过测量场致双折射率就可以得出外加电场的强度，也即产生的太赫兹电场的强度。图2所示为自由空间电光采样测量场致双折射率的实验装置图，并给出了有无太赫兹脉冲时探测光偏振的演变。当线偏振的探测光与太赫兹波传输经过电光晶体后，场致双折射会使探测脉冲产生一个轻微的椭圆极化，并在经过λ/4波片后演变为接近圆偏振的状态。此时Wollaston棱镜可将探测光分为两个偏振相互垂直的分量，并同时进入平衡探测器内。平衡探测器可测量到探测光两个正交分量之间的光强差： ，这与产生的太赫兹波振幅成正比，从而实现了太赫兹信号的电光采样。 

图2 自由空间电光采样的实验装置与原理示意图

基于飞秒激光太赫兹发射光谱系统的虚拟仿真实验以“学生为中心，科教互补，培养一流创新人才”为教学理念，坚持“虚实结合、优势互补”的原则，在填补现有实验教学体系太赫兹教学内容空白的同时，培养学生熟悉并掌握太赫兹光路系统的搭建、太赫兹波的产生与探测、太赫兹信号的采集与优化等具体内容，进一步加深理解光学、光电子技术、超快激光技术、信息光学等多个学科的相关内容。通过本实验的学习，学生应该具体掌握以下知识并达到相关能力和水平：

（1） 理解太赫兹发射光谱系统的基本工作原理；

（2） 掌握太赫兹发射光谱系统的基本搭建方法；

（3） 学会测量ZnTe<110>晶体和InAs<100>晶体的太赫兹发射光谱。

电脑系统根据学生在虚拟系统中的具体实验操作步骤及所测量得到的结果进行打分。