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近场光学和THz辐射是近些年来光学研究的两个重要领域。本论文的研究目的是建立一种在THz辐射源的近场区实现高空间分辨率、高通量、超宽带探测的新方法。通过实验研究和理论分析,本文在不同的条件下,验证了这种技术的可行性,并分析了目前存在的问题。对于在实验条件下THz波形和光谱分布随一些参数的变化,以及其它的有关物理现象也进行了理论计算和分析。取得的结果主要包括:
(1)设计了一种新型THz辐射器件,用具有合适晶向和取向外延生长的GaAs薄层作为THz辐射源,并且把样品放在辐射源的近场区。这样,即使在远场测量的情况下,也可以实现超衍射极限空间分辨率的测量,其空间分辨率基本上由产生THz辐射的激发光斑尺寸决定。同时,该设计有效避免了常规小孔(或探针)近场测量方法高通滤波的缺点;并且光路简单,待测样品不受限制。实验结果表明,此设计已经可以达到30μm的空间分辨率,并可进行0.2~2.5THz的宽带光谱分析。
(2)针对远场探测中由于存在衍射效应使THz信号随着空间分辨率的提高而迅速减小的问题,本文进一步改进了上述远场测量的方法,把THz辐射源、样品和探测晶体都集中在一个近场区域。这样即可避免衍射效应的影响,又可获得超分辩的近场信息。文中详细讨论了此近场显微探测方法在超宽带频谱方面的分析能力、实验参数对信号通量的影响以及对低频近场隐失信号的探测能力。
(3)对近场实验中观察到的THz脉冲波形和频谱随辐射源尺寸而变化的现象进行研究。利用满足标量麦克斯韦方程的高斯光束的场分布,计算了当THz辐射源的尺寸改变时,宽带THz脉冲的波形和光谱分布沿着近场轴向的变化规律,与实验结果吻合很好。
(4)在短波长激光激发情况下,可以得到更小的激发光聚焦尺寸。因此,需要了解依赖于激发波长的THz辐射特征。通过实验和理论研究,定性讨论了在光整流和光电导机制下的THz脉冲波形和谱随激发光波长的关系。结果表明:在光整流机制下,THz辐射对激发波长的依赖性主要是由入射飞秒脉冲的脉宽决定;在光电导机制下,THz辐射特性和激发波长的关系主要是由光生载流子的动态过程决定的。
(5)同时,本文还研究了与THz近场探测相关的其它物理现象,比如飞秒激光激发下GaAs的表面光伏信号,闪锌矿晶体在飞秒激光激发下的克尔信号和THz信号,以及光束焦点处的Gouy相移对THz时域光谱测量的影响等。通过以上问题的研究,对透射式近场探测中遇到的大直流背景、反射式近场探测中遇到的光克尔信号等干扰因素,以及附加相位对数据处理的矫正等问题有了更深刻的认识。
总之,本论文提出了一种THz近场探测的新方法,通过对这一近场技术的实验研究和理论分析,进一步了解了该方法的基本特点和所存在的需要进一步克服的一些问题。取得了一些有意义、创新性的结果,可以用于指导实验和数据分析,为下一步的工作打下了良好的基础。