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專利名稱：太赫茲時空分辨成像系統、成像方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學領域，尤其涉及一種太赫茲時空分辨成像系統、成像方法及其應用。
背景技術：
隨著半導體制造工藝和材料的發展，電子芯片的運算速度更高、面積更小、成本更低。由于半導體在外部激勵下的相變過程是由其載流子的輸運特性所決定的，因此對載流子輸運現象的研究是半導體器件研發的基礎。太赫茲(Terahertz,簡稱THz)脈沖技術作為一門獨特的遠紅外測量手段，在目前的科學研究和工業檢測中已經展現了其重要的應用潛力。尤其在對半導體載流子特性的研究中，由于太赫茲脈沖具有光子能量低、脈寬窄等特性，既不會對載流子的濃度和輸運造成很大影響又可以實現瞬態測量，因此太赫茲時間分辨光譜技術已經成為了半導體器件研發中一項不可或缺的研究方法。圖1是現有技術中研究半導體上載流子特性采用的太赫茲時間分辨光譜技術的光學示意圖，如圖1所示，利用SOOnm近紅外光I泵浦半導體樣品101，激發其光致特性，再由太赫茲脈沖II與半導體樣品101相互作用，攜帶樣品瞬態信息，最后由太赫茲光II與探測光III經過探測晶體102，通過電光采樣法測量太赫茲脈沖，觀察半導體的瞬態變化。太赫茲測量技術是相干測量，可以同時獲得光譜的振幅和相位信息，進而實現對半導體瞬態光學常數的精確分析。由于產生的載流子在半導體上存在濃度梯度，會形成橫向和縱向的擴散。一方面，在擴散過程中，載流子會相互碰撞直接復合，或者與半導體中含有的雜質發生相互作用形成間接復合。另一方面，如果存在外加電場或內建電場，載流子會出現漂移運動，并且會與半導體電離雜質和晶格振動產生散射。這些過程都會導致半導體的整體光學性質呈現不均勻性。然而，盡管傳統的太赫茲時間分辨光譜技術具有諸多優勢，但由于它測量方式的限制，需要將太赫茲光斑聚焦于樣品上一點進行探測，所以它只反映了載流子的時域變化特性，并不能呈現出載流子由于擴散現象和漂移現象引起的空間分布特性。

發明內容
本發明的目的是克服利用傳統太赫茲時間分辨光譜技術研究半導體的光致載流子演變過程的局限性，以實現對其空間分布特性的研究。為實現上述目的，本發明提供了一種太赫茲時空分辨成像系統。包括:樣品放置架，用于放置測試樣品；探測晶體，位于所述樣品放置架的出射面一側；泵浦光生成裝置，用于生成泵浦光，所述泵浦光用于照射所述測試樣品使所述測試樣品產生光致結果；太赫茲光生成裝置，用于生成太赫茲光，所述太赫茲光用于照射所述測試樣品，獲取所述測試樣品的信息后照射所述探測晶體，并通過電光效應調制所述探測晶體的折射率橢球；
探測光生成裝置，用于生成探測光，所述探測光用于照射所述探測晶體以探測所述探測晶體的折射率橢球，間接獲取所述測試樣品的信息；和成像設備，位于所述探測光經過所述探測晶體之后的光路中，用于接收所述探測光，采集所述測試樣品的太赫茲圖像。優選地,所述成像設備為電荷稱合元件((XD攝像頭)。優選地,所述測試樣品為Si半導體或GaAs半導體。優選地，所述探測晶體緊貼所述樣品放置架。優選地，所述探測晶體為具有電光效應的電光晶體。優選地，所述電光晶體為ZnTe晶體或GaP晶體。優選地，所述太赫茲光生成裝置包括太赫茲產生光生成裝置和太赫茲產生晶體；所述太赫茲產生光生成裝置用于產生太赫茲產生光；所述太赫茲產生光用于照射所述太赫茲產生晶體以產生所述太赫茲光。優選地,所述太赫茲產生晶體為ZnTe晶體、LiNbO3晶體或GaAs晶體。優選地，所述泵浦光生成裝置、所述探測光生成裝置與所述太赫茲產生光生成裝置為同一個飛秒脈沖激光器。優選地，所述飛秒脈沖激光器生成的激光束為中心波長為800nm，脈沖持續時間為50fs，重復頻率為IkHz的水平線偏振光。優選地,所述太赫茲時空分辨成像系統還包括:偏振分束棱鏡，位于所述水平線偏振光的光路中，用于將所述水平線偏振光分成兩束偏振方向互相垂直的線偏振光即水平線偏振光和豎直線偏振的泵浦光；λ /2波片，位于所述偏振分束棱鏡的入射面一側，用于調節所述水平線偏振光和泵浦光的相對光強；偏振分束棱鏡，位于所述水平線偏振光的光路中，用于將所述水平線偏振光分成兩束偏振方向互相垂直的線偏振光即水平線偏振的太赫茲產生光和豎直線偏振的探測光；和λ /2波片，位于所述偏振分束棱鏡的入射面一側，用于調節所述太赫茲產生光和探測光的相對光強。優選地，所述時空分辨成像系統還包括機械斬波器，與所述成像設備電連接，用以控制所述成像設備對所述測試樣品的太赫茲圖像進行同步采集。所述機械斬波器位于所述泵浦光照射所述測試樣品之前的光路中以調制泵浦光輸出的重復頻率，或位于所述太赫茲產生光照射所述太赫茲產生晶體之前的光路中以調制所述太赫茲產生光輸出的重復頻率。優選地，所述時空分辨成像系統還包括第一凹透鏡和拋面鏡，所述第一凹透鏡和拋面鏡用于對所述太赫茲光進行擴束；所述第一凹透鏡位于所述太赫茲產生晶體的入射面一側；所述拋面鏡位于所述太赫茲產生晶體的出射面一側。優選地，所述時空分辨成像系統還包括:λ /2波片，位于所述探測光照射所述探測晶體之前的光路中，用于控制所述探測光的偏振方向；和偏振片，位于所述λ/2波片的出射面一側，用于對所述探測光的偏振態進行保偏。
優選地，所述時空分辨成像系統還包括第二凹透鏡和第三凸透鏡，所述第二凹透鏡和第三凸透鏡用于對所述探測光進行擴束；所述第三凸透鏡位于所述探測光照射所述探測晶體之前的光路中；所述第二凹透鏡位于所述第三凸透鏡入射面一側的焦點處。優選地，所述時空分辨成像系統還包括納米銦錫金屬氧化物(ITO)導電玻璃，位于所述樣品放置架入射面一側，用于將所述泵浦光和所述太赫茲光進行重合后照射到所述測試樣品上。優選地，所述時空分辨成像系統還包括半反半透鏡，位于所述探測光與探測晶體軸線的交匯處，用于對所述探測光以相等的比例進行反射和透射。優選地，所述時空分辨成像系統還包括:偏振分束棱鏡，位于所述探測光透過所述半反半透鏡之后的光路中，用于將透過所述半反半透鏡的所述探測光分成兩個偏振方向互相垂直的線偏振光；λ /4波片，位于所述偏振分束棱鏡的入射面一側，用于調整所述分成的兩束線偏振光的光強；第四凸透鏡，位于所述偏振分束棱鏡的入射面一側，用于對透過所述半反半透鏡的所述探測光進行會聚；和第五凸透鏡，位于所述偏振分束棱鏡的出射面一側，用于對所述分成的兩束線偏振光進行準直。優選地，所述時空分辨成像系統還包括第一電動平移臺，位于所述泵浦光的光路中，用于連續改變所述泵浦光與所述太赫茲光的光程差。優選地，所述時空分辨成像系統還包括第二電動平移臺，位于所述太赫茲光或所述探測光的光路中，用于連續改變所述太赫茲光與所述探測光的光程差。本發明還提供了一種太赫茲時空分辨成像方法。包括:將測試樣品放置于樣品放置架上；泵浦光照射所述測試樣品，使所述測試樣品產生光致結果；太赫茲光照射所述測試樣品，所述測試樣品對所述太赫茲光的電場產生調制；太赫茲光照射探測晶體，調制所述探測晶體的折射率橢球；探測光照射所述探測晶體，探測所述探測晶體的折射率橢球，間接獲取所述測試樣品的信息；調整所述探測光的偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收所述探測光，測量所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex改變所述探測光的偏振態為第二偏振態，利用所述成像設備測量所述太赫茲電場的另一個偏振分量Ey ；根據所述測得的太赫茲電場的兩個偏振分量Ex和Ey計算相對強度Ε，得到所述測試樣品的太赫茲圖像。優選地，所述泵浦光照射所述測試樣品，使所述測試樣品產生光致結果的步驟中，所述測試樣品為Si半導體或GaAs半導體；所述泵浦光為中心波長為SOOnm的近紅外飛秒脈沖。優選地，所述樣品放置架緊貼所述探測晶體入射面放置。優選地，所述泵浦光照射所述測試樣品，使所述測試樣品產生光致結果的步驟后，在所述半導體樣品上產生光致載流子分布。優選地，所述太赫茲光照射所述測試樣品，所述測試樣品對所述太赫茲光的電場產生調制的步驟具體為，所述半導體樣品上產生的載流子分布使所述半導體樣品電導率增強，造成所述半導體樣品對所述太赫茲光的吸收增強，進而導致所述半導體樣品對所述太赫茲光的透射率下降。優選地，所述太赫茲光照射探測晶體，調制所述探測晶體的折射率橢球的步驟之后，所述測試樣品對所述太赫茲光的調制反映在所述探測晶體上。優選地，所述探測光照射所述探測晶體，探測所述探測晶體的折射率橢球，間接獲取所述測試樣品信息的步驟具體為，所述探測光沿與所述太赫茲光反向共線的方向入射到所述探測晶體上；所述探測光的偏振態由于所述探測晶體折射率橢球的改變隨之發生改變；所述探測光經所述探測晶體表面垂直反射，間接獲取所述太赫茲光的信息，即獲取了所述測試樣品的信息。優選地，所述成像設備為CXD攝像頭。優選地，所述調整所述探測光的偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收所述探測光，測量所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex的步驟具體為，利用λ/2波片調整所述探測光的偏振態，使其位于所述第一偏振態，并利用偏振片進行保偏；利用偏振分束棱鏡將所述探測光分成兩個偏振方向互相垂直的線偏振的探測光；利用λ/4波片調整所述探測光的偏振態，使所述分開后的兩束線偏振的探測光的光強相等；利用成像設備接收所述光強相等的兩束線偏振的探測光，并采用太赫茲差分成像技術進行差分測量，得到所述太赫茲光的電場的偏振分量Ex。優選地，所述采用太赫茲差分成像技術進行差分測量的步驟具體為，所述成像設備分別測得所述兩束線偏振的探測光電場相同方向的分量，將采集到的所述兩個分量相減，間接得到所述太赫茲電場的一個偏振分量Εχ。優選地，所述調整所述探測光的偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收所述探測光，測量所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex的步驟和改變所述探測光的偏振態為第二偏振態，利用所述成像設備測量所述太赫茲電場的另一個偏振分量Ey的步驟可調換順序。優選地，所述調整所述探測光的偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收所述探測光，測量所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex的步驟中，所述第一偏振態與所述太赫茲光偏振方向平行(即O度偏振)或垂直(即90度偏振)；優選地，所述改變所述探測光的偏振態為第二偏振態，利用所述成像設備測量所述太赫茲電場的另一個偏振分量Ey的步驟中,所述第二偏振態與所述第一偏振態的偏振方向成45度或-45度夾角。優選地，所述根據所述測得的太赫茲電場的兩個偏振分量Ex和Ey計算相對強度Ε，得到所述測試樣品的太赫茲圖像的步驟中，所述相對強度E根據公式E= (IEx 1-1 Ey I) /(I Ex I +1 Ey I)計算得到ο本發明還提供了一種太赫茲時空分辨成像系統的應用，所述時空分辨成像系統被用于研究半導體光致載流子的運動規律，研究的步驟包括:選擇測試樣品，利用所述時空分辨成像系統進行成像測量，記錄原始實驗數據；利用數字全息重建算法對所述原始實驗數據進行圖像的重建并優化，獲得重建圖像數據；從所述優化的重建圖像數據中提取所述測試樣品的電導率分布，分析所述測試樣品光致載流子的運動規律。優選地，所述測試樣品為GaAs半導體。優選地，所述利用所述時空分辨成像系統進行成像測量的步驟具體為，對一種摻雜濃度的半導體施加不同功率的泵浦光作用，分別進行成像測量；或對不同摻雜濃度的半導體施加同一功率的泵浦光作用，分別進行成像測量；或對一種摻雜濃度的半導體施加不同外加偏置電場，分別進行成像測量；或對不同摻雜濃度的半導體施加同一外加偏置電場，分別進行成像測量。優選地，所述利用數字全息重建算法對所述原始實驗數據進行圖像的重建和優化的步驟具體為，利用逆衍射數字圖像重建算法對所述原始圖像數據進行圖像的重建和優化。優選地，所述逆衍射數字圖像重建算法為逆菲涅爾衍射算法。優選地，所述分析所述測試樣品上光致載流子的運動規律的步驟包括:利用連續性方程，研究所述半導體光致載流子擴散運動的規律，具體地根據所述對一種摻雜濃度的半導體施加不同功率的泵浦光作用，分別進行成像測量和對不同摻雜濃度的半導體施加同一功率的泵浦光作用，分別進行成像測量的步驟得到的半導體的電導率分布，分析光致載流子在擴散過程中的復合效應即光致載流子的濃度梯度、光致載流子之間的碰撞對光致載流子擴散運動的影響，評估半導體光致載流子的壽命，并分析由光致載流子之間的直接碰撞引起的復合和受到晶格缺陷的作用引起的復合所占的比重；利用連續性方程，研究所述半導體光致載流子漂移運動的規律，具體地根據所述對一種摻雜濃度的半導體施加不同外加偏置電場，分別進行成像測量和對不同摻雜濃度的半導體施加同一外加偏置電場，分別進行成像測量的步驟得到的半導體的電導率分布，分析外加電場強度、光致載流子、雜質和聲子之間的散射對光致載流子漂移運動的影響；利用連續性方程，將所述半導體光致載流子的擴散運動與漂移運動統一考慮，分析半導體光致載流子的時空分布特性及半導體的相變過程。本發明實施例的太赫茲時空分辨成像系統及方法將太赫茲焦平面成像技術引入太赫茲時間分辨光譜測量系統中，即將太赫茲時間分辨光譜技術與數字全息技術有機結合，實現對測試樣品光致特性的時空分辨成像測量。通過改變太赫茲光與泵浦光之間的時間延遲并提取太赫茲光譜常數，反映出測試樣品光致特性的時域變化；采用太赫茲光斑照射測試樣品的不同位置，可對測試樣品光致特性的空間分布規律進行觀測；通過電光采樣法將太赫茲二維信息加載到探測光的偏振態上，并利用成像設備通過差分探測的方法進行提取。這種成像系統可以有效地縮短實驗時間，并且可以更真實地反映太赫茲電場的二維分布，最終獲取測試樣品的四維光譜信息，實現對測試樣品時空演變過程的全面準確觀測，高精度地呈現測試樣品在超快激光激發下相變的全貌。


圖1為現有技術中研究半導體上載流子特性采用的太赫茲時間分辨光譜技術的光學示意圖2為本發明實施例的太赫茲時空分辨成像系統示意圖。圖3為本發明實施例的太赫茲時空分辨成像方法的流程圖。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。本發明實施例的成像系統通過將太赫茲焦平面成像技術引入太赫茲時間分辨光譜測量系統中，實現對測試樣品光致特性(如半導體光致載流子分布)的時空分辨成像測量；并且將該系統應用于研究半導體在光激勵下相變的時空特性，利用光學數字全息技術對原始實驗數據進行圖像重建和優化，實現對半導體光致載流子時空演變過程的全面準確的觀測。圖2為本發明實施例的太赫茲時空分辨成像系統示意圖。如圖所示，該成像系統包括:樣品放置架201、探測晶體202、成像設備203、泵浦光生成裝置218、太赫茲光生成裝置、探測光生成裝置219。其中，樣品放置架201用于放置測試樣品，測試樣品可以是Si半導體，GaAs半導體等。探測晶體202是具有電光效應的電光晶體，可采用ZnTe晶體、GaP晶體等。探測晶體位于樣品放置架的出射面一側，優選地，本發明實施例中探測晶體緊貼樣品放置架放置，以提高成像分辨率。泵浦光生成裝置218用于生成泵浦光I，泵浦光I用于照射測試樣品，激發其光致特性。泵浦光可采用近紅外飛秒脈沖或者脈寬在亞皮秒量級的太赫茲光脈沖等。本發明實施例中，如測試樣品為半導體時，采用近紅外飛秒脈沖作為泵浦光照射測試樣品時，可產生光致載流子分布，該飛秒脈沖的單光子能量應大于測試樣品的帶隙能量，以確保光致載流子的激發。太赫茲光生成裝置用于生成太赫茲光II，太赫茲光Π用于首先照射測試樣品，獲取測試樣品信息后照射探測晶體，并通過電光效應調制探測晶體的折射率橢球。此處測試樣品的信息是指比如半導體樣品的光致載流子或者電導率的分布狀態等。太赫茲光的頻率范圍為0.2-2.5THz，可由ZnTe晶體、LiNbO3晶體或GaAs晶體等通過非線性光整流過程產生，也可以由光導天線產生。泵浦光I的光斑尺寸小于太赫茲光的光斑尺寸，以確保對光致載流子運動的觀察擁有足夠的視場。探測光生成裝置219用于生成探測光III，探測光III用于照射探測晶體以探測太赫茲光，間接獲取所述測試樣品的信息，可采用近紅外光脈沖。成像設備203位于探測光(III)經過探測晶體(202)之后的光路中，可采用CCD攝像頭(電荷耦合元件)，用于接收所述探測光，采集所述測試樣品的太赫茲圖像，即太赫茲光透過測試樣品后的電場分布圖像。將采集的兩個圖像進行相減，并把光學影像轉化為數字信號。泵浦光斑小于太赫茲光斑，以確保對測試樣品光致特性的觀察擁有足夠的視場。太赫茲光生成裝置包括太赫茲產生光生成裝置220和太赫茲產生晶體204，太赫茲產生光生成裝置用于生成太赫茲產生光IV，太赫茲產生光IV用于照射太赫茲產生晶體204以產生太赫茲光。太赫茲產生光可采用近紅外光脈沖，太赫茲產生晶體可采用ZnTe晶體、LiNbO3晶體或GaAs晶體等。該成像系統還包括機械斬波器205，與成像設備電連接，用以控制成像設備對圖像進行同步采集。機械斬波器可位于太赫茲產生光照射太赫茲產生晶體之前的光路中以調制太赫茲產生光輸出的重復頻率，也可位于泵浦光照射測試樣品之前的光路中以調制泵浦光輸出的重復頻率。
該成像系統還包括第一凹透鏡LI和拋面鏡PMl,用于對太赫茲光進行擴束。第一凹透鏡LI位于太赫茲產生晶體的入射面一側；拋面鏡PMl位于太赫茲產生晶體的出射面一側。該成像系統還包括λ /2波片206和偏振片207，λ /2波片206位于探測光照射探測晶體之前的光路中，用于控制探測光的偏振方向，偏振片207位于λ /2波片206的出射面一側，用于對經過λ /2波片206之后的探測光進行保偏。該成像系統還包括第二凹透鏡L2和第三凸透鏡L3，用于對探測光進行擴束。第三凸透鏡L3位于探測光(III)照射探測晶體之前的光路中；第二凹透鏡L2位于第三凸透鏡L3入射面一側的焦點處。該成像系統還包括ITO(納米銦錫金屬氧化物)導電玻璃208，位于樣品放置架的入射面一側，該ITO導電玻璃208可以反射太赫茲光、透射近紅外光，如此將沿如圖2中所示方向傳播的泵浦光和太赫茲光進行重合后照射到測試樣品上。該成像系統還包括半反半透鏡209，位于所述探測光與探測晶體軸線的交匯處，用于對探測光以相等的比例進行反射和透射，如本發明實施例中，50%的探測光由半反半透鏡反射至探測晶體上，使其獲取太赫茲光信息后再經探測晶體的表面反射后，50%的反射探測光又透過半反半透鏡到達該系統的成像部分。該成像系統還包括λ /4波片210、偏振分束棱鏡211、第四凸透鏡L4和第五凸透鏡L5。其中，偏振分束棱鏡位于探測光透過半反半透鏡之后的光路中，用于將透過半反半透鏡的探測光分成兩個偏振方向互相垂直的線偏振光束，利用太赫茲差分成像技術，在成像設備上實現差分測量，可以大大優化系統信噪比；λ /4波片位于偏振分束棱鏡的入射面一偵牝用于調整分成的兩束線偏振光的光強，以使兩束光的光強相等；第四凸透鏡L4位于偏振分束棱鏡的入射面一側，用于將探測光會聚入射到偏振分束棱鏡上；第五凸透鏡L5位于偏振分束棱鏡的出射面一側，用于將分成的兩束線偏振的探測光分別進行準直后照射到成像設備上進行成像測量。該成像系統還包括第一電動平移臺212，位于泵浦光的光路中，用于連續改變泵浦光與太赫茲光之間的光程差。該第一電動平移臺包括平面反射鏡Ml和M2，用以改變泵浦光的傳播方向。該成像系統還包括第二電動平移臺213，位于太赫茲光的光路中或者探測光的光路中，用于連續改變太赫茲光與探測光之間的光程差。該第二電動平移臺包括平面反射鏡Μ5和Μ6，用以改變太赫茲光或探測光的傳播方向。優選地，本發明實施例的成像系統中，泵浦光生成裝置、探測光生成裝置與太赫茲產生光生成裝置為同一個飛秒脈沖激光器，即泵浦光1、探測光III和太赫茲產生光IV產生于同源的飛秒脈沖激光器。如圖2所示，該成像系統還包括λ/2波片214-215和偏振分束棱鏡216-217。偏振分束棱鏡216用于將激光器出射的水平偏振的飛秒脈沖光V分成兩束偏振方向互相垂直的線偏振光即水平線偏振光VI和豎直線偏振光I，將豎直線偏振光I作為泵浦光。λ /2波片214位于偏振分束棱鏡216的入射面一側，用于調節水平線偏振光VI和豎直線偏振光I的相對光強。偏振分束棱鏡217位于水平線偏振光VI的光路中,用于再次將水平線偏振光VI分成兩束偏振方向互相垂直的線偏振光即水平線偏振光IV和豎直線偏振光III,將水平線偏振光作為太赫茲產生光,豎直線偏振光III作為探測光。λ /2波片215位于偏振分束棱鏡217的入射面一側,用于調節水平線偏振光IV和豎直線偏振光III的相對光強。本發明實施例的成像系統還包括反射鏡M3-4、M7-10,分布在該系統中適當位置，用于改變光束的傳播方向。本發明實施例的成像系統由Spectra-physics激光器提供同源的泵浦光、探測光和太赫茲產生光，該激光器發射的飛秒脈沖激光的中心波長為8 O O nm，脈沖持續時間為50fs，重復頻率為1kHz，單光子能量為1.55eV。該成像系統經調制，泵浦光，探測光和太赫茲產生光的平均功率范圍分別為50-100mW、8-10mW和650_700mW。太赫茲產生晶體采用ZnTe晶體，通過光整流效應產生的太赫茲光的電場強度范圍為5-lOkV/cm，頻率為
0.2-2.5THzo本發明實施例的成像系統的主要工作過程如下:飛秒脈沖激光由激光器出射后依次通過λ/2波片214、偏振分束棱鏡216、λ/2波片215和偏振分束棱鏡217，經過兩次分束后產生三路光束，分別為豎直偏振的泵浦光、豎直偏振的探測光和水平偏振的太赫茲產生光。泵浦光照射到測試樣品如半導體上，激發樣品的光致特性，如在半導體樣品上產生特定的光致載流子分布。水平偏振的太赫茲產生光入射到太赫茲產生晶體上，由非線性光整流過程產生水平偏振的太赫茲光；太赫茲光擴束后經ITO導電玻璃與泵浦光的傳播方向重合后入射到半導體樣品上，半導體樣品上的光致載流子分布對太赫茲電場的波前進行了調制。因此通過半導體樣品的太赫茲光中包含了半導體樣品上光致載流子的分布特性。太赫茲光繼續照射到探測晶體上，通過電光效應調制探測晶體的折射率橢球。同時探測光擴束后經半波片和偏振片調整其偏振態之后，經半反半透鏡反射至探測晶體上，又由探測晶體表面反射后傳播至系統的成像部分，出射的探測光的偏振態由于探測晶體折射率橢球的改變隨之發生改變，因此探測光間接獲取了太赫茲光的信息，即獲取了測試樣品上光致載流子的分布信息。在成像部分，探測光經第四凸透鏡會聚并由λ/4波片對其偏振態進行調整后入射到偏振分束棱鏡上，分成偏振方向互相垂直、光強相等的兩個線偏振光束，再經第五凸透鏡分別準直后入射到成像設備上，成像設備采用太赫茲差分成像技術進行差分測量，記錄實驗數據。利用本發明實施例的太赫茲時空分辨成像系統可以對測試樣品進行時空分辨成像，以研究其光致特性，圖3所示為本發明實施例的太赫茲時空分辨成像方法的流程圖。步驟301，放置測試樣品，將測試樣品放入樣品放置架上，該樣品放置架位于探測晶體入射面一側。測試樣品為Si半導體或GaAs半導體等，本發明實施例的樣品放置架緊貼探測晶體入射面放置，以確保透過測試樣品的太赫茲光的近場信息可以被獲取并且能保證較高的圖像分辨率。步驟302，泵浦光照射測試樣品，使其產生光致結果。泵浦光可采用近紅外光脈沖或者脈寬在亞皮秒量級的太赫茲光脈沖等，優選地，本發明實施例中泵浦光為中心波長為SOOnm的近紅外飛秒脈沖。當該飛秒脈沖照射半導體樣品時，半導體的價帶電子吸收光子能量，躍遷到導帶，形成瞬態的光致載流子，因此在半導體樣品上產生特定的光致載流子分布。該光致載流子分布導致半導體樣品的電導率增強，介電常數和磁導率也發生改變。
步驟303，太赫茲光共線照射測試樣品，實現測試樣品對太赫茲電場的調制。具體地，將太赫茲光進行擴束后利用ITO導電玻璃將其與泵浦光的傳播方向重合后入射到測試樣品如半導體樣品上；由于該半導體樣品的電導率增強，其對太赫茲脈沖的吸收也隨之增強，造成了半導體樣品對太赫茲光透射率的下降，即半導體樣品上的光致載流子分布對照射到半導體樣品上的太赫茲電場的波前進行了調制。因此通過半導體樣品的太赫茲光中包含了半導體樣品上光致載流子的分布特性。其中，太赫茲光可由近紅外光脈沖作為太赫茲產生光在ZnTe晶體、LiNbO3晶體或GaAs晶體中通過非線性光整流過程產生，也可以由光導天線產生。本發明實施例的方法利用第一凹透鏡LI和拋面鏡PMl實現對太赫茲光的擴束，使泵浦光斑小于太赫茲光斑，以確保對光致載流子運動的觀察擁有足夠的視場。步驟304，太赫茲光照射探測晶體，調制探測晶體的折射率橢球。太赫茲光通過電光效應調制探測晶體的折射率橢球，半導體上光致載流子分布對太赫茲光的調制便反映在探測晶體上。優選地，本發明實施例的探測晶體為ZnTe晶體。步驟305，探測光照射探測晶體，探測探測晶體的折射率橢球，間接獲取測試樣品的信息。具體地，探測光沿與太赫茲光反向共線的方向入射到探測晶體上，經探測晶體表面垂直反射回來，反射探測光的偏振態由于探測晶體折射率橢球的改變隨之發生改變，因此探測光間接獲取了太赫茲光的信息，即獲取了測試樣品信息如半導體樣品上的光致載流子分布信息。探測光可采用近紅外光脈沖。本發明實施例的方法中，在探測光照射到探測晶體之前，利用第二凹透鏡L2和第三凸透鏡L3對探測光進行擴束，經λ /2波片206和偏振片207對其偏振態進行調制并保偏后再利用半反半透鏡將一半探測光反射至探測晶體。步驟306，調整探測光偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收探測光，測量太赫茲電場的一個偏振分量民(或Ey)。具體地，利用λ/2波片206調整探測光的偏振態，使其位于第一偏振態，并由偏振片207對其保偏。由探測晶體表面反射回來的探測光再次經過半反半透鏡之后，透射的探測光傳播至系統的成像部分，經第四凸透鏡L4會聚后入射到偏振分束棱鏡211上,分成兩個偏振方向互相垂直的線偏振光束。在探測光到達偏振分束棱鏡之前，利用λ /4波片210對探測光的偏振態進行調整，使分開后的兩束線偏振光的光強相等。兩束線偏振的探測光再經第五凸透鏡L5分別準直后入射到成像設備(如CCD攝像頭)上。利用第一電動平移臺212連續改變泵浦光與太赫茲光的光程差，利用第二電動平移臺213連續改變太赫茲光與探測光的光程差，成像設備采用太赫茲差分成像技術對探測光進行差分測量，即測得被太赫茲光調制后的兩束線偏振探測光電場相同方向的分量，將采集到的兩個圖像相減，從而間接得到經測試樣品上光致載流子分布調制后的太赫茲電場的偏振分量Ex (或Ey)。步驟307，改變探測光的偏振態為第二偏振態，測量太赫茲電場的另一個偏振分量Ey (或 Ex)。優選地，本發明實施例中，探測光的第一偏振態與太赫茲光偏振方向平行(即O度偏振)或垂直(即90度偏振)，測量太赫茲電場的偏振分量Εχ。探測光的第二偏振態固定在與第一偏振態方向成45度或-45度夾角的偏振方向,測量太赫茲電場的偏振分量Ey。
步驟306和步驟307的先后順序可調換。其中，利用第二電動平移臺連續改變太赫茲光與探測光的光程差的實現方式分為兩種，一種是固定探測光的光程，由放置于太赫茲產生光路中的第二電動平移臺連續改變太赫茲光的光程，另一種方式是固定太赫茲光的光程，由放置于探測光路中的第二電動平移臺連續改變探測光的光程。優選地，本發明實施例中，采用固定探測光的光程，由放置于太赫茲產生光路中的第二電動平移臺連續改變兩束光的光程差。在太赫茲產生晶體的入射面一側放置機械斬波器來調制太赫茲產生光輸出的重復頻率，或者將機械斬波器放置于泵浦光路中調制泵浦光輸出的重復頻率，電控機械斬波器，以控制成像設備對圖像進行同步采集。步驟308，處理實驗數據，根據步驟306和步驟307測得的太赫茲電場的兩個偏振分量Ex和Ey計算相對強度E，得到測試樣品的太赫茲圖像。相對強度E的計算公式為E =
(|Ex|-|Ey|V(|Ex| + |Ey|)。優選地，本發明實施例的成像系統由Spectra-physics激光器提供同源的泵浦光、探測光和太赫茲產生光，該激光器發射的飛秒脈沖激光的中心波長為800nm，脈沖持續時間為50fs，重復頻率為1kHz，單光子能量為1.55eV。飛秒激光由激光器出射后依次通過λ /2波片214、偏振分束棱鏡216、λ/2波片215和偏振分束棱鏡217，經過兩次分束后產生三路光束，分別為豎直偏振的泵浦光、豎直偏振的探測光和水平偏振的太赫茲產生光。通過調節λ/2波片214和216，使泵浦光，探測光和太赫茲產生光的平均功率范圍分別為50-100mW、8-10mW和650-700mW。太赫茲光由太赫茲產生光在ZnTe晶體中通過光整流過程產生，產生的太赫茲光的電場強度范圍為5-lOkV/cm，頻率為0.2-2.5THz。如上所述，本發明實施例的太赫茲時空分辨成像系統及方法將太赫茲焦平面成像技術引入太赫茲時間分辨光譜測量系統中，即將太赫茲時間分辨光譜技術與數字全息技術有機結合，實現對測試樣品光致特性的時空分辨成像測量。通過改變太赫茲光與泵浦光之間的時間延遲并提取太赫茲光譜常數，反映出測試樣品光致特性的時域變化；采用太赫茲光斑照射測試樣品的不同位置，可對測試樣品光致特性的空間分布規律進行觀測；通過電光采樣法將太赫茲二維信息加載到探測光的偏振態上，并利用成像設備通過差分探測的方法進行提取。這種成像系統可以有效地縮短實驗時間，并且可以更真實地反映太赫茲電場的二維分布，最終獲取測試樣品的四維光譜信息，實現對測試樣品時空演變過程的全面準確觀測，高精度地呈現測試樣品在超快激光激發下相變的全貌。本發明實施例的時空分辨成像系統可以應用于研究半導體光致載流子的時空運動過程，如擴散運動、漂移運動。通過選擇合適的半導體樣品利用上述時空分辨成像系統進行成像測量，獲取實驗數據并進行圖像的重建和優化后，從中提取半導體樣品整體的電導率分布，很好地研究了半導體光致載流子擴散運動和漂移運動的規律。具體研究步驟如下:步驟401，選擇半導體樣品，利用時空分辨成像系統進行成像測量，記錄原始實驗數據。具體過程如:首先，采用不同功率的泵浦光激勵不同摻雜濃度的半導體樣品，分別進行成像測量。例如對一種摻雜濃度的Si半導體樣品施加不同功率的泵浦光作用，以及對不同摻雜濃度的半導體施加同一功率的泵浦光作用，通過測量不同情況下的光致載流子的擴散運動，根據下述步驟402所述的方法，從測量結果中提取半導體樣品整體的電導率分布，分析不同條件下半導體光致載流子的擴散運動規律，具體地分析光致載流子在擴散過程中的復合效應即光致載流子的濃度梯度、光致載流子之間的碰撞對光致載流子擴散運動的影響。另外可以評估在不同條件下半導體光致載流子的壽命以及直接復合和間接復合所占的比重。其次，采用不同強度的外加太赫茲電場施加到不同摻雜濃度的半導體樣品上，分別進行成像測量。具體地，在半導體上鍍兩個平行電極，施加偏置電壓；對一種摻雜濃度的半導體施加不同外加電場，以及對不同摻雜濃度的半導體施加同一外加電場進行測量。根據下述步驟402所述的方法，從測量結果中提取半導體樣品整體的電導率分布，觀測雜質和聲子對載流子散射所導致的影響，分析在提高外加電場強度的過程中，半導體電導率與外加偏置電場之間的非線性效應所反應的光致載流子空間分布情況的異同，關注當場強提高到較大值后，谷間散射對光致載流子的整體分布造成的影響。優選地，本發明實施例中，選用低摻雜濃度的化合物GaAs半導體，其具有較高的電阻率，對太赫茲脈沖具有較好的透射特性，并且具有較高的光致載流子遷移率和較長的光致載流子壽命，便于觀測光致載流子的擴散運動，還可以保證既觀察到明顯的光致載流子漂移現象，而且不會導致半導體的短路。步驟402、利用數字全息重建算法對原始實驗數據進行圖像的重建并優化，獲得重建圖像數據。 由于太赫茲光的波長較長，電磁波的衍射總會對圖像有所影響。為解決這一問題，本發明實施例將可見光波段的數字全息技術應用到太赫茲領域，通過選用適當的逆衍射數字圖像重建算法對測量結果進行優化，以消除衍射對圖像的影響，提高圖像的清晰度。為半導體光致特性的分析提供高質量的實驗數據。優選地，本發明實施例中，由于太赫茲電場通過半導體樣品后，在空氣和探測晶體中的傳播距離約有幾個波長，因此選取逆菲涅爾衍射算法，對所采集的圖像進行重建處理。根據逆菲涅爾衍射積分公式，
權利要求
1.種太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述系統包括: 樣品放置架(201)，用于放置測試樣品； 探測晶體(202)，位于所述樣品放置架(201)的出射面一側； 泵浦光生成裝置(218)，用于生成泵浦光(I)，所述泵浦光(I)用于照射所述測試樣品使所述測試樣品產生光致結果； 太赫茲光生成裝置，用于生成太赫茲光(II)，所述太赫茲光(II)用于照射所述測試樣品(201)，獲取所述測試樣品(201)的信息后照射所述探測晶體(202)，并通過電光效應調制所述探測晶體(202)的折射率橢球； 探測光生成裝置(219)，用于生成探測光(III)，所述探測光(III)用于照射所述探測晶體(202)以探測所述探測晶體(202)的折射率橢球，間接獲取所述測試樣品(201)的信息；和 成像設備(203)，位于所述探測光(III)經過所述探測晶體(202)之后的光路中，用于接收所述探測光(III)，采集所述測試樣品(201)的太赫茲圖像。
2.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述成像設備為電荷耦合元件((XD攝像頭)。
3.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述測試樣品(201)為Si半導體或GaAs半導體。
4.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述探測晶體(202)緊貼所述樣品放置架(201)。
5.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述探測晶體(202)為具有電光效應的電光晶體。
6.據權利要求5所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述電光晶體為ZnTe晶體或GaP晶體。
7.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述太赫茲光生成裝置包括太赫茲產生光生成裝置(220)和太赫茲產生晶體(204)； 所述太赫茲產生光生成裝置用于產生太赫茲產生光(IV)； 所述太赫茲產生光(IV)用于照射所述太赫茲產生晶體(204)以產生所述太赫茲光(II)。
8.據權利要求7所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述太赫茲產生晶體(204)為ZnTe晶體、LiNbO3晶體或GaAs晶體。
9.據權利要求7所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述泵浦光生成裝置(218)、所述探測光生成裝置(219)與所述太赫茲產生光生成裝置(220)為同一個飛秒脈沖激光器。
10.據權利要求9所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述飛秒脈沖激光器生成的激光束為中心波長為800nm，脈沖持續時間為50fs，重復頻率為IkHz的水平線偏振光(V)。
11.據權利要求10所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述太赫茲時空分辨成像系統還包括: 偏振分束棱鏡(216)，位于所述水平線偏振光(V)的光路中，用于將所述水平線偏振光(V)分成兩束偏振方向互相垂直的線偏振光即水平線偏振光(VI)和豎直線偏振的泵浦光(I); λ/2波片(214)，位于所述偏振分束棱鏡(216)的入射面一側，用于調節所述水平線偏振光(VI)和泵浦光(I)的相對光強； 偏振分束棱鏡(217)，位于所述水平線偏振光(VI)的光路中，用于將所述水平線偏振光(VI)分成兩束偏振方向互相垂直的線偏振光即水平線偏振的太赫茲產生光(IV)和豎直線偏振的探測光(III);和 λ/2波片(215)，位于所述偏振分束棱鏡(217)的入射面一側，用于調節所述太赫茲產生光(IV)和探測光(III)的相對光強。
12.據權利要求1或7所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述時空分辨成像系統還包括機械斬波器(205)，與所述成像設備(203)電連接，用以控制所述成像設備(203)對所述測試樣品(201)的太赫茲圖像進行同步采集。
13.據權利要求12所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述機械斬波器(205)位于所述泵浦光(I)照射所述測試樣品之前的光路中以調制泵浦光(I)輸出的重復頻率，或位于所述太赫茲產生光(IV)照射所述太赫茲產生晶體(204)之前的光路中以調制所述太赫茲產生光(IV)輸出的重復頻率。
14.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統,其特征在于,所述時空分辨成像系統還包括第一凹透鏡(LI)和拋面鏡(PMl)，所述第一凹透鏡(LI)和拋面鏡(PMl)用于對所述太赫茲光(II)進行擴 束； 所述第一凹透鏡(LI)位于所述太赫茲產生晶體(204)的入射面一側； 所述拋面鏡(PMl)位于所述太赫茲產生晶體(204)的出射面一側。
15.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述時空分辨成像系統還包括: λ/2波片(206)，位于所述探測光(III)照射所述探測晶體(202)之前的光路中，用于控制所述探測光(III)的偏振方向；和 偏振片(207)，位于所述λ/2波片(206)的出射面一側，用于對所述探測光(III)的偏振態進行保偏。
16.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述時空分辨成像系統還包括:第二凹透鏡(L2)和第三凸透鏡(L3)，所述第二凹透鏡(L2)和所述第三凸透鏡(L3)用于對所述探測光(III)進行擴束；所述第三凸透鏡(L3)位于所述探測光(III)照射所述探測晶體(202)之前的光路中； 所述第二凹透鏡(L2)位于所述第三凸透鏡(L3)入射面一側的焦點處。
17.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述時空分辨成像系統還包括納米銦錫金屬氧化物(ITO)導電玻璃(208)，位于所述樣品放置架(201)入射面一側，用于將所述泵浦光(I)和所述太赫茲光(II)進行重合后照射到所述測試樣品上。
18.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述時空分辨成像系統還包括半反半透鏡(209)，位于所述探測光(III)與探測晶體(202)軸線的交匯處，用于對所述探測光(III)以相等的比例進行反射和透射。
19.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述時空分辨成像系統還包括: 偏振分束棱鏡(211)，位于所述探測光(III)透過所述半反半透鏡(209)之后的光路中，用于將透過所述半反半透鏡(209)的所述探測光(III)分成兩個偏振方向互相垂直的線偏振光； λ/4波片(210)，位于所述偏振分束棱鏡(211)的入射面一側，用于調整所述分成的兩束線偏振光的光強； 第四凸透鏡(L4)，位于所述偏振分束棱鏡(211)的入射面一側，用于對透過所述半反半透鏡(209)的所述探測光(III)進行會聚；和 第五凸透鏡(L5)，位于所述偏振分束棱鏡(211)的出射面一側，用于對所述分成的兩束線偏振光進行準直。
20.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統,其特征在于,所述時空分辨成像系統還包括第一電動平移臺(212)，位于所述泵浦光(I)的光路中，用于連續改變所述泵浦光(I)與所述太赫茲光(II)的光程差。
21.據權利要求1所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述時空分辨成像系統還包括第二電動平移臺(213)，位于所述太赫茲光(II)或所述探測光(III)的光路中，用于連續改變所述太赫茲光(II)與所述探測光(III)的光程差。
22.種太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述方法包括: 將測試樣品放置于樣品放置架上； 泵浦光照射所述測試樣品，使所述測試樣品產生光致結果； 太赫茲光照射所述測試樣品，所述測試樣品對所述太赫茲光的電場產生調制； 太赫茲光照射探測晶體，調制所述探測晶體的折射率橢球； 探測光照射所述探測晶體，探測所述探測晶體的折射率橢球，間接獲取所述測試樣品的信息； 調整所述探測光的偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收所述探測光，測量所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex 改變所述探測光的偏振態為第二偏振態，利用所述成像設備測量所述太赫茲電場的另一個偏振分量Ey ； 根據所述測得的太赫茲電場的兩個偏振分量Ex和Ey計算相對強度Ε，得到所述測試樣品的太赫茲圖像。
23.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述泵浦光照射所述測試樣品，使所述測試樣品產生光致結果的步驟中，所述測試樣品為Si半導體或GaAs半導體；所述泵浦光為中心波長為SOOnm的近紅外飛秒脈沖。
24.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述樣品放置架緊貼所述探測晶體入射面放置。
25.據權利要求23所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述泵浦光照射所述測試樣品，使所述測試樣品產生光致結果的步驟后，在所述半導體樣品上產生光致載流子分布。
26.據權利要求23所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述太赫茲光照射所述測試樣品，所述測試樣品對所述太赫茲光的電場產生調制的步驟具體為，所述半導體樣品上產生的載流子分布使所述半導體樣品電導率增強，造成所述半導體樣品對所述太赫茲光的吸收增強，進而導致所述半導體樣品對所述太赫茲光的透射率下降。
27.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述太赫茲光照射探測晶體，調制所述探測晶體的折射率橢球的步驟之后，所述測試樣品對所述太赫茲光的調制反映在所述探測晶體上。
28.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述探測光照射所述探測晶體，探測所述探測晶體的折射率橢球，間接獲取所述測試樣品信息的步驟具體為， 所述探測光沿與所述太赫茲光反向共線的方向入射到所述探測晶體上； 所述探測光的偏振態由于所述探測晶體折射率橢球的改變隨之發生改變； 所述探測光經所述探測晶體表面垂直反射，間接獲取所述太赫茲光的信息，即獲取了所述測試樣品的信息。
29.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像系統，其特征在于，所述成像設備為CCD攝像頭。
30.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述調整所述探測光的偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收所述探測光，測量所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex的步驟具體為， 利用λ /2波片調整所述探測光的偏振態，使其位于所述第一偏振態，并利用偏振片進行保偏； 利用偏振分束棱鏡將所述探測光分成兩個偏振方向互相垂直的線偏振的探測光； 利用λ /4波片調整所述探測光的偏振態，使所述分開后的兩束線偏振的探測光的光強相等； 利用成像設備接收所述光強相等的兩束線偏振的探測光，并采用太赫茲差分成像技術進行差分測量，得到所述太赫茲光的電場的偏振分量Εχ。
31.據權利要求30所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述采用太赫茲差分成像技術進行差分測量的步驟具體為，所述成像設備分別測得所述兩束線偏振的探測光電場相同方向的分量，將采集到的所述兩個分量相減，間接得到所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex。
32.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述調整所述探測光的偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收所述探測光，測量所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex的步驟和改變所述探測光的偏振態為第二偏振態，利用所述成像設備測量所述太赫茲電場的另一個偏振分量Ey的步驟可調換順序。
33.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述調整所述探測光的偏振態為第一偏振態，利用成像設備接收所述探測光，測量所述太赫茲電場的一個偏振分量Ex的步驟中，所述第一偏振態與所述太赫茲光偏振方向平行(即O度偏振)或垂直(即90度偏振)； 所述改變所述探測光的偏振態為第二偏振態，利用所述成像設備測量所述太赫茲電場的另一個偏振分量Ey的步驟中，所述第二偏振態與所述第一偏振態的偏振方向成45度或-45度夾角。
34.據權利要求22所述的太赫茲時空分辨成像方法，其特征在于，所述根據所述測得的太赫茲電場的兩個偏振分量Ex和Ey計算相對強度E，得到所述測試樣品的太赫茲圖像的步驟中，所述相對強度E根據公式E= (|Ex|-|Ey|)/(|Ex| + |Ey|)計算得到。
35.種太赫茲時空分辨成像系統的應用，其特征在于，所述時空分辨成像系統被用于研究半導體光致載流子的運動規律，研究的步驟包括: 選擇測試樣品，利用所述時空分辨成像系統進行成像測量，記錄原始實驗數據； 利用數字全息重建算法對所述原始實驗數據進行圖像的重建并優化，獲得重建圖像數據； 從所述優化的重建圖像數據中提取所述測試樣品的電導率分布，分析所述測試樣品光致載流子的運動規律。
36.據權利要求35所述的太赫茲時空分辨成像系統的應用，其特征在于，所述測試樣品為GaAs半導體。
37.據權利要求35所述的太赫茲時空分辨成像系統的應用，其特征在于，所述利用所述時空分辨成像系統進行成像測量的步驟具體為， 對一種摻雜濃度的半導體施加不同功率的泵浦光作用，分別進行成像測量；或 對不同摻雜濃度的半導體施加同一功率的泵浦光作用，分別進行成像測量；或 對一種摻雜濃度的半導體施加不同外加 偏置電場，分別進行成像測量；或 對不同摻雜濃度的半導體施加同一外加偏置電場，分別進行成像測量。
38.據權利要求35所述的太赫茲時空分辨成像系統的應用，其特征在于，所述利用數字全息重建算法對所述原始實驗數據進行圖像的重建和優化的步驟具體為，利用逆衍射數字圖像重建算法對所述原始圖像數據進行圖像的重建和優化。
39.據權利要求38所述的太赫茲時空分辨成像系統的應用，其特征在于，所述逆衍射數字圖像重建算法為逆菲涅爾衍射算法。
40.據權利要求35所述的太赫茲時空分辨成像系統的應用，其特征在于，所述分析所述測試樣品上光致載流子的運動規律的步驟包括: 利用連續性方程，研究所述半導體光致載流子擴散運動的規律，具體地根據所述對一種摻雜濃度的半導體施加不同功率的泵浦光作用，分別進行成像測量和對不同摻雜濃度的半導體施加同一功率的泵浦光作用，分別進行成像測量的步驟得到的半導體的電導率分布，分析光致載流子在擴散過程中的復合效應即光致載流子的濃度梯度、光致載流子之間的碰撞對光致載流子擴散運動的影響，評估半導體光致載流子的壽命，并分析由光致載流子之間的直接碰撞引起的復合和受到晶格缺陷的作用引起的復合所占的比重； 利用連續性方程，研究所述半導體光致載流子漂移運動的規律，具體地根據所述對一種摻雜濃度的半導體施加不同外加偏置電場，分別進行成像測量和對不同摻雜濃度的半導體施加同一外加偏置電場，分別進行成像測量的步驟得到的半導體的電導率分布，分析外加電場強度、光致載流子、雜質和聲子之間的散射對光致載流子漂移運動的影響； 利用連續性方程，將所述半導體光致載流子的擴散運動與漂移運動統一考慮，分析半導體光致載流子的時空分布特性及半導體的相變過程。
全文摘要
本發明涉及一種太赫茲時空分辨成像系統。該系統包括樣品放置架；探測晶體，位于樣品放置架的出射面一側；泵浦光生成裝置，用于生成泵浦光以照射測試樣品；太赫茲光生成裝置，用于生成太赫茲光以照射測試樣品，獲取測試樣品的信息后照射探測晶體，并調制探測晶體的折射率橢球；探測光生成裝置，用于生成探測光以照射探測晶體，探測其折射率橢球，間接獲取測試樣品的信息；和成像設備，位于探測光經過探測晶體之后的光路中，用于采集測試樣品的太赫茲圖像。本發明將太赫茲焦平面成像技術引入太赫茲時間分辨光譜測量系統中，實現對測試樣品光致特性的時空分辨成像測量，獲取四維光譜信息，實現對測試樣品光致特性的時空演變過程的全面準確的觀測。
文檔編號G01N21/21GK103091255SQ20131001368
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者王新柯, 張巖 申請人:首都師范大學