1　引言

太赫兹（THz）波的频率范围通常被定义为0.1~10 THz，是介于微波与红外光波之间的一段尚未被完全开发利用的电磁波。在THz光谱表征技术中，THz时域光谱（THz-TDS）已在材料分析、生物医疗、安全检测、环境监控等多个领域得到广泛应用^［1-3］。THz-TDS系统具有超宽带和高动态范围，且可以同时获得检测样品的振幅和相位谱信息^［4-5］。

然而，目前THz-TDS系统所使用的辐射天线只能辐射单一方向的线偏振THz波^［6］。当需要改变发射天线辐射的脉冲THz波的偏振方向时，只能用可旋转的线栅偏振器。线栅偏振器难以实现连续调节且调节精度有限，会导致整个光谱系统的光路复杂，系统信噪比（SNR）降低^［7］。

在THz-TDS系统中，偏振可调的THz源在手性物质和其他偏振敏感物质的表征和检测中具有重要作用。要通过THz光谱来反映这些物质的构型、构象以及光学信息，就必须用不同偏振态的THz波与这些物质相互作用，并测出THz波的振幅、相位和偏振态，方可完整地了解物质的内在结构^［8-9］。

国内外学者都尝试研制过偏振可调的THz发射天线：2006年，Hirota等^［10］用四电极光电导天线和一块全反射硅棱镜产生了圆偏振THz波；2016年，Bulgarevich等^［11］又设计了8个电极的光电导天线，它能够产生旋转步长为45°的不连续的线偏振THz波；2020年，Hawecker等^［12］使用水平和竖直插指型光电导天线阵列（PCA），通过改变水平和竖直PCA上的偏置电压，实现了对THz波偏振方向的连续调节，然而，由于没有消除PCA各个阵元之间的反向电流，其合成度并未达到预期效果。

前期的研究工作已经实现了光电导发射天线阵列的高效合成^［13］，也实现了光电导探测天线阵列的高效合成以及可以同时检测脉冲THz波的振幅、相位及偏振态的探测天线阵列^［14-15］。本文在上述工作的基础上，设计并研制了可以产生任意偏振方向的脉冲THz波的发射天线阵列，并测试了其特性。最终实现了以全电控的方式产生偏振方向可调THz波的光电导THz辐射源。

2　实验系统及所用光电导天线介绍

如图1所示，THz-TDS系统所用激光器为波长800 nm、脉宽70 fs、重复频率80 MHz 的钛蓝宝石激光器（MaiTai XF-1，Spectra-physics，美国）。飞秒激光经过偏振分束棱镜（BS）被分为泵浦光和探测光。探测光经反射镜M6、透镜L2聚焦后穿过氧化铟锡玻璃（ITO）膜，垂直入射到探测晶体（ZnTe）上；光强较强的泵浦光通过时间延迟系统（delay line）辐射到PCA上产生THz波。THz波经过4个镀金离轴抛物面镜（OPM1、OPM2、OPM3、OPM4）准直后，由ITO反射，垂直入射在探测晶体上，并与探测光聚焦位置相同；再经过四分之一波片（QWP）和透镜L3被沃拉斯顿棱镜（Wallaston prism）分成偏振方向相互垂直的两束光。两束光通过一个光电探头（detector）连接到锁相放大器（lock-in amplifier），最后通过计算机（PC）进行数据采集。

图 1. THz-TDS系统示意图

Fig. 1. Schematic diagram of THz-TDS system

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光电导天线的基底材料是利用分子束外延系统在（100）方向半绝缘砷化镓（SI-GaAs）上生长的低温砷化镓（LT-GaAs）。通过电子束蒸发工艺将Ni/Au-Ge/Au沉淀在LT-GaAs上，并通过快速热退火（RTA）将其金属化。通过精确控制RTA的时间和温度，AuGeNi合金电极与LT-GaAs衬底可以形成欧姆接触^［16］。

可以产生任意偏振方向THz波的1×2 GaAs PCA由两个电极方向相互垂直的天线构成。图2（a）是电极方向垂直的天线，记为PCAV；图2（b）是电极方向平行的天线，记为PCAL；图2（c）是1×2 GaAs PCA的实物图；图2（d）是1×2 GaAs PCA的示意图。天线阵列的长度和宽度均为4000μm，电极间隙为50μm。图2（d）的引线标识分别代表对PCAL和PCAV施加偏置电压的正极和负极。

图 2. 1×2 GaAs PCA。（a）PCAV；（b）PCAL；（c）1×2 GaAs PCA实物图；（d）1×2 GaAs PCA示意图

Fig. 2. 1×2 GaAs PCA. (a) PCAV; (b) PCAL; (c) physical diagram of 1×2 GaAs PCA; (d) schematic diagram of 1×2 GaAs PCA

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当飞秒激光脉冲照射1×2 GaAs PCA时，天线阵列的两个阵元分别辐射竖直方向和水平方向偏振的THz脉冲，它们经离轴抛物面镜会聚后合成为一个THz脉冲。当改变加载在PCAL及PCAV的偏置电压时，经过合成可得到不同偏振方向的THz脉冲。当两个光电导天线两端所加偏置电压相同时，1×2 GaAs PCA所辐射THz波的偏振方向应是45°方向；当减小其中一个天线两端的偏置电压时，1×2 GaAs PCA所辐射THz波的偏振方向会向偏置电压大的天线的方向偏转。连续调节偏置电压，偏振方向也随之连续偏转，从而实现了可以产生任意偏振方向THz波的光电导THz辐射源。

3　实验结果分析与讨论

相互垂直的两个天线需要分别施加偏置电压，才能产生任意偏振方向的THz波。实验中令两个直流电源独立工作来对相互垂直的两个天线施加偏置电压。通过给其中一个光电导天线的支路中串联定值电阻或滑动变阻器来改变单个天线的偏置电压。偏置电压的改变会导Z致光电导天线辐射THz波的幅值发生改变，从而使1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振方向发生改变。光电导天线两端的偏置电压如表1所示。在改变天线偏置电压前，先调整天线的相应参数，如表1所示。两个光电导天线两端偏置电压相等时，两个天线所产生的THz波幅值相当，如图3所示。将该条件下两个光电导天线产生的THz波作为实验中的参考信号，此时1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振态为线偏振。

图 3. 实验用参考信号的幅值

Fig. 3. Amplitude of reference signals used in the experiment

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图4为光电导天线的电路连接示意图，它显示了在PCAL所在支路中串联定值电阻的情况。

图 4. 光电导天线电路示意图

Fig. 4. Schematic diagram of the photoconductive antenna circuit

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首先给PCAV所在支路串联定值电阻。如表1所示，在光电导天线接收到触发光照射后，PCAV的通态电阻为4.5 kΩ。在PCAV所在支路串联15 kΩ和100 kΩ的定值电阻之后，其辐射THz波的峰值如图5（a）所示。依照串联分压原则，在串联定值电阻之后，PCAV两端的实际电压值如表2所示。

图 5. PCAV串联定值电阻后的相关数据。（a）参考信号与串联定值电阻后信号的幅值对比；（b）参考信号的偏振方向；（c）串联15 kΩ电阻后信号的偏振方向；（d）串联100 kΩ电阻后信号的偏振方向

Fig. 5. Correlation data of PCAV after series fixed resistor. (a) Comparison of the amplitude between the reference signal and the signal series fixed resistor; (b) polarization direction of the reference signal; (c) polarization direction of the signal series resistor of 15 kΩ; (d) polarization direction of the signal series resistor of 100 kΩ

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由偏置电场对光电导天线辐射THz波幅值的影响可知，在PCAV所在支路串联定值电阻后，PCAV两端的电压迅速下降，使光电导天线辐射THz波的幅值发生变化，进而导致1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振方向也发生变化，如图5（a）、（b）所示。图5（b）是PCAL、PCAV辐射THz波的波形图与合成THz波在时间谱中的波形图及合成波形图在Z方向上的投影。光电导天线处于参考信号状态时，两个光电导天线辐射THz波的幅值相近，故合成后的THz波峰值方向在空间中呈45°。而在PCAV串联15 kΩ定值电阻之后，1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振方向的变化如图5（c）所示。相较于参考信号时1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振方向，串联15 kΩ定值电阻后，其辐射THz波的偏振方向逐渐向90°方向靠拢。这种靠拢趋势在PCAV串联100 kΩ定值电阻之后更加明显，如图5（d）所示，1×2 GaAs PCA辐射THz波的峰值方向几乎朝着90°的方向。

串联定值电阻的方式可以改变1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振方向，但在实验中不便拆卸更换电阻，故在使用单个电源的情况下尝试使用滑动变阻器代替定值电阻。实验中所使用的滑动变阻器的阻值范围为0~100 kΩ，在PCAV所在支路中加入滑动变阻器以取代定值电阻的位置。

通过调节滑动变阻器，使其接入光电导天线支路中的电阻逐渐增大，由图6（a）可知，在电阻增大的过程中，PCAV辐射THz波的幅值有所减小。由于该滑动变阻器的阻值范围较小，对整个PCA偏振方向的调控存在一定的局限性，故偏振方向的变化较小。但从图6（b）与图6（c）中仍可观察到1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振方向也随滑动变阻器阻值的变化发生了细微偏转。

图 6. PCAV所在支路串联滑动变阻器后的实验数据。（a）滑动变阻器不同阻值时的信号幅值；（b）滑动变阻器阻值为中间值时1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振方向；（c）滑动变阻器阻值为最大值时1×2 GaAs PCA辐射THz波的偏振方向

Fig. 6. Experimental data of PCAV series sliding rheostat. (a) Amplitude of the signals when the sliding rheostat with different resistance value; (b) polarization direction of THz wave radiated by 1×2 GaAs PCA when the resistance of the sliding rheostat in series is the intermediate value; (c) polarization direction of THz wave radiated by 1×2 GaAs PCA when the resistance of the sliding rheostat in series is the maximum value

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4　结论

本文设计研制了可以产生任意偏振方向THz波的发射天线阵列，并测试了其特性。通过令单个电源独立工作的方式调控各阵元的偏置电压来改变两个阵元辐射THz波的强度，使1×2 GaAs PCA产生不同偏振方向的THz波，实现了以全电控的方式产生任意偏振方向THz波的光电导THz辐射源。结果表明：在参考信号下，即两个光电导天线两端偏置电压相等时，1×2 GaAs PCA所辐射THz波的偏振方向为45°，此时的偏振态为线偏振；通过减小其中一个光电导天线两端的偏置电压，1×2 GaAs PCA所辐射THz波的偏振方向会向所加偏置电压大的天线方向偏转；连续调节电压，偏振方向也随之连续偏转，从而实现可产生任意偏振方向THz波的光电导THz辐射源。