طیف سنجی تراهرتز

**طیف‌سنجی تراهرتز** (به انگلیسی: *Terahertz spectroscopy*) به روش‌ها و تکنیک‌های طیف‌سنجی گفته می‌شود که مواد را با استفاده از تابش الکترومغناطیسی در ناحیهٔ تراهرتز (THz)، معمولاً حدود ‎~0.1 تا 10 THz (طول‌موج ~3 mm–30 μm)، بررسی می‌کنند. طیف‌سنجی THz به برانگیختگی‌های کم‌انرژی مانند گذارهای چرخشی و ارتعاشی در مولکول‌ها، فونون‌ها و مودهای جمعی در جامدات، انتقال بار در نیمه‌رساناها و ابررساناها، و برهم‌کنش‌های میان‌مولکولی در مایعات و مواد زیستی دسترسی دارد.

دو رویکرد عمده وجود دارد: طیف‌سنجی تراهرتز حوزهٔ زمان (THz-TDS)، که از تابش پالس‌شدهٔ THz و نمونه‌برداری شکل موج (waveform sampling) استفاده می‌کند، و طیف‌سنجی تراهرتز حوزهٔ فرکانس (THz-FDS)، که از تابش پیوسته (continuous-wave) و جاروب فرکانس بهره می‌گیرد. روش THz-TDS به‌دلیل دسترسی پهن‌باند به اطلاعات دامنه و فاز، در شناسایی مواد، تصویربرداری و ارزیابی غیرمخرب کاربرد فراوانی دارد، در حالی که THz-FDS از رزولوشن طیفی بسیار بالا (اغلب کمتر از 1 MHz) برخوردار است و برای طیف‌سنجی گازی با محدودیت دوپلر و متولوژی دقیق مناسب است.

طیف‌سنجی THz در فیزیک مادهٔ چگال، شیمی، آشکارسازی جوی و محیطی، بازرسی امنیتی، داروسازی، مخابرات، تحلیل میراث فرهنگی، تصویربرداری پزشکی و کنترل کیفیت صنعتی کاربرد دارد. سامانه‌های THz می‌توانند در هندسه‌های فضای آزاد یا موجبر عمل کنند و ممکن است از منابع و آشکارسازهای فوتوکانداکتیو، تولید غیرخطی اپتیکی، فوتومیکسینگ، منابع الکترونیکی یا لیزرهای کاسکیدِ کوانتومی بهره ببرند.

## پیش‌زمینه
روش‌های متعددی برای تولید تابش THz و آشکارسازی میدان‌های THz وجود دارد. برای نمونه می‌توان از آنتن، لیزر کاسکیدِ کوانتومی، لیزر الکترون آزاد یا رکتیفیکاسیون اپتیکی برای تولید منابع THz استفاده کرد. میدان THz تولیدشده را می‌توان از منظر میدان الکتریکی آن E_{THz}(t) توصیف نمود.

آزمایش‌های امروزی قادر به تولید E_{THz}(t) با مقدار اوج در محدودهٔ MV/cm (مگاولت بر سانتی‌متر) هستند. با ضرب کردن میدان اوج E_{THz} در بار الکترون e و طولی برابر یک نانومتر (L = 1 nm)، می‌توان مقدار انرژی برابر تقریباً 100 meV به‌دست آورد؛ این نشان می‌دهد میدان‌های THz می‌توانند اثرات عمده‌ای بر سیستم‌های الکترونی در مقیاس میکروسکوپی داشته باشند.

این میدان‌ها می‌توانند برای مطالعهٔ پدیده‌هایی مانند نوسان‌های بلوخ (Bloch oscillations) به کار روند، که در آن الکترون‌های نیمه‌رسانا در ناحیهٔ بردِ بریلوئن حرکت می‌کنند و سپس به نقطهٔ آغازین بازمی‌گردند، و طیف‌سنجی THz می‌تواند چنین پدیده‌هایی را آشکار کند.

منابع THz همچنین می‌توانند بسیار کوتاه (تا یک سیکل منفرد میدان THz) باشند؛ برای فرکانس 1 THz مدت پالس در حدود یک پیکوثانیه است. ترکیب مدت‌زمان فوق‌العاده کوتاه و میدان اوج قوی امکان پایش و کنترل فرایندهای فوق‌سریع در نیمه‌رساناها و تولید سوئیچ‌های فوق‌سریع را فراهم می‌سازد.

علاوه بر شدت و مدت‌زمان، انرژی فوتون THz نیز در مطالعات نیمه‌رساناها مهم است؛ انرژی فوتون می‌تواند با گذارهای جمعی مانند ایجاد اکسیتون‌ها هم‌فرکانس شود. انرژی بستگی اکسیتون‌ها معمولاً در محدودهٔ چند تا چندصد meV است که با فوتون‌های THz قابل‌مقایسه می‌باشد؛ بنابراین حضور اکسیتون‌ها را می‌توان از طریق طیف جذب در میدان THz تشخیص داد.

## طیف‌سنجی زمان‌دامنهٔ تراهرتز (THz-TDS)
مقالهٔ اصلی: time-domain spectroscopy|Terahertz time-domain spectroscopy

در طیف‌سنجی حوزهٔ زمان، آشکارسازهای معمولِ نور سنجش شدت را انجام می‌دهند، زیرا در ناحیهٔ اپتیکی آشکارسازهایی که مستقیماً میدان الکتریکی را اندازه بگیرند وجود ندارند. با این‌حال، روش‌هایی مانند آنتن‌ها و نمونه‌برداری الکترواپتیکی امکان اندازه‌گیری زمان‌تکامل E_{THz}(t) را فراهم می‌کنند. برای مثال می‌توان یک پالس THz را از میان یک نمونهٔ نیمه‌رسانا عبور داد و میدان‌های منتقل‌شده و بازتابی را به‌صورت تابع زمان اندازه‌گیری نمود؛ بدین ترتیب اطلاعات مربوط به دینامیک برانگیختگی نیمه‌رساناها در حوزهٔ زمان گردآوری می‌شود که اصل کلی THz-TDS است.

بندانگشتی|جایگزین=استفاده از تراهرتز برای تولید تصاویر انتقالی بسته‌بندی‌شده (نمونه‌ای از کاربردهای تصویربرداری THz).|

با استفاده از پالس‌های کوتاه THz، طیف گسترده‌ای از پدیده‌های فیزیکی بررسی شده‌اند. برای نیمه‌رساناهای ذاتی می‌توان پارامترهایی مانند دی‌الکتریک پیچیده، ضریب جذب THz و ضریب شکست را تعیین کرد. فرکانس فونون‌های عرضی-اپتیکی که با فوتون‌های THz کوپل می‌شوند برای اکثر نیمه‌رساناها در چند THz قرار دارد. حامل‌های آزاد در نیمه‌رساناهای دوپ‌شده یا برانگیخته نوری سبب جذب قابل‌توجهی از فوتون‌های THz می‌گردند. از آنجا که پالس‌های THz از مواد غیرفلزی عبور می‌کنند، می‌توان از آن‌ها برای بازرسی و انتقال اشیاء بسته‌بندی‌شده استفاده نمود.

## طیف‌سنجی حوزهٔ فرکانس (THz-FDS)
طیف‌سنجی حوزهٔ فرکانس تراهرتز از تابش پیوسته‌ای استفاده می‌کند که فرکانس آن در یک بازهٔ مشخص جاروب می‌شود تا پاسخ دامنه و فاز ماده اندازه‌گیری شود. در مقابل THz-TDS که پالس‌های پهن‌باند را اندازه‌گیری می‌کند، THz-FDS مستقیماً در حوزهٔ فرکانس عمل می‌کند.

سامانه‌های THz-FDS معمولاً بر پایهٔ «فوتومیکسینگ» (photomixing) هستند، جایی که دو لیزر نزدیک به هم با پهنای خط بسیار باریک و اختلاف فرکانسی کوچک، یک دستگاه فوتوکانداکتیو را روشن می‌کنند؛ اختلاف فرکانسی نورِ دو لیزر، سیگنال THz پیوسته تولید می‌کند. آشکارسازی همدوس با استفاده از فوتومیکسر ثانویه‌ای که با همان لیزرها تحریک می‌شود انجام می‌پذیرد و هر دو کمیت دامنه و فاز میدان THz را حفظ می‌کند.

یک مزیت کلیدی THz-FDS رزولوشن طیفی بسیار بالا (گاهی بهتر از 1 MHz) است که امکان تفکیک گذارهای گازی محدود به دوپلر و دیگر ویژگی‌های طیفی بسیار باریک را فراهم می‌کند. این ویژگی THz-FDS را برای طیف‌سنجی دورانی دقیق گازها، مطالعهٔ فونون‌ها در جامدات و اندازه‌گیری رزونانس‌های تیز در نیمه‌رساناها، ابررساناها، متامتریال‌ها و ساختارهای لایه‌نازک مناسب می‌سازد.

سامانه‌های THz-FDS همچنین برد دینامیکی بالا و اندازه‌گیری‌های کمی جذب و شاخص شکست فراهم می‌آورند. اگرچه THz-FDS نقاط فرکانسی جداگانه‌ای را می‌گیرد در حالی که THz-TDS نقاط تأخیر زمانی را نمونه‌برداری می‌کند، زمانی‌که برای پهنای باند، رزولوشن طیفی و نسبت سیگنال‌به‌نویز نرمال‌سازی شوند، هر دو روش معمولاً به زمان اندازه‌گیری کلی مشابهی نیاز دارند. تشخیص همدوس در THz-FDS می‌تواند موجب ایجاد خطوط تداخلی شود که با روش‌هایی مانند مدولاسیون فاز نوری و تشخیص هارمونیک دوم قابل حذف است.

## پلاسمای القاشده توسط تراهرتز و گذارهای اکسیتونی
میدان‌های THz می‌توانند الکترون‌ها را از تعادل خارج کنند؛ اگر این اعمال به اندازهٔ کافی سریع انجام شود، می‌توان فرایندهای ابتدایی مانند چگونگی شکل‌گیری پوششِ کولمبی (screening) را اندازه‌گیری کرد. در یک مطالعه نشان داده شد که پوشش‌دهی کولمبی در نیمه‌رساناها ظرف چند ده فمتوثانیه کامل می‌شود؛ این بینش‌ها برای فهم رفتار پلاسما الکترونی در جامدات اهمیت دارد.

برهم‌کنش کولمبی همچنین می‌تواند الکترون و حفره را به اکسیتون پیوند دهد. اکسیتون‌ها به دلیل شباهت‌شان به اتم هیدروژن دارای حالات بستگی هستند (1s, 2s, 2p و غیره). گذار 1s→2p به‌ویژه دوپل مجاز است و می‌تواند به‌وسیلهٔ میدان THz مستقیماً برانگیخته شود اگر انرژی فوتون THz با انرژی گذار مطابقت کند. در سامانه‌هایی مانند GaAs انرژی این گذار حدود 4 meV است که متناظر با فوتون‌های 1 THz می‌باشد. در تشدید، دیپول d_{1s,2p} انرژی رابی Ω_{Rabi} = d_{1s,2p} E_{THz}(t) را تعیین می‌کند که مقیاس زمانی گذار را مشخص می‌سازد.

برای نمونه می‌توان گذار اکسیتونی را با یک پالس نوری اضافی که با پالس THz همگام‌سازی شده برانگیخت؛ این تکنیک «طیف‌سنجی گذرای THz» نام دارد و به‌کمک آن می‌توان دینامیک تشکیل اکسیتون‌ها را دنبال کرد یا تقویت THz ناشی از گذارهای داخلی اکسیتون را مشاهده نمود.

از آنجا که پالس THz می‌تواند هم پرتوان و هم بسیار کوتاه (تک‌چرخه) باشد، می‌توان شرایطی را فراهم کرد که مدت پالس، مقیاس زمانی رابی و انرژی فوتون ħω هم‌ارز باشند؛ در این حالت وارد حوزهٔ اپتیک غیرخطی شدید (extreme nonlinear optics) می‌شویم که تقریب‌هایی مانند rotating-wave approximation ممکن است نامعتبر شوند و رفتارهای جدیدی مشاهده گردد. نتایج تجربی نشان داده‌اند که نوسان‌های رابی به‌خاطر مشارکت‌های غیر-RWA و فرآیندهای چندفوتونی دچار اعوجاج می‌شوند و اثرات دینامیک مانند Franz–Keldysh نیز ظاهر می‌شوند.

## نظریهٔ گذارهای تراهرتز
می‌توان گذارهای تراهرتز در جامدات را با تعمیم معادلات بلَخ نیمه‌رسانا (semiconductor Bloch equations) و دینامیک همبستگی‌های چندبادی به‌شکل نظام‌مند مورد تحلیل قرار داد. در این چارچوب، میدان THz مستقیماً توسط همبستگی‌های دوذره‌ای جذب می‌شود که سینتیک کوانتومی توزیع الکترون و حفره را تغییر می‌دهند. برای تحلیل دقیق لازم است سینتیک کوانتومی همبستگی‌های چندبادی در نظر گرفته شود که می‌توان آن را با روش‌هایی مانند رویکرد گسترش خوشه‌ای (cluster-expansion) مدلسازی کرد؛ با این رویکرد می‌توان طیف وسیعی از پاسخ‌ها را از پاسخ درود-مانند (Drude-like) تا اثرات غیرخطی شدید اکسیتون‌ها توضیح داد.

## منابع
* Siegel, P. H. (2004). "Terahertz technology". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 52 (10): 2438–2447. doi:10.1109/TMTT.2004.835356.
* Tonouchi, M. (2007). "Cutting-edge terahertz technology". Nature Photonics. 1 (2): 97–105. doi:10.1038/nphoton.2007.3.
* Lee, Y.-S. (2009). Principles of Terahertz Science and Technology. Springer. ISBN 978-0-387-37809-5.
* Coutaz, J.-L.; Garet, F. (2017). Principles of THz Time-Domain Spectroscopy. Stanford University Press.
* Hindle, F.; Cuisset, A.; Bocquet, R.; Mouret, G. (2008). "Continuous-wave terahertz by photomixing: applications to gas-phase pollutant detection and quantification". Comptes Rendus Physique. 9: 262–275.
* Zhang, X.-C.; Xu, J. (2010). Introduction to THz Wave Photonics. Springer.
* Junginger, F.; Sell, A.; Schubert, O.; Mayer, B.; Brida, D.; Marangoni, M.; Cerullo, G.; Leitenstorfer, A. et al. (2010). "Single-cycle multiterahertz transients with peak fields above 10 MV/cm". Optics Letters. 35: 2645–2647. doi:10.1364/OL.35.002645.
* Feldmann, J.; Leo, K.; Shah, J.; Miller, D.; Cunningham, J.; Meier, T.; von Plessen, G.; Schulze, A.; Thomas, P.; Schmitt-Rink, S. (1992). "Optical investigation of Bloch oscillations in a semiconductor superlattice". Physical Review B. 46: 7252–7259. doi:10.1103/PhysRevB.46.7252.
* Grischkowsky, D.; Keiding, S.; van Exter, M.; Fattinger, C. (1990). "Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors". Journal of the Optical Society of America B. 7 (10): 2006–2015. doi:10.1364/JOSAB.7.002006.
* Zhang, W.; Azad, A. K.; Grischkowsky, D. (2003). "Terahertz studies of carrier dynamics and dielectric response of n-type, freestanding epitaxial GaN". Applied Physics Letters. 82 (17): 2841–2843. doi:10.1063/1.1569988.
* Brown, E. R.; McIntosh, K. A. (1995). "Photomixing up to 3.8 THz in low-temperature-grown GaAs". Applied Physics Letters.
* Roggenbuck, A.; Schmitz, H.; Deninger, A.; Mayorga, I. C.; Hemberger, J.; Güsten, R.; Grüninger, M. (2010). "Coherent broadband continuous-wave terahertz spectroscopy on solid-state samples". New Journal of Physics. 12: 043017.
* Demers, J. R.; Kasper, B. L. (2013). "Employing phase modulation and second harmonic nulling". Proc. SPIE.
* Huber, R.; Tauser, F.; Brodschelm, A.; Bichler, M.; Abstreiter, G.; Leitenstorfer, A. (2001). "Ultrafast carrier dynamics study". Nature. 414: 286–289. doi:10.1038/35104522.
* Kaindl, R. A.; Carnahan, M. A.; Hägele, D.; Lövenich, R.; Chemla, D. S. (2003). "Ultrafast terahertz probes of transient conducting and insulating phases in an electron–hole gas". Nature. 423: 734–738. doi:10.1038/nature01676.
* Kira, M.; Koch, S. W. (2006). "Many-body correlations and excitonic effects in semiconductor spectroscopy". Progress in Quantum Electronics. 30: 155–296. doi:10.1016/j.pquantelec.2006.12.002.