테라헤르츠 시간 영역 분광법

thumb|THz-TDS로 측정한 일반적인 펄스.

물리학에서 테라헤르츠 시간 영역 분광법()은 짧은 테라헤르츠파 펄스를 사용하는 테라헤르츠 분광법의 한 형태이다. 이 발생 및 감지 방식은 테라헤르츠파의 진폭과 위상 모두에 대한 샘플의 영향에 민감하다. thumb|right|위 펄스의 푸리에 변환.

 설명 
일반적으로 초단펄스 레이저가 테라헤르츠 펄스 생성 과정에 사용된다. 저온 성장 비소화 갈륨(GaAs)을 안테나로 사용할 경우, 초단펄스가 전하 운반자를 생성하여 가속시키고 테라헤르츠 펄스를 생성한다. 비선형 결정을 소스로 사용할 경우, 고강도 초단펄스가 결정으로부터 THz 복사를 생성한다. 단일 테라헤르츠 펄스는 종종 0.05에서 4 THz에 이르는 테라헤르츠 범위의 많은 진동수 성분을 포함할 수 있지만, 공기 플라즈마를 사용하면 최대 40 THz까지의 진동수 성분을 얻을 수 있다. THz 펄스 생성 후, 펄스는 광학 기술에 의해 방향이 지정되고, 샘플을 통해 초점을 맞춘 다음 측정된다.

THz-TDS는 훨씬 더 빠른 펨토초 광학 펄스, 일반적으로 Ti-사파이어 레이저에서 나오는 극초고속(따라서 넓은 대역폭) 테라헤르츠 펄스의 생성을 필요로 한다. 이 광학 펄스는 먼저 분할되어 광학 지연선을 사용하여 경로 길이가 조정되는 프로브 펄스를 제공한다. 프로브 펄스는 해당 시점에 전송된 광학 프로브 펄스의 결과 테라헤르츠 신호의 전기장에 민감한 검출기를 스트로빙한다. 프로브 펄스가 통과하는 경로 길이를 변화시킴으로써, 테스트 신호는 시간의 함수로 측정된다—이는 샘플링 오실로스코프와 동일한 원리이다 (기술적으로, 측정은 테스트 신호와 스트로브 검출기의 시간 영역 응답의 컨볼루션을 얻는다). 푸리에 변환을 사용하여 결과적인 주파수 영역 응답을 얻기 위해, 측정은 결과적인 테스트 펄스의 각 시간 지점(지연선 오프셋)을 포함해야 한다. 테스트 샘플의 응답은 예를 들어 샘플을 제거한 상태에서 얻은 테라헤르츠 펄스의 스펙트럼으로 얻은 스펙트럼을 나누어 보정할 수 있다.

 구성 요소 
그림에 나타난 일반적인 THz-TDS 기기의 구성 요소에는 적외선 레이저, 광학 빔 스플리터, 빔 조향 거울, 지연 스테이지, 테라헤르츠 발생기, 포물선 거울과 같은 테라헤르츠 빔 초점 및 시준 광학 장치, 그리고 검출기가 포함된다.
400px|thumb|right|일반적인 THz 시간 영역 분광법 (THz-TDS) 시스템. 하프 웨이브 플레이트 (HWP), 편광 빔 스플리터 (PBS), 조향 거울 (M#), 광전도 안테나, 포물선 거울 (PM#), 쿼터 웨이브 플레이트 (QWP).

 Ti:사파이어 레이저 
저온 성장 비소화 갈륨(LT-GaAs) 기반 안테나를 사용하여 THz-TDS 실험을 구축하려면 광자 에너지가 재료의 밴드갭을 초과하는 레이저가 필요하다. LT-GaAs의 에너지 갭과 일치하도록 약 800 nm에 맞춰진 Ti:사파이어 레이저는 10 fs만큼 짧은 광학 펄스를 생성할 수 있으므로 이상적이다. 이러한 레이저는 상업용 턴키 시스템으로 제공된다.

 조향 거울 
은 코팅 거울은 800 nm 근처의 적외선 펄스에 대한 조향 거울로 사용하기에 최적이다. 이 파장에서 은의 반사율은 금보다 높고 알루미늄보다 훨씬 높다.

 빔 스플리터 
빔 스플리터는 단일 초단 광학 펄스를 두 개의 별도 빔으로 나누는 데 사용된다. 50/50 빔 스플리터가 자주 사용되어 테라헤르츠 생성기 및 검출기에 동일한 광학 출력을 공급하지만, 적외선(일반적으로 800 nm 파장) 빛의 검출 효율에 비해 테라헤르츠 생성 과정의 비효율성을 고려할 때 테라헤르츠 생성 경로에 더 많은 출력을 제공하는 것이 일반적이다.

 지연 스테이지 
광학 지연선은 이동식 스테이지를 사용하여 두 빔 경로 중 하나의 경로 길이를 변화시키는 방식으로 구현된다. 지연 스테이지는 움직이는 복고 반사경을 사용하여 빔을 잘 정의된 출력 경로로 재지정하지만 지연을 따른다. 복고 반사경을 잡는 스테이지의 움직임은 경로 길이의 조정에 해당하며, 결과적으로 소스 테라헤르츠 펄스에 상대적인 테라헤르츠 검출기가 게이트되는 시간을 조정한다.

 퍼지 박스 
퍼지 박스는 일반적으로 기체 상태의 물 분자에 의한 THz 복사 흡수를 최소화하기 위해 사용된다. 이 목적으로 건조 공기 소스가 자주 사용되지만, 질소 가스 소스도 사용될 수 있다.

물은 THz 영역에서 물 분자의 회전 모드인 많은 불연속적인 흡수를 하는 것으로 알려져 있다. 반대로, 이원자 분자인 질소는 전기 쌍극자 모멘트가 없으며 (일반적인 THz-TDS의 목적상) THz 복사를 흡수하지 않는다. 따라서, THz 주파수 범위에서 의도하지 않은 불연속적인 흡수가 발생하지 않도록 퍼지 박스를 질소 가스로 채울 수 있다.

 포물선 거울 
thumb|포물선 거울이 중요한 초점 거리와 몇 가지 예시 광선과 함께 표시되어 있다.오프 축 포물선 거울은 일반적으로 THz 복사를 시준하고 초점을 맞추는 데 사용된다. 저온 비소화 갈륨(LT-GaAs) 안테나(활성 영역 ~5 μm)와 같은 유효 점 소스에서 오프 축 포물선 거울에 입사하는 복사는 시준되며, 포물선 거울에 입사하는 시준된 복사는 한 점에 초점을 맞춘다 (다이어그램 참조). 따라서 테라헤르츠 복사는 금속 코팅 거울과 같은 광학 부품뿐만 아니라 THz 파장에서 투명한 재료로 만든 렌즈를 사용하여 공간적으로 조작될 수 있다. 분광학용 샘플은 일반적으로 테라헤르츠 빔이 가장 집중되는 초점에 배치된다.

 THz 복사의 활용 
THz 복사는 분광학에서 사용하기에 몇 가지 뚜렷한 이점을 가지고 있다. 많은 재료가 테라헤르츠 파장에서 투명하며, 이 복사는 비이온화되어 생체 조직에 안전하다 (X선과 달리). 많은 흥미로운 재료는 식별에 사용될 수 있는 테라헤르츠 범위에서 고유한 스펙트럼 지문을 가지고 있다. 입증된 예로는 여러 종류의 폭발물, 편광 변화 이방성 테라헤르츠 마이크로 분광법을 사용한 DNA 및 단백질 분자의 동적 지문, 상업용 의약품의 활성 의약 성분(API)으로 사용되는 많은 화합물의 다형성 형태, 그리고 여러 불법 마약 물질이 포함된다.

많은 재료가 THz 복사에 투명하므로, 시각적으로 불투명한 중간 층을 통해 아래에 있는 재료에 접근할 수 있다.

엄밀히 말하면 분광 기술은 아니지만, THz 복사 펄스의 초단 폭은 폼과 같이 측정하기 어려운 재료에 대한 측정(예: 두께, 밀도, 결함 위치)을 가능하게 한다. 이러한 측정 기능은 펄스 초음파 시스템의 측정 기능과 많은 유사점을 공유한다. 짧은 테라헤르츠 펄스의 반사를 통해 매립된 구조물의 깊이를 추론할 수 있기 때문이다.

 THz 생성 
테라헤르츠 펄스를 생성하는 세 가지 널리 사용되는 기술이 있으며, 모두 티타늄-사파이어 레이저 또는 모드 고정 파이버 레이저의 초단 펄스를 기반으로 한다.

 표면 방출기 
초단(100 펨토초 이하) 광학 펄스가 반도체를 비추고 그 파장(에너지)이 재료의 에너지 밴드갭을 초과할 때, 이동성 전하 운반자를 광생성한다. 펄스는 깊이에 따라 지수적으로 흡수되기 때문에 대부분의 전하 운반자는 재료 표면 근처(일반적으로 1 마이크로미터 이내)에서 생성된다. 이는 두 가지 주요 효과를 가져온다. 첫째, 밴드 굽힘을 생성하여 서로 다른 부호의 전하 운반자를 반대 방향(표면에 수직)으로 가속시켜 쌍극자를 생성한다. 이 효과는 표면 전계 방출로 알려져 있다. 둘째, 표면의 존재는 전하 운반자가 (평균적으로) 반도체의 벌크로만 이동하게 하는 대칭성 파괴를 일으킨다. 이 현상은 전자와 정공의 이동성 차이와 결합되어 쌍극자를 생성한다. 이는 광 뎀버 효과로 알려져 있으며, 인듐 비소와 같은 고이동성 반도체에서 특히 강하다.

 광전도성 방출기 

광전도성 방출기를 통해 THz 복사를 생성할 때, 초고속 펄스(일반적으로 100 펨토초 이하)는 반도체 재료에 전하 운반자(전자-정공 쌍)를 생성한다. 이 입사 레이저 펄스는 안테나를 절연 상태에서 전도 상태로 갑자기 변화시킨다. 안테나에 인가된 전기적 바이어스 때문에 안테나를 가로질러 갑작스러운 전류가 전달된다. 이 변화하는 전류는 약 피코초 동안 지속되며, 푸리에 변환에 의해 피코초 길이 신호의 테라헤르츠 성분을 포함하므로 테라헤르츠 복사를 방출한다.

일반적으로 두 안테나 전극은 저온 비소화 갈륨 (LT-GaAs), 반절연 비소화 갈륨 (SI-GaAs) 또는 기타 반도체 (예: InP) 기판 위에 패턴화된다.
일반적으로 사용되는 방식에서는 전극이 몇 마이크로미터 간격을 가진 단순한 다이폴 안테나 형태로 형성되며, 그 사이에 최대 40 V의 바이어스 전압이 인가된다. 초고속 레이저 펄스는 반도체 기판의 밴드갭을 가로질러 전자를 여기시킬 수 있을 만큼 충분히 짧은 파장을 가져야 한다. 이 방식은 광자 에너지 1.55 eV, 펄스 에너지 약 10 nJ의 Ti:사파이어 발진기 레이저로 조명하기에 적합하다. 증폭된 Ti:사파이어 레이저와 함께 사용할 경우, 펄스 에너지가 약 1 mJ일 때 전극 간격을 수 센티미터까지 늘리고 최대 200 kV의 바이어스 전압을 인가할 수 있다.

비용 효율적이고 소형화된 THz-TDS 시스템을 향한 최근의 발전은 1550 nm의 중심 파장에서 방출되는 모드 고정 파이버 레이저 소스를 기반으로 한다. 따라서 광전도성 방출기는 약 0.74 eV의 더 작은 밴드갭을 가진 반도체 재료(예: Fe-도핑된 인듐 갈륨 비소) 또는 인듐 갈륨 비소/인듐 알루미늄 비소 헤테로구조를 기반으로 해야 한다.

생성된 THz 펄스의 짧은 지속 시간(일반적으로 약 2 ps)은 주로 반도체 내 광유도 전류의 빠른 상승과 짧은 캐리어 수명 반도체 재료(예: LT-GaAs) 때문이다. 이 전류는 기판 재료에 따라 수백 펨토초에서 수 나노초 동안만 지속될 수 있다. 이것이 유일한 생성 방법은 아니지만 현재(2008년 기준) 가장 일반적이다.

이 방법으로 생성된 펄스는 수십 마이크로-와트 정도의 평균 전력 수준을 가진다. 펄스 중 피크 전력은 레이저 소스의 반복률에 따라 달라지는 1% 이상의 낮은 듀티 사이클 때문에 여러 자릿수 더 높을 수 있다. 결과적인 THz 펄스의 최대 대역폭은 주로 레이저 펄스 지속 시간에 의해 제한되며, 푸리에 스펙트럼의 최대 주파수 위치는 반도체의 캐리어 수명에 의해 결정된다.

 광학 정류 

광학 정류에서는 고강도 초단 펄스 레이저 펄스가 투명한 결정 재료를 통과하면서 어떠한 인가 전압 없이 테라헤르츠 펄스를 방출한다. 이는 비선형 광학 과정으로, 높은 광학 강도에서 적절한 결정 재료가 빠르게 전기적으로 편극된다. 이 변화하는 전기 편극이 테라헤르츠 복사를 방출한다.

필요한 레이저 강도가 높기 때문에 이 기술은 주로 증폭된 Ti:사파이어 레이저와 함께 사용된다. 일반적인 결정 재료로는 텔루르화 아연, 인화 갈륨, 그리고 셀렌화 갈륨이 있다.

광학 정류에 의해 생성된 펄스의 대역폭은 레이저 펄스 지속 시간, 결정 재료 내 테라헤르츠 흡수, 결정의 두께, 그리고 레이저 펄스와 테라헤르츠 펄스의 결정 내 전파 속도 간의 불일치에 의해 제한된다. 일반적으로 두꺼운 결정은 더 높은 강도를 생성하지만 더 낮은 THz 주파수를 생성한다. 이 기술을 사용하면 생성된 주파수를 40 THz (7.5 μm) 이상으로 높일 수 있지만, 2 THz (150 μm)가 덜 복잡한 광학 설정을 필요로 하므로 더 일반적으로 사용된다.

 THz 감지 
테라헤르츠 펄스의 전기장은 초단 레이저 펄스와 동시에 조명되는 검출기에서 측정된다. THz-TDS에서는 광전도성 샘플링과 전기광학 샘플링의 두 가지 일반적인 감지 방식이 사용된다. THz 펄스의 전력은 볼로미터(액체 헬륨 온도로 냉각된 열 감지기)로 감지할 수 있지만, 볼로미터는 테라헤르츠 펄스의 총 에너지(시간에 따른 전기장이 아님)만 측정할 수 있으므로 THz-TDS에는 적합하지 않다.

측정 기술이 결맞음이므로, 비결맞음 복사를 자연적으로 제거한다. 또한, 측정의 시간 슬라이스가 매우 좁기 때문에 측정에 대한 잡음 기여가 매우 낮다.

결과적인 시간 영역 파형의 신호 대 잡음비(S/N)는 실험 조건(예: 평균 시간)에 따라 달라진다. 그러나 설명된 결맞음 샘플링 기술 덕분에 1분 평균 시간으로 높은 S/N 값(>70 dB)이 일상적으로 관찰된다.

 다운믹싱 
"테라헤르츠 갭(THz 주파수 범위 기술 부족에 대한 속어)"의 원인이 된 원래 문제는 전자가 1012 Hz 이상 주파수에서 작동이 제한된다는 것이었다. 두 가지 실험 매개변수가 LT-GaAs 안테나를 사용한 THz-TDS에서 이러한 측정을 가능하게 한다: 펨토초 "게이팅" 펄스와 안테나 내 전하 운반자의 < 1 ps 수명(안테나의 "켜짐" 시간을 효과적으로 결정). 모든 광학 경로 길이가 고정된 길이를 가질 때, 검출 전자 장치의 낮은 시간 분해능 때문에 검출 전자 장치에서 유효 DC 전류가 발생한다. 피코초 시간 분해능은 빠른 전자 또는 광학 기술에서 오는 것이 아니라, 마이크로미터(μm) 스케일에서 광학 경로 길이를 조정하는 능력에서 온다. THz 펄스의 특정 세그먼트를 측정하기 위해 광학 경로 길이가 고정되고 THz 펄스의 전기장의 특정 세그먼트로 인해 검출기에서 (유효 DC) 전류가 측정된다.

THz-TDS 측정은 일반적으로 단일 샷 측정은 아니다.

 광전도성 감지 
광전도성 감지는 광전도성 생성과 유사하다. 여기서 안테나 리드에 걸린 전압 바이어스는 외부 생성 대신 안테나에 집중된 THz 펄스의 전기장에 의해 생성된다. THz 전기장은 안테나 리드에 걸쳐 전류를 구동하며, 이는 일반적으로 저대역폭 증폭기로 증폭된다. 이 증폭된 전류는 THz 전계 강도에 해당하는 측정 매개변수이다. 다시 말해, 반도체 기판의 캐리어는 매우 짧은 수명을 가진다. 따라서 THz 전계 강도는 전체 전계 파형의 매우 좁은 부분(펨토초)에 대해서만 샘플링된다.

 전기광학 샘플링 
광학 정류에 의한 테라헤르츠 복사 생성에 사용되는 재료는 포켈스 효과를 사용하여 검출에도 사용될 수 있다. 포켈스 효과는 특정 결정 재료가 전기장 존재 시 복굴절이 되는 현상이다. 테라헤르츠 펄스의 전기장에 의해 발생하는 복굴절은 검출 펄스의 광학 편광 변화를 유발하며, 이는 테라헤르츠 전기장 강도에 비례한다. 편광자와 광다이오드의 도움으로 이 편광 변화가 측정된다.

생성과 마찬가지로, 검출의 대역폭은 레이저 펄스 지속 시간, 재료 특성, 그리고 결정 두께에 따라 달라진다.

전기광학 샘플링을 통한 THz-TDS 감지 민감도는 광학 파라메트릭 증폭기에 의해 생성된 스퀴즈드 빛을 사용하여 고전적인 푸아송 잡음 한계를 넘어 향상될 수 있다.

 장점 
THz-TDS는 단순히 전력이 아닌 펄스의 전기장을 측정한다. 따라서 THz-TDS는 포함된 주파수 성분의 진폭과 위상 정보를 모두 측정한다. 이와 대조적으로, 각 주파수에서 전력만 측정하는 것은 본질적으로 광자 계수 기술이다; 빛의 위상에 대한 정보는 얻어지지 않는다. 따라서 파형은 이러한 전력 측정에 의해 고유하게 결정되지 않는다.

샘플에서 반사된 전력만 측정하더라도 재료의 복소 광학 응답 상수를 얻을 수 있다. 이는 광학 상수의 복소수 특성이 임의적이지 않기 때문이다. 광학 상수의 실수부와 허수부는 크라머르스-크로니히 관계에 의해 관련되어 있다. 크라머르스-크로니히 관계를 그대로 적용하는 데는 어려움이 있다. 왜냐하면 샘플에 대한 정보(예를 들어 반사 전력)는 모든 주파수에서 얻어져야 하기 때문이다. 실제로는 멀리 떨어진 주파수 영역은 서로에게 큰 영향을 미치지 않으며, 측정 범위 밖의 고주파 및 저주파에서 합리적인 제한 조건을 적용할 수 있다.

반대로 THz-TDS는 크라머르스-크로니히 관계를 사용할 필요가 없다. 시간 영역에서 THz 펄스의 전기장을 측정함으로써, THz 펄스의 각 주파수 성분의 진폭과 위상을 알 수 있다(전력 측정으로 알려진 단일 정보와 대조적으로). 따라서 광학 상수의 실수부와 허수부는 THz 펄스의 사용 가능한 대역폭 내의 모든 주파수에서, 사용 가능한 대역폭 외부의 주파수나 크라머르스-크로니히 관계 없이 알 수 있다.

 같이 보기 

 시간 분해 마이크로파 전도도
 테라헤르츠 메타물질

 각주 

 추가 자료 

분류:분광학
분류:테라헤르츠 기술
분류:폭발물 탐지