高精度超快太赫兹谱学系统

适合多物理过程所在的能量尺度

太赫兹波通常位于微波与红外之间。1 THz对应约 4.14meV 的光子能量，可直接响应载流子输运、低频晶格振动、分子转动、电极化、激子能级间跃迁以及磁共振等过程。

图1：电磁频谱

它能做什么？

· 材料自由载流子的浓度、迁移率、电导率的检测。

· 光生载流子的超快动力学过程。

· 激子的极化率及激子与自由载流子的动态平衡如何演变。

· 材料中存在哪些低频振动模式？它们的共振频率、阻尼率和振子强度是多少？

· 晶格振动（声子）是否具有红外活性？其与太赫兹波的耦合如何？

平衡态结构、辐射过程与非平衡载流子动力学可在同一平台上开展

图2：时间分辨太赫兹光谱测试

1、0.1–3 THz 频谱覆盖

覆盖常见低频载流子响应、晶格振动与部分磁性/极化共振区间。

图3：时间分辨太赫兹光谱频谱

2、≥90 dB 高动态范围（延迟线扫描模式）

图4：太赫兹时域谱及其噪声水平

3、低至 10⁻⁶ （RMS）的极低噪声

4、ps与ns级延迟配置可选

皮秒窗口适合载流子建立、热化和快速散射过程；纳秒窗口可继续探测长寿命陷阱、复合与亚稳态响应。

5、可选单发检测，支持毫秒级快速采集

单发方案无需逐点机械扫描完整太赫兹波形，适合快速变化条件以及对环境扰动敏感的实验。

数据处理

· 采集参考与样品的太赫兹时域信号E_ref(t)、E_sam(t)，完成时间零点与基线校正。

· 通过傅里叶变换获得频谱E_ref(ω)、E_sam(ω)，保留振幅与相位信息。

· 计算复传递函数得到吸收/消光系数、折射率、介电函数或电导率。

· 泵浦-探测信号ΔE(t,τ)通过光学模型可计算Δσ(ω,τ)。

· 依据Drude、Drude-Smith、Lorentz或适用的材料模型提取散射时间、迁移率相关参数与共振信息。

· 半导体与二维材料：自由载流子光电导、散射与复合、缺陷和局域化效应。

· 光伏与发光材料：有机光伏、钙钛矿、量子点中的电荷分离、热载流子冷却与界面转移。

· 磁性与自旋材料：磁共振、反铁磁动力学、自旋流与自旋-电荷转换相关太赫兹辐射。

· 低频结构研究：晶格振动、分子转动、极化响应、软模及其他 THz 能区集体激发。

· 器件与外场实验：温度、电场、磁场、偏压或环境变化下的原位太赫兹响应。

有机光伏：太阳光等效强度下的超快载流子动力学

有机光伏材料在过高泵浦密度下可能出现与真实太阳光工作条件不同的多体复合。低噪声太赫兹探测可将测量推进到更接近器件实际工作的弱激发区间，帮助区分本征载流子输运与高激发伪影。

钙钛矿：时间分辨太赫兹与时间分辨发光的互补表征

太赫兹响应对可移动电荷较为敏感，时间分辨发光可直接反映出辐射复合与发光态布居。两种测量方式集成有助于判断载流子生成、局域化、复合和界面提取过程。

磁性异质结构：偏振分辨太赫兹辐射与皮秒自旋流动力学

部分应用方向参考文献：

J. Am. Chem. Soc. 146, 20312 (2024) — 首次实现太阳光等效强度下有机光伏分子超快载流子动力学。

Nat. Energy 4, 864–873 (2019); Nature 603, 73–78 (2022); J. Phys. Chem. C 128, 10520 (2024) — 钙钛矿半导体载流子本征动力学。

Phys. Rev. Lett. 132, 176703 (2024) — 磁性异质结构材料中的皮秒自旋流动力学。