基于太赫茲輻射產(chǎn)生的理論研究分析

◆趙志宏

(營口職業(yè)技術(shù)學院)

基于太赫茲輻射產(chǎn)生的理論研究分析

◆趙志宏

(營口職業(yè)技術(shù)學院)

分別介紹了用光學方法和電子學方法產(chǎn)生THz波的原理，其中重點介紹了光電導(dǎo)產(chǎn)生THz波輻射源的方法。然后，著重分析了利用非線性差頻產(chǎn)生THz波的方法，對非線性差頻的原理及其進展進行了總結(jié)，并引用實驗結(jié)果對其進行了論證，對其將來的研究和發(fā)展做出了展望和分析。

光電導(dǎo) 光整流 光抽運 非線性差頻

一、引言

近年來，非線性光學的飛速發(fā)展帶動了基于光子學原理產(chǎn)生太赫茲技術(shù)的發(fā)展，如基于周期微結(jié)構(gòu)材料和固體非線性材料的光學參變振蕩、光整流、光電導(dǎo)、光抽運、光學受激效應(yīng)、表面發(fā)射效應(yīng)、光學倍頻及差頻效應(yīng)、光學切連科夫(Cherenkov)效應(yīng)等非線性效應(yīng)。其中，非線性光學差頻方法獲得太赫茲輻射因其沒有閥值、實驗設(shè)施容易搭建、容易實現(xiàn)差頻轉(zhuǎn)換而稱為研究熱點。

二、THz波的應(yīng)用前景

1.THz波成像

利用THz時域光譜技術(shù)可以直接測量THz電磁脈沖所產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場，可以直接測得樣品的介電常數(shù)和厚度的分部。應(yīng)用于國家安全包括情報、安檢、破案、生物、化學和醫(yī)學中的各種成像應(yīng)用。兩維實時THz活體成像可應(yīng)用于野外昆蟲的實時觀測，同時也可應(yīng)用于軍事中特種部隊和警察的裝備，在一定范圍內(nèi)對敵人的有生力量和犯罪分子進行準確探測。

2.醫(yī)療診斷

由于很多的生物大分子及DNA分子的旋轉(zhuǎn)及振動能級所處于THz波段，生物體對THz波會產(chǎn)生獨特的響應(yīng)，所以THz輻射可用于疾病診斷，生物體的探測及癌細胞的表皮成像。癌變組織的THz波具有不同的振幅，波形和時間延遲，我們可以從中得到腫瘤的大小和形狀。對人體組織器官成像，可做出腫瘤的早期診斷，許多醫(yī)院的專家對此項腫瘤的初期診斷技術(shù)很滿意，并要求早日投入生產(chǎn)，進入臨床應(yīng)用。

3.環(huán)境監(jiān)測

適合于對固體、液體、氣體、以及火焰和流體等介質(zhì)的電、聲學性質(zhì)的研究以及化學組分的表征。THz輻射也可用于污染物檢測、生物和化學物質(zhì)的探測，對生物組織包括植物、動物的組織結(jié)構(gòu)進行成像可獲得組織新鮮程度的信息，這可用于食品的保鮮和食品加工過程的監(jiān)控;檢測隱藏在箱包中一般家用材料及民用設(shè)備中的特殊物質(zhì)，如炸藥、毒品等。

4.寬帶移動通訊于星間通訊

THz電磁波是很好的寬帶信息載體，THz波比微波能做到的寬帶和訊道數(shù)多的多，特別適合衛(wèi)星間、星地間及局域網(wǎng)的寬帶移動通訊。

三、基于光學方法的太赫茲波輻射源

1.光電導(dǎo)產(chǎn)生THz波輻射

光電導(dǎo)方法就是在光電導(dǎo)半導(dǎo)體表面淀積金屬制成偶極天線電極結(jié)構(gòu)，用光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度超短脈沖激光照射半導(dǎo)體材料，當強度為I(t)的飛秒激光激發(fā)偏置半導(dǎo)體時，如果激光的光子能量大于半導(dǎo)體的能帶隙，則在照射出的導(dǎo)帶和價帶上將分別產(chǎn)生電子和空穴。光載流子密度快速變化，并在外加偏置直流電壓Vb的作用下加速運動。由此，將產(chǎn)生電磁輻射并通過天線向自由空間發(fā)射。由于輻射的能量主要來自天線上所加的偏置電場，可以通過調(diào)節(jié)外加偏置電場的大小來獲得能量較高的太赫茲波，而制作大孔徑的光電導(dǎo)天線可以提高電磁輻射的效率。

快速偏置的光電導(dǎo)體有飛秒光脈沖(泵浦光)激發(fā)，作為瞬態(tài)電流源，通過天線向空間傳播短周期的瞬態(tài)變化。為了探測這樣一個變化需要一個與發(fā)射其相似的裝置，但這個光電導(dǎo)體不需要偏置。作為探測器的光電導(dǎo)體由同樣的飛秒光脈沖(探測光)激發(fā)，在激發(fā)瞬間可以探測輸出流Iout。通過一可調(diào)的時間線將飛秒光脈沖相對于泵浦光I(t)延遲時間a，則探測光強度為I(t+a)。

太赫茲輻射源的輸出性能主要決定于三個要素:光電半導(dǎo)體材料、天線幾何結(jié)構(gòu)和抽運激光脈沖寬度。光電半導(dǎo)體材料Si、GaAs、GaP等是產(chǎn)生超短激光脈沖的關(guān)鍵部件，隨著對光電導(dǎo)半導(dǎo)體的深入研究，已經(jīng)開發(fā)了很多適宜做光電導(dǎo)開關(guān)的材料，在選用制作超快半導(dǎo)體材料時，必須考慮以下因素:(1)載流子壽命短;(2)載流子遷移率高;(3)材料的暗態(tài)電阻率大。

2.光整流產(chǎn)生太赫茲波

發(fā)生在鹽酸氫鉀中的光整流效應(yīng)最早用于產(chǎn)生兆赫級的輻射，當時使用0.1um的激光脈沖。后來由于LiTaO3中Cu++光整流效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，這種方法的應(yīng)用范圍擴展到了皮秒級領(lǐng)域。進一步的發(fā)展使這種方法已經(jīng)可以應(yīng)用于各種THz實驗。光整流效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)，是利用飛秒激光脈沖(脈沖寬度在亞皮秒量級)和非線性介質(zhì)(如ZnTe)相互作用而產(chǎn)生低頻電極化場，此電極化場在晶體表面輻射出太赫茲波。

光整流效應(yīng)發(fā)生在非中心對稱材料中。我們可以將光整流效應(yīng)看做是電光效應(yīng)的逆過程:入射超短激光脈沖同過非線性極化系數(shù)偶合而合成出近似直流(其實為THz，但相對于光的頻率來說，頻率非常低)的極化。

電磁波的振幅強度和頻率分布決定于激光脈沖的特征和非線性介質(zhì)的性質(zhì)。常用非線性介質(zhì)有ZnTe和GaAs。另外，DAST很有潛力，它是非線性效應(yīng)最強的物質(zhì)之一。

3.光抽運太赫茲波氣體激光器

直接產(chǎn)生THz波的激光器，是利用一臺CO2激光器的遠紅外輸出光抽運一個充有甲烷(CH4)、氨氣(NH3)、氰化氫(HCN)或是甲醇(CH3OH)等物質(zhì)的低氣壓腔，由于這些氣體分子轉(zhuǎn)動能級間的躍遷頻率處于太赫茲波段范圍，所以可以形成太赫茲波受激輻射，通過選擇合適的工作介質(zhì)、尋找新的能級躍遷譜線，就可以基本覆蓋整個太赫茲波段。這種方法可以達到高達上百瓦的輸出功率，且已實現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)品化，并被美國國家航天局應(yīng)用于大氣衛(wèi)星觀測。雖然這種技術(shù)被證實切實可行，但這種輻射源不是連續(xù)可調(diào)的，而且需要大的氣體腔和能量輸入，在體積、重量、效率、可靠性、維護性、運行壽命，以及頻率穩(wěn)定性方面仍需要改進。

四、基于電子學方法的太赫茲波輻射源

隨著太赫茲科學技術(shù)的迅速發(fā)展，利用真空電子學產(chǎn)生太赫茲輻射的研究工作取得了很大的進步，其中包括真空電子器件、電子回旋脈塞、自由電子激光、Cherenkov輻射，甚至使用存儲環(huán)加速器來產(chǎn)生高亮度太赫茲輻射。真空電子器件如反波管、擴展互作用振蕩器、繞射輻射器件等的工作頻率已接近或達到1THz。回旋管可望在1THz產(chǎn)生千瓦級的脈沖輸出，平均功率可達幾十瓦以上。自由電子激光是獲得極高能量太赫茲發(fā)射的另一種方法。在自由電子激光中，一束高速自由電子在真空中傳輸并通過具有空間變化的強磁場，使得電子束振蕩并發(fā)射光子，反射鏡用來把光子限制在電子束內(nèi)，這里電子束為激光的增益介質(zhì)，這種系統(tǒng)的造價昂貴，體積巨大，同時需要精密儀器，但是可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖形式的發(fā)射，發(fā)射功率比通常使用的光電導(dǎo)天線高出六個數(shù)量級以上。電子激光器和氣體激光器是目前可以獲得太赫茲最高輸出功率的方法。

五、利用非線性差頻產(chǎn)生太赫茲波

目前光學方法產(chǎn)生THz波輻射主要集中在光參量振蕩器(OPO)及差頻產(chǎn)生(DFG)方法來獲得這一波長范圍內(nèi)的激光。但是OPO輸出光能量較低，光束質(zhì)量比較差;而DFG相對于OPO和化學激光器，由很多優(yōu)點，如可調(diào)范圍靈活、全固化結(jié)構(gòu)緊湊、輸出能量高等。目前，常采用鈮酸鋰作為DFG的非線性晶體材料，它的非線性系數(shù)大，損傷閾值較高。

六、差頻方法產(chǎn)生太赫茲波的進展

差頻方法產(chǎn)生太赫茲輻射的最大優(yōu)點是沒有閾值，實驗設(shè)備簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。與前面提到的光整流與光電導(dǎo)方法相比，它可以產(chǎn)生較高功率的太赫茲波輻射，且不需要價格昂貴的抽運裝置。差頻方法產(chǎn)生太赫茲波的技術(shù)關(guān)鍵是要獲得功率較高、波長比較接近的抽運光和信號光(兩波長相差一般不大于10nm)，以及具有較大的二階非線性差頻晶體。這樣，利用差頻方法甚至可以得到比太赫茲波參量振蕩器［11－13］更寬的太赫茲波調(diào)諧范圍，但其存在著轉(zhuǎn)換效率低下的缺點。

早在上世紀20世紀60年代中期，國外就有人利用一臺銣玻璃激光器得到1.059～1.073波長輸出，通過利用一塊石英晶體進行非線性差頻，得到大約3THz的輸出，但輸出效率很低，到上世紀20世紀70年代，R.L.Aggarwal等在80K的溫度下，用兩個單模連續(xù)CO2激光器在GaAs晶體中通過非共線差頻，在0.3～4.3THz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了連續(xù)調(diào)諧的遠紅外輻射，線寬小于100kHz。而K.H.Yang等用一臺雙頻率輸出的染料激光器，在LiNbO3、ZnO等晶體中利用共線和非共線相位匹配，均實現(xiàn)了在0.6～5.7THz連續(xù)可調(diào)遠紅外輻射，峰值功率達到200mW。近年來，日本科學家T.Tanabe等利用Nd:YAG激光器(輸出波長為1064nm)和該激光器三倍頻輸出所抽運的BBO晶體光學參量振蕩器(BBO－OPO)的輸出分別作為抽運源和信號光，采用GaP晶體作為差頻晶體，利用非線性相位匹配配置，通過改變兩入射光的夾角，實現(xiàn)了0.5～3THz的太赫茲波調(diào)諧輸出，并在1.3THz處達到480mW的峰值功率輸出。

七、全固態(tài)激光器泵浦的準相位匹配差頻THz波輻射源

利用差頻過程獲得THz波的最大優(yōu)點是沒有閥值，且試驗設(shè)備很容易搭建容易實現(xiàn)差頻轉(zhuǎn)換，但DFG的轉(zhuǎn)換效率很低，其關(guān)鍵是要獲得波長相近的泵浦光和信號光，下面以1319nm和1338nm雙波長運轉(zhuǎn)的高功率、準連續(xù)全固態(tài)Nd:YAG激光器為泵浦源，泵浦周期為16.455μmPPLN，實現(xiàn)準相位匹配差頻過程，獲得0.31THz的輻射源。

近年來，THz技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，現(xiàn)在需要把THz技術(shù)從試驗研究盡快轉(zhuǎn)向?qū)嵱没?jù)專家預(yù)測，在生物醫(yī)學的各項應(yīng)用中，THz技術(shù)最有可能率先取得重大突破。在這一領(lǐng)域的發(fā)展，在很大程度上取決于應(yīng)用物理學、生物學、生命科學等交叉學科的研究廣度和深度。因此，開發(fā)和利用這項技術(shù)，需要綜合各個領(lǐng)域的知識，積聚更多的研究力量。

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