寬帶太赫茲波的產(chǎn)生與探測方法研究

摘 要：目前由于部分物質(zhì)在3THz以下無特征吸收峰，因此研究高于3THz以上的寬帶太赫茲波具有重要的意義。本文基于四波混頻模型，利用BBO晶體產(chǎn)生二次諧波，通過讓雙色激光共同激勵空氣形成等離子體細絲，從而輻射出寬帶太赫茲波。轉(zhuǎn)動BBO晶體的角度，讓入射基頻激光與BBO晶體光軸形成不同的夾角，測量不同夾角時的太赫茲輻射強度。利用碲化鋅（ZnTe）晶體和磷化鎵（GaP）晶體進行電光取樣，獲得的太赫茲波帶寬分別是2.5THz和4.2THz左右。結(jié)果表明：GaP晶體探測到的太赫茲波帶寬比ZnTe晶體探測時寬，GaP晶體可以實現(xiàn)寬帶探測，但是GaP晶體探測到的太赫茲信號強度明顯不如ZnTe晶體。此外，太赫茲信號強度隨著BBO晶體角度變化而變化，周期為90°。

關(guān)鍵詞：太赫茲；寬帶；四波混頻；BBO晶體；雙色激光

中圖分類號：O432.1

文獻標識碼：A

太赫茲技術(shù)作為一種新興的光譜和成像技術(shù)[1]，因其獨特的性質(zhì)，使其在醫(yī)學、通信、軍事、無損檢測、食品檢測和安全與反恐等多個重要領(lǐng)域有著巨大的應用前景[2-3]。目前由于部分物質(zhì)在3THz以下無特征吸收峰，為了充分研究物質(zhì)的特性，發(fā)揮太赫茲波的優(yōu)勢，人們不斷地朝著寬帶太赫茲的產(chǎn)生和探測方向前進。

產(chǎn)生太赫茲波的方式有多種，一般采用光整流法和光電導天線法。其中光整流是一個二階非線性過程，它產(chǎn)生的太赫茲波帶寬寬，但是功率小；光電導天線是利用電場驅(qū)動由超快激光脈沖激發(fā)的光生自由載流子來輻射太赫茲波，它產(chǎn)生的太赫茲波功率高，但是帶寬窄。光整流法和光電導天線法都無法實現(xiàn)遠距離產(chǎn)生太赫茲波[4]。空氣產(chǎn)生太赫茲波是一種相對較新的太赫茲波產(chǎn)生方法，它是利用激光擊穿空氣形成等離子體，等離子體會向外輻射太赫茲波，這種方式不僅可以遠距離產(chǎn)生太赫茲波，而且產(chǎn)生的太赫茲波的帶寬寬、功率高，所以本次試驗采用空氣產(chǎn)生太赫茲波。

為了更好地實現(xiàn)寬帶太赫茲波的產(chǎn)生，本文將利用雙色激光激勵空氣產(chǎn)生太赫茲輻射。其中BBO晶體在產(chǎn)生太赫茲輻射過程中是至關(guān)重要的，因此本文將對BBO晶體的角度與太赫茲電場強度進行研究，尋找其中的關(guān)系，并確定最佳的BBO晶體角度。同時，為了有效地探測寬帶太赫茲波，本文將利用兩種晶體探測空氣產(chǎn)生的太赫茲波。

1 雙色激光產(chǎn)生太赫茲波的原理和實驗裝置

1.1 雙色激光產(chǎn)生太赫茲波的原理

超短的雙色激光與空氣相互作用能產(chǎn)生寬帶太赫茲波輻射，但是相關(guān)機制還不能完全被解釋清楚，存在多種理論，其中大家比較認可的是四波混頻理論，即兩個基頻光光子與一個倍頻光光子進行差頻得到一個太赫茲波光子。四波混頻過程的實質(zhì)就是三階非線性過程，它與空氣的三階非線性極化率有著直接的聯(lián)系。一般空氣的三階非線性系數(shù)比較小，為了產(chǎn)生高強度、寬帶寬的太赫茲波信號，需要利用亞毫焦及其以上能量的飛秒脈沖來電離空氣，從而增加空氣的三階非線性系數(shù)[5]。四波混頻產(chǎn)生的太赫茲電場可以表示為公式（1）的。

其中是空氣的三階非線性系數(shù)，是倍頻光的電場強度，是基頻光的電場強度，是基頻光與倍頻光之間的相位差。對公式（1）進行推導，得到如下結(jié)果：

其中代表基頻光的光強，代表倍頻光的光強。從公式（2）可以看出，太赫茲波峰值場強與基頻光的脈沖能量成正比，與倍頻光脈沖能量的平方根成正比，與基頻光和倍頻光之間相位差的余弦成正比。

1.2 實驗裝置

本次實驗中使用的激光器是SpectraPhysics公司的高性能鈦寶石再生放大器Spitfire Ace，它輸出激光的中心波長為800nm，脈沖寬度為35fs，能量為4.6mJ，重復頻率為1kHz。系統(tǒng)光路如圖1所示。激光器輸出的激光經(jīng)過分束鏡（BS）后，被分成兩路激光，能量高的那一路作為泵浦光（Pump），經(jīng)過延遲平移臺（MLS）和聚焦透鏡L1后到達β-BBO晶體，由于β-BBO晶體的二階非線性效應，將會產(chǎn)生400nm倍頻光（藍色線）。產(chǎn)生的 400nm倍頻光和800nm基頻光（紅色線）共同作用于透鏡L1焦點處的空氣，形成等離子體Plasma，然后等離子體向外輻射出太赫茲波（綠色線）。等離子體后方放置一塊聚四氟乙烯（PTFE）板，用來阻擋高能量的基頻光和倍頻光，起到保護太赫茲透鏡組（TPX）的作用，同時讓太赫茲波通過。能量相對較低的那一路光作為探測光（Probe），由于它的能量達到了1.56mJ，會對后面部分器材造成一定的傷害，因此利用衰減器（Attenuator）對它的能量進行一定的控制。透過硅片（Si）的太赫茲波和經(jīng)硅片反射的探測光共線入射到電光晶體（EO）上，太赫茲電場會改變電光晶體的折射系數(shù)，使晶體具有雙折射的性質(zhì)，線偏振的探測光在太赫茲電場作用下，偏振態(tài)變?yōu)闄E圓偏振，最后利用平衡探測器（Detector）來測量探測光的偏振態(tài)變化，從而得到太赫茲時域信號。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 BBO晶體角度對太赫茲電場強度的影響

轉(zhuǎn)動用于固定BBO晶體的圓盤角度，即改變BBO晶體的光軸與入射激光的夾角，從而改變基頻光和倍頻光的光強。由公式（2）可知，這會影響等離子體輻射出的太赫茲波強度。本次實驗以10°為步長轉(zhuǎn)動圓盤角度，即讓BBO晶體的光軸與入射激光的夾角每次變化10°，利用Avantes公司的多通道光譜儀分別測量不同夾角時，入射的800nm激光經(jīng)過BBO晶體后產(chǎn)生的400nm倍頻光和剩余的800nm基頻光的光強，得到相應夾角時的兩種光強度。然后再利用1mm厚的ZnTe晶體探測相應夾角時的太赫茲波形，并提取出太赫茲波的電場強度，將BBO晶體的光軸與入射激光處于不同夾角時的基頻光和倍頻光光強以及太赫茲波電場強度繪制在同一個圖形中，如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著BBO晶體角度從0°旋轉(zhuǎn)到360°時，400nm倍頻光的變化趨勢與800nm基頻光的變化趨勢幾乎相反，兩種激光強度呈周期變化，這符合負單軸BBO晶體的倍頻原理。同時，隨著BBO晶體角度在360°范圍內(nèi)變化，太赫茲場強出現(xiàn)四個峰值點，分別是60°、150°、240°和330°。不難發(fā)現(xiàn)，在360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動BBO晶體圓盤，即轉(zhuǎn)動BBO晶體光軸角度時，太赫茲電場強度呈周期變化，周期為90°。BBO晶體角度在110°或290°附近時，由于二次諧波產(chǎn)生的效率很低（幾乎為零），等離子體向外輻射太赫茲波強度幾乎為零；當BBO角度在20°或200°附近時，基頻光和倍頻光都具有一定的光強，且此時BBO晶體的倍頻效率最大，實現(xiàn)了I類相位匹配，然而此時的太赫茲電場卻接近為零。由公式（2）可知，導致此時太赫茲電場強度為零的原因是三階非線性系數(shù)。當基頻光和倍頻光的偏振方向垂直時，為零。因此我們推斷，當BBO角度在20°或200°附近時，產(chǎn)生的倍頻光的偏振方向與剩余基頻光的偏振方向垂直，從而使輻射的太赫茲電場為零。

2.2 ZnTe晶體和GaP晶體探測太赫茲波

隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，寬帶太赫茲波的探測受到越來越多人的關(guān)注。目前人們應用比較多的探測方式是電光取樣法，其采用的晶體一般為ZnTe晶體，然而由于ZnTe晶體的材料特性限制，它最高只能探測到3THz左右的太赫茲波。為了驗證空氣產(chǎn)生了高于3THz的太赫茲帶寬和研究空氣產(chǎn)生太赫茲波的特點，我們利用ZnTe晶體和GaP晶體進行太赫茲波的探測，對兩種晶體探測的結(jié)果進行比較及分析。

將圖1中的BBO晶體固定到最佳的60°位置，并把電光晶體架上安裝1mm厚的<110>碲化鋅（ZnTe）晶體，利用平衡探測器去測量被調(diào)制后的探測光，得到太赫茲時域波形圖，如圖3（a）中黑線所示。從圖3（a）中可以得到，ZnTe晶體探測時的太赫茲波信號的峰峰值為。

將上面的ZnTe晶體換成0.5mm厚的<110>GaP晶體，并優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)GaP晶體探測太赫茲，得到的太赫茲時域波形，如圖3（a）中紅線所示。從圖3（a）可以看出，GaP晶體探測時的太赫茲波信號的峰峰值為。

2.3 ZnTe晶體與GaP晶體探測結(jié)果的比較及分析

圖3為ZnTe晶體和GaP晶體在時域和頻率中的探測結(jié)果比較。通過兩種晶體分別對同一個太赫茲信號進行探測，測得兩種晶體探測下太赫茲波的帶寬和峰值強度。從圖3（a）可以看出，GaP晶體探測時的太赫茲波峰值比ZnTe晶體探測時的太赫茲波峰值小很多，這主要是由于GaP晶體的非線性效應不及ZnTe晶體造成的。整理出兩種晶體的相關(guān)參數(shù)和探測結(jié)果，如下表所示，其中包含了晶體厚度d、半波電場、探測到的太赫茲帶寬和太赫茲峰峰值。由公式可以推算出上述結(jié)果，其中與成正比，是太赫茲電場在電光晶體中導致的最大相位延遲，為相位延遲，為太赫茲電場強度，可以計算出GaP晶體探測時的太赫茲波峰值比ZnTe晶體探測時的太赫茲波峰值小，這符合實際測量結(jié)果。同時，由圖（b）的頻域圖可知，ZnTe晶體探測到的太赫茲帶寬大約為2.5THz，GaP晶體探測到的太赫茲帶寬大約為4.2THz，這主要是由于晶體的橫光學聲子頻率影響造成的。當太赫茲波與電光晶體相互作用時，相應頻段的太赫茲波會與晶體的光學聲子發(fā)生共振吸收而衰減，造成探測帶寬的限制。而GaP晶體的橫光學聲子頻率高于ZnTe晶體的橫光學聲子頻率，因此GaP晶體可以實現(xiàn)更高帶寬的太赫茲波探測。

3 結(jié)論

本次實驗利用雙色激光激勵空氣形成等離子體，等離子體向外輻射出了寬帶太赫茲波。采用ZnTe晶體探測太赫茲波時，帶寬達到了2.5THz左右，高于一般光電導天線產(chǎn)生的2THz帶寬；采用GaP晶體探測太赫茲脈沖時，太赫茲帶寬可以達到4.2THz左右，實現(xiàn)了晶體探測高于3THz的寬帶太赫茲波，為人們在高于3THz以上的太赫茲波段研究物質(zhì)特性提供了一種方法。將BBO晶體在360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，太赫茲信號強度出現(xiàn)了四個峰值點，分別是60°、150°、240°和330°，太赫茲信號強度成90°周期變化，這為以后進一步研究BBO晶體在太赫茲光路中的作用打下了基礎。

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作者簡介：張前成（1991—），男，漢族，重慶開州人，西南科技大學，碩士在讀，主要從事太赫茲時域光譜技術(shù)方面的研究。