太赫茲波輻射源的研究進展

王 葛，施明登，韓清華，孟洪兵，曾德斌

(塔里木大學 信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引 言

太赫茲波指的是一種頻率范圍在0.1～10.0 THz之間，且波長為30 μm～3 mm的電磁波。它處于電磁波譜中的毫米波段與遠紅外波段之間的位置，低頻區(qū)與毫米波相交，高頻區(qū)與紅外波相交，是一種處于電子學與光子學之間的學科前沿技術。太赫茲波擁有許多獨特的性質，如該波段光子的低能性、脈沖太赫茲頻譜所具備的寬頻譜性、能對非極性質料有極強的穿透特征和很好的相干性與瞬態(tài)性等，這些優(yōu)良的特征也使得太赫茲波在情報、通信、醫(yī)學、安檢、軍事和天文觀察等范疇獲得了廣泛應用。

在20 世紀末，相關研究人員對電磁波譜中太赫茲波段的研究一直處于瓶頸階段。與同一時期發(fā)展得比較成熟的微波以及光波技術相比，科研工作者對太赫茲波這個頻段范圍內的性質特征略識無幾。因此，科研人員也將該頻段的電磁波命名為“太赫茲空白”(THz Gap)[1-3]。從2000年開始，得益于各類產生太赫茲波輻射器件的快速發(fā)展，太赫茲波輻射源在功率、效率、穩(wěn)定性與可靠性等方面的性能都在不同程度上得到了改善。隨著社會需求的不斷提高，如何產生更高功率和更高效率的太赫茲源也成為了目前從事相關工作科研人員最為核心的研究方向之一。

本文分別以氣體、固體和液體作為激發(fā)介質，從不同角度總結概括了在不同條件下產生太赫茲波輻射源的研究進展，以及影響太赫茲波產生效率的相關因素。

1 以氣體作為太赫茲激發(fā)介質

將超短激光與空氣介質相互作用產生出太赫茲波的常用方式有3種，分別為單色激光與氣體介質相互作用、激光經過晶體倍頻之后形成的雙色激光與氣體介質相互作用和單雙色激光在偏置電場作用下與氣體介質相互作用。本文將從這3種常用的激光與空氣介質相互作用產生出太赫茲波輻射源的方式出發(fā)，撰訴不同因素影響下產生太赫茲波輻射的研究進展。

1.1 以空氣為激發(fā)介質的單雙色激光激發(fā)等離子體研究進展

1.1.1 單色激光脈沖與空氣介質作用

激光激發(fā)空氣介質電離產生出太赫茲波輻射源的研究最早開始于單色激光，其理論解釋模型主要為有質動力模型和切倫科夫模型，下文將對這兩個理論模型進行詳細的介紹。

1993年，Hamster等人[4]首次實現(xiàn)了從氣體等離子體中產生出太赫茲波輻射，并通過有質動力模型來解釋太赫茲輻射的產生機制；2004年，Sprangle等[5]研究人員通過實驗驗證了在激光與氣體激發(fā)介質相互作用的過程中形成的有質動力會和產生的帶電粒子相互碰撞而產生出等離子體電流，等離子體電流會在激光的脈沖包絡急速波動的同時，對外輻射出包含有太赫茲波段的電磁波，但這種方法產生的太赫茲輻射較弱,不能滿足我們實驗以及生產運用的需求；Méchain等人[6-7]利用激光激發(fā)空氣電離成絲的方法，在切倫科夫模型作用下產生了太赫茲輻射。最近，相關研究小組還結合單色激光與雙色激光的共同作用，實現(xiàn)了激光波長對產生太赫茲波輻射的調節(jié)，證明了產生的太赫茲能量和太赫茲波偏振會隨著激發(fā)激光波長的增加而增加[8]。

在等離子體外加偏置電場可提高空氣中等離子體產生太赫茲波的效率。從2000年起，L?ffler等人[9]便通過對激光激發(fā)空氣介質形成的等離子體兩端施加一偏置電場，極大地提高了等離子體產生的太赫茲波強度，該太赫茲輻射主要源自于泵浦激光場的有質動力作用；2017年，Kang等人[10]采用單色激光聚焦空氣形成的等離子體，對由有質動力驅動運動的電子和離子施加偏壓，加速了電子和離子的運動速度,有效地增強了太赫茲的輻射功率。由于等離子體的形成需要使用很強的激光，但大多數(shù)飛秒激光振蕩器僅具有pJ至數(shù)十nJ的脈沖能量。為了降低激光激發(fā)能量的問題，研究人員引入了單色激光激發(fā)空氣形成微等離子體的研究。最近，Zhang等人將激光束聚焦在空氣環(huán)境中，通過高數(shù)值孔徑(Numerical Aperture，NA)物鏡聚焦于氣體介質中形成微等離子體，并在有質動力作用下輻射出了太赫茲波[11]。該發(fā)現(xiàn)有望成為太赫茲微納米等離子體技術的關鍵技術引領，并繼續(xù)推進眾多太赫茲波傳感和光譜學的發(fā)展。實驗裝置如圖1所示。

圖1 微等離子體產生的太赫茲波輻射示意圖[11]

1.1.2 雙色激光脈沖與空氣介質作用

為了進一步提高太赫茲輻射效率，研究人員引入了另一種改良方法，采用雙色激光激發(fā)空氣介質。

為了能更好地對雙色激光激發(fā)空氣等離子體產生太赫茲輻射的微觀動力學進行解釋，2007年，Kim 等人[17]提出了一種光電流模型主要用來解釋微觀動力學機制產生出太赫茲波輻射的模型，論文中將雙色激光激發(fā)的空氣等離子體進一步劃分為離子和自由電子兩部分,并通過模擬和計算證明了通過電離產生的自由電子在電場中運動產生的非對稱電流是產生太赫茲波輻射的主要原因；2016年，Xie等人[18]在改進二維光電流模型的基礎上進一步研究了雙色激光的不同偏振夾角對產生的太赫茲波輻射的影響；最近，Li等人[19]還在瞬態(tài)光電流模型的基礎上對激光波長對雙色激光激發(fā)空氣介質產生強太赫茲波輻射的影響進行了研究，結果表明，在給定的激光強度和持續(xù)時間內，產生的太赫茲振幅將會隨著激光波長的增大而增大。

除了上面介紹的單色和雙色激光激發(fā)空氣等離子體的研究以外，Lu等人[20]還進行了3色激光與等離子體相互作用的研究，采用可調諧的3色激光脈沖來調制空氣等離子體產生的太赫茲光譜實驗，從理論上證明了，通過3色激光脈沖中1個單色激光波長的正負失諧，可以極大地擴展太赫茲光譜范圍，尤其是可以產生出高光譜頻率的分量。

1.2 以氮氣作為產生太赫茲的激發(fā)介質

除了激光激發(fā)空氣等離子體外，氮氣作為另一種很好的激發(fā)介質也被相關科研工作者進行了探索研究。從激光脈沖相位對產生太赫茲波的影響出發(fā)，研究激發(fā)脈沖的純相位脈沖調制對于太赫茲波的產生機制非常有用。2009年，研究人員[21]采用通過飛秒脈沖整形技術調節(jié)激發(fā)激光的方法來對激光激發(fā)氮氣介質產生的太赫茲波進行了研究，該研究證明，通過對傅里葉空間使用一系列周期性矩形光學相位變換能夠產生出具有可變分離脈沖的太赫茲脈沖串。

1.3 以稀有氣體作為產生太赫茲的激發(fā)介質

通過激光激發(fā)稀有氣體形成等離子體中產生的太赫茲波輻射具有比空氣更高的能量轉換效率。2007年，Chen等人[22]便開展了激光激發(fā)惰性氣體介質電離形成等離子體的實驗，在四波混頻模型下對輻射的太赫茲波進行研究，實現(xiàn)了太赫茲波到光脈沖能量的轉換效率達到1.5×10-4。研究人員主要通過增加輸入光脈沖能量并使用低電離能的氣體的方法，以此來提高氣體中的太赫茲產生效率。然而，該方法受限于太赫茲能量增長飽和效應[23-26]。

最近，Zhao等人[27]提出了一種有效的由雙色飛秒激光在四波混頻模型下激發(fā)不同等離子體氣體介質(氦氣、氖氣、氬氣、氮氣、氪氣和氙氣)產生太赫茲波的波長縮放機制，并在實驗中繪出了太赫茲脈沖能量與被測輸入脈沖能量、氣體種類、氣體壓力和泵浦波長之間的函數(shù)。實驗表明，由相對較長波長的激光器引起的較重氣體中的等離子體更可能產生更高能量的太赫茲波。

1.4 氣體介質輻射出太赫茲波的物理機制

為了更深入地去理解氣體介質產生太赫茲輻射的原理，針對兩種激光激發(fā)氣體形成等離子體產生太赫茲波輻射的方法，解釋不同機制所蘊含的物理意義以及相應的理論模型，有助于我們更好地開展相關的研究工作，為后續(xù)的研究工作提供一個理論基礎。

1.4.1 四波混頻模型

2000 年，Cook 等人[12]首次實現(xiàn)了通過雙色激光激發(fā)空氣電離產生出太赫茲波輻射，并通過四波混頻模型解釋了其產生的物理機制；2006年，Zhang等人[14]進一步將四波混頻中產生的太赫茲電場幅值公式簡化為

(1)

式中：ETHz、Eω和E2ω分別為太赫茲電場強度、基頻光幅值和倍頻光幅值；i、j、k和l分別為太赫茲波、倍頻光、基頻光和基頻光所對應的偏振態(tài)；χ3為三階非線性張量；θ為基頻與倍頻光之間的相位差。

1.4.2 有質動力模型

單色激光經過透鏡聚焦在空氣中會產生光致電離，聚焦點處的空氣介質被電離后在形成等離子體的同時會產生有質動力[4]。

有質動力的表達式為

(2)

1.4.3 光電流模型

2007年，Kim等人[18]為了進一步解釋等離子體產生太赫茲波輻射的微觀動力學模型，提出了瞬態(tài)光電流模型，并對瞬態(tài)光電流模型中非對稱相位組成的雙色激光脈沖激發(fā)空氣介質產生的相干太赫茲波輻射源進行了解釋。雙色激光組成的激光電場可表示為

(3)

式中：E1和E2分別為基波ω和2次諧波2ω場的幅度；T0為基頻光所對應的脈寬。

激光與空氣作用會發(fā)生光致電離，其電離類型有多種，當激發(fā)激光所含能量較高且超過了預定的電離閾值時，則主要為隧道電離與越過墊壘電離。具體為何種電離類型常用克爾參數(shù)[28]來判定，表達式為

(4)

式中：γ為克爾系數(shù)；Uion為氣體分子對應的電離勢能；UP為有質動力勢。

1.4.4 切倫科夫模型

Amico等人[29]認為，電子會以平行于激光傳播的方向以光的傳播速度運動，產生出瞬時的切倫科夫輻射，在電子運動過程中輻射出太赫茲波。當激光功率高于一個臨界值時，激光會電離氣體介質形成等離子體絲，其臨界值的計算公式為[30]

(5)

式中：n0和n2分別為在飛秒激光頻率下的光克爾常數(shù)與氣體介質的折射系數(shù)；λ為激光的波長。對電磁波對應的能量譜密度進行公式推導可得[22]：

(6)

式中，L、γ、c、ρ0和jz(ω)分別為等離子體的長度、歐拉常數(shù)、光速、等離子體的半徑和電子電流對應的傅里葉頻譜。

1.5 氣體介質中存在的問題與挑戰(zhàn)

在通過激光與空氣介質相互作用產生出太赫茲波的研究中，影響激光激發(fā)氣體介質產生太赫茲輻射效率的因素有多種。從激光的角度來看，激光所含的脈沖能量、基波二次諧波相位關系、外加偏壓的大小、激光入射到氣體介質的角度問題、激光的波長以及少周期脈沖激光等都會影響太赫茲波輻射源的產生效率。對激發(fā)介質而言，氣體介質分子本身的電離能、電子的漂移速度和等離子體產生效率等會影響產生的太赫茲輻射效率。其他外部條件，如氣體介質所處的壓強、對氣體等離子體外加偏壓、環(huán)境濕度和水分含量等因素都會對太赫茲波的產生效率造成不同程度的影響。如何針對上述影響因素，找到更加合理的研究方法，使得產生的太赫茲波效率進一步得到提高，有待研究工作者的進一步研究探索。最近，在氣體激發(fā)介質中，通過將激光束聚焦在氣體介質中形成微等離子體產生出太赫茲波的方法表現(xiàn)出了更高的轉換效率，該方法有望進一步推進眾多氣體介質產生太赫茲波的發(fā)展。

2 以固體作為太赫茲激發(fā)介質

2.1 激光激發(fā)金屬與非金屬材料介質輻射太赫茲的研究進展

在激光與固體介質相互作用產生太赫茲輻射的研究中，相關科研工作者也開展了大量的探索實驗，并取得了許多突破性的成就。本文將分別就激光激發(fā)金屬與非金屬介質產生的太赫茲輻射這兩個模塊論述其在太赫茲領域的研究進展。

2.1.1 以無機非金屬作為激發(fā)介質產生太赫茲

光電導天線作為在產生太赫茲波輻射中被大量使用的一種器件，在實際生產實驗中，能產生高功率的太赫茲源。光電導天線產生太赫茲波受多種因素影響，下文將從不同角度介紹光電導產生太赫茲波的方法以及研究進展。

從光電導效應中兩天線電極之間的間距出發(fā)，光電導天線中兩電極間距離的大小對產生的太赫茲波的功率和帶寬都有影響。2008年起，Truchin等人便陸續(xù)開展了很多關于超強激光與大孔徑光電導天線相互作用的研究[31-33]，對激光激發(fā)大孔徑光電導間隙中產生的非平衡等離子體進行自洽分析，證明了強激光激發(fā)條件下會對太赫茲飽和場的非線性吸收效應產生重要影響。

傳統(tǒng)超快光電導體的低量子效率限制了光電導太赫茲探測器的響應度和探測靈敏度。為此，Berry等人[34-35]便結合光電導天線與等離子體接觸電極結構的方法進行了實驗研究，提出了一種基于等離子體接觸電極光柵的光電導太赫茲發(fā)射器，通過減少光電導體接觸電極的光生載流子傳輸路徑，實現(xiàn)了超快和高量子效率轉化；最近，Burford等人[36]報道了一種等離子體納米盤薄膜太赫茲光電導天線的設計和制作，實驗采用了低溫生長的砷化鎵(GaAs)薄膜和位于底部的蝴蝶結天線組合的方式來確保實驗裝置的可行性，與傳統(tǒng)器件相比，用等離子體薄膜器件發(fā)射的太赫茲脈沖峰-峰電場值實現(xiàn)了大約5倍的提高，等離子體薄膜器件具有約為5 THz的可測量太赫茲帶寬。

對于非金屬材料基底介質材料而言，其載流子壽命、載流子運動速度和電阻率等因素都會對產生的太赫茲波輻射有一定影響。銦砷化鎵(InGaAs)材料因具有高遷移率、良好的抗輻射特性和高導電性等優(yōu)點，而成為一種常用的固態(tài)光電導天線基低激發(fā)介質材料。2012年，Xu等人利用低溫生長的InGaAs光電導天線在1.55 μm的脈沖寬度激勵下產生了太赫茲波[37]，其光譜范圍高達3 THz，功率噪聲比為60 dB；Dietz等人[38]采用波長為1 030 nm的激光激發(fā)由低溫生長的Be摻雜InGaAs材料制成的光導天線，同樣獲得了帶寬高達3 THz的光譜，并進行了差分透射實驗，與1 550 nm的激光激發(fā)相比，驗證了差分傳輸信號具有更多的載流子捕獲時間。GaAs作為光電導效應產生太赫茲輻射的另一種常用的非金屬激發(fā)介質基底材料，其擁有高頻率、高輸出功率、高電子遷移率、低噪聲以及線性度良好等優(yōu)良特性；2017年，Ríos 等人報道了采用低溫生長制造的GaAs薄膜制成的光電導天線[39-40]，實驗結果表明，低溫生長的GaAs薄膜光電導天線與傳統(tǒng)塊狀低溫生長的GaAs光電導天線相比，其具有更高的太赫茲輻射功率；最近，Gorodetsky等人[41]提出了一種自組裝的砷化銦(InAs)/GaAs量子點光電導天線，在波長為1 140 ～1 250 nm范圍內，溫度為13 ～400 K內對其光電導率進行研究，研究表明，光電導峰的位置和強度僅取決于溫度，基態(tài)光電導峰值不會受外部電場引起的光譜漂移，且激發(fā)激光的峰值會持續(xù)存在。

采用不同粗糙結構的非金屬介質基底材料作為激發(fā)介質能夠縮減電荷載流子的壽命，從而避免了不必要的歐姆損耗和焦耳熱對產生的太赫茲波輻射的影響。2017年，Collier等人[42]便提出了基于磷化銦材料表面不同粗糙程度的光電導太赫茲發(fā)射器；最近，Rahmati等人[43]針對光電導天線產生的太赫茲波存在低有效輻射功率的缺點，提出了一種有缺陷的光子晶體(Defective Photonic Crysta，DPC)基板，通過比較DPC基板上太赫茲天線的輻射性能與傳統(tǒng)固體基板的輻射性能，證明了所提技術可以在很寬的頻率范圍內顯著提高太赫茲光電導天線的輻射效率和方向性。

2.1.2 以金屬作為激發(fā)介質產生太赫茲

金屬表面由于電子密度的不連續(xù)性，能夠引起強烈的非線性效應，在光整流產生的太赫茲波輻射中是一種很理想的激發(fā)介質材料。在通過光整流效應產生出太赫茲波輻射的研究中，激發(fā)激光所具有的能量和固體激發(fā)介質基底的二階極化率等因素決定了產生出的太赫茲波的能量以及轉化效率。本文將從光整流效應中的激光激發(fā)金屬基底介質出發(fā)，論述激光激發(fā)金屬基底介質對產生的太赫茲波效率的影響與研究進展。2004 年，相關研究人員報道了來自金屬表面光學整流的太赫茲輻射[44]，這一發(fā)現(xiàn)為研究金屬表面的非線性現(xiàn)象打開了一條新的途徑；2005年，Kadlec等人[45]進一步通過時域太赫茲光譜系統(tǒng)研究了超強的飛秒激光脈沖聚焦在薄金膜上進行光學整流所產生的太赫茲輻射，實驗表明，在金屬表面上由光學整流產生的太赫茲場能在表面下方延伸到幾百納米的區(qū)域探測到，其所產生的太赫茲場比二次諧波產生的太赫茲場高出一個數(shù)量級；2014年，Mironov等人[46]從理論上研究了光整流效應中飛秒激光脈沖傾斜入射在金屬表面產生太赫茲輻射的特性；2014年，Dai等人[47]進一步采用同軸相位補償器合成的非對稱光場，對光整流效應中激光激發(fā)金屬薄膜產生的太赫茲波輻射進行了研究，該實驗小組使用雙色激光場激發(fā)激光，并通過一個同軸相位補償器[48]進行相位控制，以不對稱的方式驅動薄金屬中的電子。最近，Kern等人[49]提出了一種用于模擬太赫茲輻射激光與金屬相互作用的有限差分時域法中包含的子網格來解決目前難以模擬金屬與電磁太赫茲輻射相互作用的困難，該文獻中提出了一種獨特的子網格方案，可以準確地描述這種交互，同時保持最小的計算成本，開辟了探索激發(fā)應用的方式。

2.2 固態(tài)介質中兩種產生寬帶太赫茲的機理

固態(tài)介質作為激發(fā)介質產生太赫茲波輻射源有多種方法，例如光整流、光泵浦、光電導和光參量等。而光電導與光整流是兩種最常見的激光與固態(tài)激發(fā)介質相互作用產生太赫茲輻射源的方法，本節(jié)主要就這兩種方法產生的太赫茲波輻射展開討論。

2.2.1 光電導效應

光電導天線產生太赫茲輻射[50]原理可以大致描述為：在光電導材料的表面鋪上金屬電極制成偶極天線結構，并通過偶極天線對光電導材料施加一個外置偏壓。載流子將會在施加外部偏置電場的作用下加速向正極方向運動，并形成瞬變的光電流，其電流密度可表示為

(7)

式中：Ne和Np分別為光生自由電子和空穴密度；e為電子和空穴的電荷量；μe為電子的遷移率；Eb為偏壓電壓的場強。忽略空穴的影響，電流密度可簡化為

(8)

由麥克斯韋方程可將太赫茲波輻射源的場強ETHz與電流密度J(t)間的關系表示為

(9)

由上式可知，由于兩者成正比關系，提高偏壓電場強度Eb能夠得到更高的太赫茲波功率強度。另外，載流子的密度與激發(fā)激光的強度也成正比關系，增大激發(fā)激光的能量可以提高載流子的密度，最終達到提高太赫茲波輻射效率的目的。

2.2.2 光整流效應

光整流效應[51]通常指具有高能量的單色激發(fā)激光進入到非線性介質材料時，介質內的二階非線性效應會產生出一個極化的直流場，同時在非線性介質內部形成一種直流電場的現(xiàn)象。在帶寬極窄的激發(fā)激光中，頻率接近的兩個成分之間頻差接近為零的差頻過程被稱為光整流過程。激光與二階非線性介質相互作用時，具有同頻率的兩個光子差頻得到的直流電場可表示為

(10)

式中：P為電極化強度；x(2)為非線性二階極化率；E()為入射光波的電場強度；E*()為E()的共軛。激光脈沖激發(fā)晶體介質時，由極化電場產生的極化電流強度Q(t)與極化電場強度P的偏導成正比例關系：

(11)

2.3 固體介質中存在的問題與挑戰(zhàn)

通過激光與固態(tài)金屬或非金屬材料等激發(fā)介質相互作用，并在光電導或光整流效應中輻射出太赫茲波的研究中，科研工作者們已取得了很多成果與突破，但仍然存在許多急需解決的問題和挑戰(zhàn)。對光電導效應產生的太赫茲輻射而言，所產生的太赫茲波輻射的功率和轉化效率仍然偏低，需要我們不斷優(yōu)化各種不同影響的參數(shù)來提高其輸出功率和效率，或設計出更合理的通過光電導產生太赫茲波的方法。同樣，在光整流產生太赫茲的非線性作用過程中，參與光整流作用的各頻率成分的電磁波之間的相位匹配是影響光整流效率的重要因素。因此光整流過程的相位匹配條件和晶體的相干長度應被作為重點考慮的因素。

3 以液體作為太赫茲激發(fā)介質

水等液體介質對太赫茲波具有很強的吸收性。這也使得大多數(shù)科研工作者避開了從水等液體介質中產生太赫茲輻射源的研究。但仍然有極少數(shù)的科研工作者對水這類液體激發(fā)介質進行了不斷的嘗試，相關實驗小組充分利用液體中極其有效的光譜展寬等優(yōu)點，通過大量的實驗探索，解決了水等液態(tài)介質對太赫茲波吸收性的這一必須面臨的挑戰(zhàn)，為今后我們開展太赫茲波輻射研究提供了一條新的探索思路。本文將從激光與水膜相互作用和激光與液體介質成絲這兩個方面對產生的太赫茲輻射進行詳細概述。

3.1 以水膜作為激發(fā)介質產生太赫茲

最近，Jin等人成功克服了水對太赫茲波的吸收性這一難題，實現(xiàn)了激光激發(fā)水膜介質而產生太赫茲輻射的研究[52]。實驗中研究小組設計了一種厚度約為200 μm的水膜來克服水對產生的太赫茲波的吸收，并對比了從水這種液體介質中產生的太赫茲波輻射與從空氣介質中產生的太赫茲波輻射，發(fā)現(xiàn)從水中比從空氣介質中產生的太赫茲波輻射強度強1.8 倍。這一重大突破為未來產生太赫茲波輻射的新途徑開辟了一條新的探索之路。其實驗裝置如圖2所示。

圖2 水膜產生太赫茲波的實驗裝置示意圖[52]

3.2 以液體介質成絲產生太赫茲

采用飛秒激光器與各種目標[53-55]的相互作用來開發(fā)緊湊、相干和可調諧的太赫茲波輻射源，可以通過對激光參數(shù)的控制輸入[56-58]來實現(xiàn)對產生太赫茲波的能量和波長的縮放。其中，研究者們采用氣體中的雙色激光電離氣體介質成絲化產生太赫茲是比較常用的機制[59]。與此同時，科研工作者還把對各種對聚焦介質電離成絲狀來輻射出太赫茲的研究擴展到了激光與液體介質相互作用。

最近，Dey等人[60]報道了通過超短激光束激發(fā)液體介質成絲化產生的寬帶太赫茲波輻射，對乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷、去離子水和二硫化碳等各種液體介質進行了實驗研究。實驗采用激光激發(fā)空氣介質成絲作為對比，對于28 mJ的激光能量，激發(fā)丙酮介質獲得了約為76 μJ的寬帶太赫茲能量，這是從空氣介質中激發(fā)獲得的太赫茲能量的大約20倍，如此高的太赫茲能量將產生MVcm-1量級的電場，這也為今后研究各種非線性太赫茲光譜的應用打開了大門。

3.3 液體介質中存在的問題與挑戰(zhàn)

通過水等液體介質產生太赫茲波輻射源是一種十分新穎的方法，水這類新的激發(fā)介質擁有比氣體介質更高的三階非線性極化率、更高效的光譜展寬、更高的激光脈沖轉化效率以及更低的信噪比等優(yōu)良特性。目前還沒有確切的理論來解釋從水中產生太赫茲波的機理，還有待相關科研工作者們不斷地探索研究。但鑒于其優(yōu)異的特性，預計未來從水這種激發(fā)介質中產生太赫茲波輻射源的方法將成為一種廣泛使用的獲取太赫茲波源的方法。

4 結束語

本文分別以固體、液體和氣體這3種不同類型的激發(fā)介質為出發(fā)點，從不同角度綜述了所產生的太赫茲波輻射相關的研究進展。在對激光激發(fā)氣體等離子體產生太赫茲輻射的概述中，詳細介紹了氣體等離子體中常用的4種物理模型(四波混頻、有質動力、光電流和切倫科夫模型)，并以這4種模型為基準分別報道了3種氣體激發(fā)介質(空氣、氮氣和稀有氣體)產生機理下所產生的太赫茲輻射的研究進展。在固體激發(fā)介質中，首先從金屬與非金屬這兩類固態(tài)激發(fā)介質出發(fā)，從不同角度介紹了固態(tài)介質中所產生太赫茲輻射的相關研究進展，然后對光電導和光整流這兩種常用的產生太赫茲波輻射的物理機制進行了詳細介紹，并總結了光電導與光整流效應中面臨的問題與挑戰(zhàn)。水是目前一種全新的產生太赫茲輻射的途徑，但水中產生太赫茲波的研究目前還處于初級階段，需要進一步地研究才能對許多現(xiàn)象給出合理的解釋。不管從液體介質、氣體或固體的角度出發(fā)，最終都是以研制出更高功率和更高效率等優(yōu)良特性的太赫茲輻射源為追求的目標。隨著太赫茲輻射功率的不斷提高，太赫茲技術將會更廣泛地投入到實際的生產和生活中去。