太赫茲波及其產(chǎn)生方法的研究

王磊 李飆 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院ATR實(shí)驗(yàn)室，長沙 410073

太赫茲波及其產(chǎn)生方法的研究

王磊 李飆 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院ATR實(shí)驗(yàn)室，長沙 410073

闡述了太赫茲波的主要特征、太赫茲輻射產(chǎn)生的各種方法及其探測方法，重點(diǎn)介紹了產(chǎn)生THz輻射的光學(xué)方法和電子學(xué)方法。光學(xué)方法包括遠(yuǎn)紅外光泵浦、利用超短激光脈沖產(chǎn)生THz輻射以及利用非線性頻率變換過程產(chǎn)生THz輻射；電子學(xué)方法包括THz量子級連激光器、利用自由電子的THz輻射源、基于高能加速器的THz輻射源和電子學(xué)振蕩器頻率轉(zhuǎn)換。

太赫茲波；遠(yuǎn)紅外光泵浦；非線性頻率變換；THz量子級連激光器；振蕩器頻率轉(zhuǎn)換Abstract The mainly characteristic, generation method and detecting means of THz wave are introduced. The optical technique and electronical technique to generate THz wave is emphasized. The optical technique includes far infrared pumped, using ultrashort light laser pulse and nonlinear frequency transform;while the electronical technique includes THz quantum cascade lasers, using free electron, high power accelerator and oscillator frequency transform.Key words THz wave; far infrared pumped; nonlinear frequency transform; THz quantum cascade lasers; oscillator frequency transform

引言

THz(1012)波的發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了現(xiàn)有物理學(xué)電磁波譜中毫米波和紅外線波段之間的一段空白[1]。太赫茲、亞太赫茲波段的頻率為0.1～10 THz，波長為3mm～30μ m。其相對位置是低端連接毫米波，高端接遠(yuǎn)紅外區(qū)，即位于半導(dǎo)體電子器件和光子器件之間的波段。若以應(yīng)用頻率范圍的載體為坐標(biāo)，則太赫茲波“空隙”的位置位于“雷達(dá)”與“人”之間。

由于技術(shù)上的原因，這段介于毫米波和遠(yuǎn)紅外光線之間的波段長時間沒有被人涉足。近年來，隨著飛秒(10-15s)激光技術(shù)的發(fā)展和成熟，為發(fā)展太赫茲波的研究提供了有效的驅(qū)動力。這段位于毫米波和紅外之間太赫茲波光譜具有極大的吸引力，其研究領(lǐng)域涉及物理、化學(xué)、生物、材料科學(xué)和藥學(xué)的邊緣科學(xué)。太赫茲波兼有連續(xù)波(CW)和脈沖兩種形式，其脈沖周期數(shù)可減少至1周期，峰值功率可高達(dá)10MW。

在太赫茲波領(lǐng)域中存在著無限的機(jī)會，例如在太赫茲波的電磁波頻率范圍內(nèi)，其基本周期約為1ps，尤其適合許多重要領(lǐng)域的研究：完全受激態(tài)原子的里德伯(Rydberg)態(tài)軌道的電子頻率是太赫茲波；小分子的旋轉(zhuǎn)頻率是太赫茲波；室溫下氣態(tài)分子的碰撞時間約1ps等。因此，人們正在努力降低進(jìn)入研究太赫茲波的門檻。

1.太赫茲波的主要特征

THz波的頻率范圍處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)域，在長波方向，它與毫米波有重疊；在短波方向，它與紅外線有重疊。在頻率上，THz波處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)。由于所處位置特殊，THz波表現(xiàn)出許多不同于其他電磁輻射的性質(zhì)：(1)THz光子具有較低的能量(4.1meV@1THz)，比X射線的光子弱107～105倍，不會在生物組織中引起光損傷及光化電離。 (2)THz脈沖的典型脈寬在亞皮秒量級，可以對包括液體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、生物樣品等在內(nèi)的各種材料進(jìn)行亞皮秒、飛秒時間分辨的瞬態(tài)光譜研究，還可以通過取樣測量技術(shù)有效地抑制背景輻射噪音的干擾。(3)許多物質(zhì)大分子，如生物大分子的振動和旋轉(zhuǎn)頻率都在THz波段，所以在THz頻段表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收和諧振。不同分子對于THz波的吸收和色散特性是與分子的振動和轉(zhuǎn)動能級有關(guān)的偶極躍遷相聯(lián)系的，而分子的偶極躍遷猶如人的指紋千差萬別。物質(zhì)的THz光譜包含豐富的物理和化學(xué)信息，使得THz波具有類似指紋的唯一性。因此可通過光譜分析實(shí)現(xiàn)對分子的識別。(4)THz波是具有量子特性的電磁波，具有類似微波的穿透能力，同時也具有類似光波的方向性。THz波能以很小的衰減穿透很多對于可見光和紅外線不透明的物質(zhì)，如陶瓷、脂肪、布料、木材、紙張、碳板等材料。(5)與傳統(tǒng)的光學(xué)方法僅僅測量出某一頻率光的強(qiáng)度不同，THz波的時域光譜技術(shù)直接測量THz波的時域電場。時域數(shù)據(jù)的傅立葉變換給出了THz波的大小和相位。因此，無需使用Kramers.Kronig色散關(guān)系，就可以提供介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。這使測量的與THz波相互作用的介質(zhì)折射率和吸收系數(shù)變得更精確。(6)THz脈沖通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻率可以覆蓋從GHz到幾十THz的范圍，便于在大范圍里分析物質(zhì)的光譜特性。

2.太赫茲波產(chǎn)生的方法

根據(jù)太赫茲輻射產(chǎn)生的機(jī)理，可以將其輻射源分為光學(xué)方法和電子學(xué)方法兩大類。

2.1 光學(xué)方法產(chǎn)生THz輻射

2.1.1 基于遠(yuǎn)紅外光泵浦產(chǎn)生THz輻射

1970年，美籍華裔學(xué)者張道源等人第一次報道了光泵亞毫米波激光器，其激光介質(zhì)采用的是甲基氟CH3F，泵浦光源為連續(xù)可調(diào)諧的Co2激光器[2]。隨后，人們相繼發(fā)現(xiàn)了許多新的激射分子和新的譜線。據(jù)Douglas于1989年的統(tǒng)計，僅連續(xù)波工作的光泵亞毫米波激光譜線就有4218條，包括95種分子，波長從30～

2.1.2 利用超短激光脈沖產(chǎn)生THz輻射

大多數(shù)寬帶蝴射源都是基于不同材料的超短激光脈沖受激發(fā)射原理，如光電導(dǎo)偶極天線技術(shù)、光學(xué)整流效應(yīng)、半導(dǎo)體表面技術(shù)、等離子體振蕩、非線性傳輸線等。

2.1.2.1光導(dǎo)天線技術(shù)

20世紀(jì)90年代初，D.H.Auston和D Griscbkogsky等人用光電導(dǎo)偶極天線技術(shù)產(chǎn)生了THz輻射[6]。該方法是目前產(chǎn)生和探測THz波最常用的方法之一。它利用光子能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的超短脈沖激光泵浦半導(dǎo)體材料(如低溫生長的GaAs等)，使其內(nèi)部產(chǎn)生電子一空穴對，這些載流予在外加偏置電場作用下做加速運(yùn)動形成一個瞬態(tài)光電流，從而輻射出低頻THz脈沖。

2.1.2.2光整流技術(shù)

1992年，S.L.Chuang等人和X.C.Zhang等人分別報道了半導(dǎo)體表面的光整流效應(yīng)，并研究了光整流過程的空間對稱”[7]。光整流技術(shù)是利用電光晶體作為非線性介質(zhì).使皮秒量級的超短激光脈沖通過ZnTe電光晶體等非線性介質(zhì)進(jìn)行二階非線性光學(xué)過程或高階非線性光學(xué)過程來產(chǎn)生低頻電極化場，由此電極化場輻射出THz波，如圖1所示。其中激光脈沖特征和非線性介質(zhì)特性決定了THz波的振幅強(qiáng)度和頻率分布。

圖1 光整流效應(yīng)

2.1.2.3半導(dǎo)體表面技術(shù)

半導(dǎo)體表面技術(shù)，其基本原理是當(dāng)一個光子能量大于半導(dǎo)體帶隙的超短光脈沖照射半導(dǎo)體表面時，入射的光載流于在半導(dǎo)體表面耗盡并被表面電場加速，從而產(chǎn)生超短瞬態(tài)電流，進(jìn)而輻射出THz頻率的電磁波。產(chǎn)生的THz波頻率可通過改變激發(fā)脈沖的入射角進(jìn)行調(diào)整。

1990年，X.C.Zhang等報道了由飛秒激光脈沖激發(fā)的光生自由載流子被半導(dǎo)體表面電場加速而產(chǎn)生THz輻射[8]，這是除了光電導(dǎo)天線之外的另一種由瞬態(tài)光電流產(chǎn)生脈沖THz輻射的方式。這種方法需要入射光有較高的峰值功率.可獲得寬帶的THz波輸出。目前，很多半導(dǎo)體，如InP、GaAs、GaSb、InSb、CdTe，CdSe、Ge等都可以通過此技術(shù)產(chǎn)生THz輻射。

2.1.3 利用非線性頻率變換過程產(chǎn)生THz輻射

THz參量振蕩器的原理是基于鈮酸鋰(LiNbo3)晶體同時具有紅外和拉曼活性的A1最低對稱光學(xué)軟模的色散特性，近紅外的泵浦光子激發(fā)出一個頻率相近的近紅外Stokes光子，此Stokes光子的頻率為泵浦光子與振動模之間的差頻。同時，由于物質(zhì)電子和振動的共同作用結(jié)果，導(dǎo)致非線性參量過程產(chǎn)生了THz輻射。日本K.Kawase領(lǐng)導(dǎo)的科研小組從上個世紀(jì)90年代中期開始，在前人研究的基礎(chǔ)上，對此項技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。1996年，K.Kawase等人利用調(diào)Q Nd：YAG激光器泵浦LiNb03晶體參量振蕩器，并在LiNb03晶體側(cè)面刻光柵，其耦合效率比使用切角耦合方法提高了250倍[9]。為了進(jìn)一步提高耦合效率，改善THz波的光束質(zhì)量，提高輸出穩(wěn)定性，他們還分別采用單Si棱鏡和陣列棱鏡耦合輸出THz波，耦合效率提高了8倍。為了提高THz波頻率的調(diào)諧速度，他們將以往旋轉(zhuǎn)非線性晶體的角度發(fā)展為改變泵浦光的入射角度，這樣在較短的時間內(nèi)能夠獲得1～2THz的THz波連續(xù)調(diào)諧輸出。

2.2 電子學(xué)方法產(chǎn)生THz輻射

2.2.1 THz量子級連激光器

THz量子級連激光器體積小、能耗低、便于集成，是人們希望的一種THz波輻射源。1994年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的量子級連激光器(QCL)將固體半導(dǎo)體激光器技術(shù)延伸到THz波段。量子級連激光器是只有電子參與的單極型激光器。電子從較高的能量狀態(tài)躍遷到較低的能量狀態(tài)，發(fā)射出光子，其激射波長取決于由量子限制效應(yīng)決定的量子阱兩個激發(fā)態(tài)之間的能量差，與半導(dǎo)體材料的能隙無關(guān)。一般使用的材料體系是GaAs/AIGaAs和InGaAs/InAIAs/InP。但長期以來，THz量子級連激光器在實(shí)驗(yàn)方面都沒有獲得實(shí)質(zhì)性突破。直到2002年，意大利NEST-INFM和英國劍橋大學(xué)在Nature上報道了THz QCL的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中THz波頻率4.4THz、溫度50K、脈沖功率20mW[10]。此后，很多國家采用不同的半導(dǎo)體材料相繼開展了THz QCL的研究工作。2004年，美國MIT研制的THz QCL的工作頻率為2.1THz，連續(xù)波功率lmW，溫度93K，脈沖功率20mW，溫度137K[11]。近幾年來，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所也已經(jīng)開展了此方面的研究，并取得了一定的成果。

2.2.2 利用自由電子的THz輻射源

近幾年來，利用真空電子學(xué)方法產(chǎn)生THz輻射的研究取得了很大的進(jìn)展，其中包括真空電子器件、電子迪旋脈塞以及自由電子激光器等。真空電子器件如返波管(BWO)、耿氏(Gunn)振蕩器、布洛赫(Bloch)振蕩器、擴(kuò)展互作用振蕩器(EIO)、繞射輻射器件(Orotron)等的工作頻率已接近或達(dá)到1THz。電子遛旋管有望在1THz以上產(chǎn)生千瓦級的脈沖輸出，平均功率可達(dá)幾十瓦以上。自由電子激光器(Free electron laser, FEL)是一種傳統(tǒng)的THz輻射源。由粒子加速器提供的高速電子流通過偏轉(zhuǎn)磁鐵導(dǎo)入一個扭擺磁場，電子在洛倫茲力作用下加速運(yùn)動，通過自發(fā)輻射產(chǎn)生THz電磁波。

2002年，Nature上報道了由美國Brookhaven、Lawrence Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室以及Jefferson實(shí)驗(yàn)室提出的一種電子學(xué)和光子學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生THz的新方法[12]。該方法利用飛秒激光照射GaAs晶體，發(fā)射出電子束，再用加速器將電子束加速到40MeV，電子在磁場作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從而發(fā)射出相干THz輻射。采用該方法可以獲得20W的連續(xù)THz輻射。

2005年4月7日，中國工程物理研究院宣布我國首臺基于自由電子激光的THz輻射源建成并出光，THz輻射波長為115 μm(2.6THz)，譜寬l%[13]。該成果標(biāo)志著我國第一臺可調(diào)諧相干THz光源建成出光，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

2.2.3 基于高能加速器的THz輻射源

2005年，在美國Honolulu召開的THz輻射源研討會上報道了用靜電加速器的FEL，可以在0.15～6THz產(chǎn)生1kW的準(zhǔn)連續(xù)波輸出[14]。這一研究結(jié)果是迄今為止最重要的成果之一。

2.2.4 電子學(xué)振蕩器頻率轉(zhuǎn)換(倍頻)

頻率上轉(zhuǎn)換可以通過一系列的平面GaAs肖特基二極管倍增器來實(shí)現(xiàn)。該方法是一種能夠產(chǎn)生低功率(<100μW)連續(xù)波THz輻射源的方法。第一臺工作在1THz以上的平面肖特基倍增器通過使用薄膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，在室溫下能產(chǎn)生80μW的1.2THz輻射。使用同樣的技術(shù)還制成了三倍增器，在2.7THz時輸出功率為lμ W。THz倍增器結(jié)構(gòu)緊湊并且高度集成，是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ男⌒突⒏咝实腡Hz輻射源。

3.THz波的探測

THz探測器主要分為四大類：(1)輻射量熱計(Bolometer)和熱釋電探測器。該裝置使用方便，但只能做非相干檢測，不能獲得相干波的相位信息，響應(yīng)速度一般比較慢。(2)電子探測器，包括混頻器和差頻檢測。該裝置能進(jìn)行相干檢測，獲得相位信息，其特點(diǎn)是成本較低，結(jié)構(gòu)緊湊。(3)光電導(dǎo)偶極天線及其陣列，特點(diǎn)是其暗流和噪聲較低。(4)用飛秒激光取樣的電光晶體，其特點(diǎn)是具有極寬的頻譜響應(yīng)和非常高的測量信噪比。如，在ZnTe晶體中很容易實(shí)現(xiàn)THz波與探測光(λ=800nm)的相互匹配，使探測光的群速度與THz波的相速度相等，是目前使用最多的一種電光晶體。

4.結(jié)論

THz波輻射是介于可見光和毫米波之間、輻射頻率在10[12]Hz附近的一種電磁輻射。凝聚態(tài)物質(zhì)的聲子頻率、大分子的振蕩頻率又正好落在THz波段，在很多相關(guān)的特征譜中，包含著非常豐富的物理和化學(xué)信息。人們在物理、材料、生物、信息等領(lǐng)域，采用THz波輻射對研究對象進(jìn)行掃描成像和光譜檢測等的應(yīng)用研究，并對THz波及其相關(guān)技術(shù)、THz波主要特征、THz波輻射產(chǎn)生的方法和THz波的探測方法等進(jìn)行了大量有意義的工作。

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Research on THz wave and its generation method

Wang Lei Li Biao
College of electronic Science and Engineering, ATR Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha, 410073

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.015 3030μm，覆蓋了整個THz波段。1999年，E.M.Telles等人報道了Co2激光泵浦CH3oH，又發(fā)現(xiàn)了8條新THz譜線，波長范圍48.8～453.7μm[3]。2004年，L.F.L.Costa等人用Co2激光泵浦CH3oD分子，發(fā)現(xiàn)了17條新THz激光譜線[4]。2005年，T.J.Garrod等人對光泵CHD20H輻射的11條激光譜線進(jìn)行了精確測量[5]。光泵THz激光器已成為目前比較成熟的THz信號源之一，并且實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

王磊(1984-)，男，漢族，陜西西安人，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，工程碩士，主要從事THz產(chǎn)生和探測技術(shù)的研究。