太赫茲波遠(yuǎn)程探測(cè)的最新研究進(jìn)展

吳四清，劉勁松，汪盛烈，胡 兵

(1.華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室/光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢430074;2.湖北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖北咸寧437100)

1 引言

太赫茲波是指振蕩頻率在1012量級(jí)，位于電磁波譜中微波和紅外之間特定波段的電磁波。該波段電磁波具有很多獨(dú)特的性質(zhì)［1－3］，在許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。如:太赫茲波對(duì)許多非極性物質(zhì)和介電材料具有良好的穿透性，可對(duì)不透明物體進(jìn)行成像［4－7］，是超聲波和X射線成像技術(shù)的有效補(bǔ)充;太赫茲光子能量為4.1 meV，低于各種化學(xué)鍵能，是X射線光子能量的107～108分之一，太赫茲輻射不會(huì)導(dǎo)致光致電離而破壞被檢物質(zhì)，非常適用于針對(duì)人體或其他生物樣品的活體無(wú)損檢測(cè);太赫茲波段包含了豐富的化學(xué)和物理信息，大多生物大分子和極性分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)躍遷都處在這一波段，根據(jù)這些指紋譜［8］，太赫茲光譜成像技術(shù)能夠分辨物體的形貌，鑒別物體的組成成分，方便分析物體的物理化學(xué)性質(zhì)，為緝毒、反恐、排爆等提供相關(guān)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。目前太赫茲波的探測(cè)方法主要有光導(dǎo)天線探測(cè)［9］、電光晶體探測(cè)［10］和空氣探測(cè)［11］。光導(dǎo)天線探測(cè)法利用太赫茲電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)探測(cè)激光脈沖在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)載流子形成光電流，根據(jù)光電導(dǎo)天線中所產(chǎn)生的光電流與驅(qū)動(dòng)它的太赫茲電場(chǎng)成比例現(xiàn)象，間接探測(cè)太赫茲電場(chǎng)。該方法適用于低頻太赫茲波的探測(cè)，有很好的信噪比和靈敏度，但探測(cè)帶寬窄。電光晶體探測(cè)法是將探測(cè)光與太赫茲輻射同時(shí)作用在一塊電光晶體上，通過(guò)測(cè)量載有太赫茲信息的探測(cè)光束偏振態(tài)的改變，得到太赫茲電磁輻射脈沖的電場(chǎng)信息。該方法適用于高頻太赫茲的探測(cè)，具有響應(yīng)時(shí)間短、探測(cè)帶寬大、信噪比和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)?？諝鈾z測(cè)法是最近出現(xiàn)的一種方法，該方法通過(guò)探測(cè)由太赫茲波產(chǎn)生的二倍頻光的強(qiáng)度隨泵浦和探測(cè)激光脈沖之間的時(shí)間延遲關(guān)系，得到太赫茲脈沖光強(qiáng)隨時(shí)間的變化。該方法所探測(cè)的光信號(hào)頻率不同于探測(cè)脈沖本身的頻率，因而可以避免背景光的干擾，能探測(cè)到很弱的信號(hào)，探測(cè)頻譜寬度可以超過(guò)8 THz，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)30 dB。

然而，由于大氣中水氣對(duì)太赫茲波具有很強(qiáng)的吸收(大于100 dB/km)特性［12］，太赫茲波在空氣中傳播的距離非常有限，上述常規(guī)的探測(cè)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)太赫茲波的遠(yuǎn)程檢測(cè)，導(dǎo)致其在國(guó)土安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及天文學(xué)等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用受到阻礙。最近，美國(guó)倫斯特理工學(xué)院太赫茲研究中心，提出了太赫茲增強(qiáng)熒光(THz－REEF，Terahertz－Radiation－Enhanced Emission of Fluorescence)［13－15］和太赫茲增強(qiáng)聲波(TEA，Terahertz－Enhanced－Acoustics)［15－17］兩種太赫茲遠(yuǎn)程探測(cè)方法。以下篇幅將對(duì)這兩種方法做詳細(xì)的介紹。

2 THz－REEF和 TEA太赫茲波遠(yuǎn)程探測(cè)方介法紹

最近，美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院太赫茲研究中心的張希成小組在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)飛秒激光脈沖在空氣中聚焦后會(huì)將大氣分子電離，形成空氣等離子體，并輻射熒光和聲波。與此同時(shí)，若將一束太赫茲波照射到該等離子體，能夠增強(qiáng)熒光(THz－REEF)和聲波的強(qiáng)度(TEA)，并將太赫茲波的信息加載到熒光和聲波上。由于熒光和聲波在大氣環(huán)境下傳播損耗較小，因此可以通過(guò)在遠(yuǎn)距離探測(cè)熒光和聲波來(lái)獲得太赫茲波的信息，這樣就能夠間接的實(shí)現(xiàn)太赫茲波遠(yuǎn)程探測(cè)。

圖1是張希成小組設(shè)計(jì)的THz－REEF遠(yuǎn)程太赫茲波探測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖［12］。由波長(zhǎng)800 nm的飛秒激光脈沖Eω經(jīng)BBO晶體倍頻后產(chǎn)生波長(zhǎng)400nm的倍頻激光脈沖E2ω，基頻和倍頻組成的雙色激光在空氣中被聚焦。在焦點(diǎn)處，激光脈沖的光強(qiáng)在1013～1014W/cm2量級(jí)，激光引起的多光子電離(mult iphoton ionization)［18－19］過(guò)程將氣體分子電離，在空氣中形成等離子體。空氣等離子體中含有氮?dú)怆x子和氧氣離子組成的正電荷，也含有自由電子組成的負(fù)電荷。在等離子體中，被激發(fā)的氣體分子和氣體離子會(huì)以紫外熒光的形式輻射能量。采用單色儀和光電倍增管組成的熒光探測(cè)系統(tǒng)，可以在較遠(yuǎn)距離處探測(cè)到等離子體發(fā)射的熒光譜。

圖1 THz－REEF太赫茲波遠(yuǎn)程探測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Fig.1 THz－ REEF experimental schematic for THz waves remote detection

對(duì)于THz－REEF現(xiàn)象潛在的物理機(jī)制，可以做如下解釋。當(dāng)太赫茲電場(chǎng)和等離子體相互作用時(shí)，太赫茲電場(chǎng)會(huì)使電子的運(yùn)動(dòng)加速，從而使其獲得更高的動(dòng)能。在這些高能量的電子的一系列非彈性碰撞作用下，氮?dú)夥肿覰2會(huì)從高位里德伯態(tài)(highlying Rydberg states)演變成氮?dú)怆x子。當(dāng)大量的氮?dú)怆x子形成后，先和N2結(jié)合生成，然后通過(guò))+N2形成激發(fā)態(tài)的氮?dú)夥肿覰2(C3Ππ)。然后，在接下來(lái)的幾納秒之內(nèi)，處于激發(fā)態(tài)的氮?dú)夥肿訒?huì)由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，同時(shí)向外發(fā)射出紫外熒光。由此可見(jiàn)，太赫茲電場(chǎng)能夠通過(guò)加速電子導(dǎo)致電離，從而引起熒光增強(qiáng)。

TEA太赫茲遠(yuǎn)程探測(cè)過(guò)程如圖2所示［16］。由時(shí)間相差tR的基頻光(800 nm)和倍頻光(400 nm)組成的雙色飛秒激光脈沖在空氣中被聚焦后，將空氣電離形成等離子體，同時(shí)向周?chē)椛渎暡?，等離子體輻射的聲波可使用高靈敏度麥克風(fēng)探測(cè)到。經(jīng)間隔時(shí)間tD，將一束太赫茲波以與激光束同軸的方向照射到等離子體上，同時(shí)探測(cè)此時(shí)等離子體輻射的聲波。對(duì)比附加太赫茲波前后的聲波，得到聲波增強(qiáng)的信息，可以獲得太赫茲波的變化規(guī)律。對(duì)于TEA現(xiàn)象的物理機(jī)制，根據(jù)現(xiàn)有的理論可解釋為:飛秒激光激發(fā)大氣等離子體，形成自由電子群，入射的太赫茲波“加熱”了電子群，提高了電子碰撞粒子(包括離子和沒(méi)有電離的分子、原子)的能量，“加熱”了的電子群可以有更多的能量傳遞給周?chē)牧Ｗ樱岣吡说入x子體的聲壓，進(jìn)而提高了聲波的強(qiáng)度。

圖2 TEA太赫茲波遠(yuǎn)程探測(cè)示意圖Fig.2 TEA schematic for THz waves remote detection

3 結(jié)語(yǔ)

一直以來(lái)，由于水蒸氣對(duì)太赫茲波的強(qiáng)吸收，太赫茲波在大氣中傳播時(shí)的衰減高于100 dB/km，遠(yuǎn)距離寬帶太赫茲波的探測(cè)被認(rèn)為不可能，最近出現(xiàn)的兩種方法使遠(yuǎn)程太赫茲波探測(cè)成為可能。本文在介紹了三種常規(guī)的太赫茲波探測(cè)方法的基本原理、物理過(guò)程及其所具有的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了THz－REEF和TEA兩種太赫茲波遠(yuǎn)程探測(cè)技術(shù)，就兩種技術(shù)的遠(yuǎn)程太赫茲波探測(cè)過(guò)程和探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)其內(nèi)在的物理機(jī)制做了解釋。遠(yuǎn)程太赫茲波探測(cè)為研究強(qiáng)光和物質(zhì)相互作用中的等離子體的檢測(cè)提供了一種有效方法［21］，也為太赫茲技術(shù)在安全檢測(cè)、環(huán)境控制等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更廣闊的應(yīng)用空間。

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