光電導(dǎo)THz源及其研究進(jìn)展

摘 要：THz科學(xué)技術(shù)是近些年來發(fā)展的一門新學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)是THz波的產(chǎn)生和探測。本文介紹了光電導(dǎo)THz源的產(chǎn)生方法、探測方法、國內(nèi)外研究情況，并簡要分析了今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：THz波；光整流；THz輻射

中圖分類號：O441.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）26-0365-01

1 引 言

太赫茲波（THz wave）是指頻率在0.1～10THz（1THz=1012Hz）之間的電磁波，在電磁波譜中位于微波段和遠(yuǎn)紅外波段之間。用不同的物理量來考察THz波，1THz波的周期為1ps、波長為0.3mm，光子能量為4.1meV。

從人們對電磁波的認(rèn)識來看，THz波的長波方向是微波、毫米波而且早已被廣泛應(yīng)用于無線通信等領(lǐng)域；短波方向是紅外波同樣已在探測、成像等方面有著廣泛的應(yīng)用。THz波段則在20世紀(jì)80年代前因為缺乏高效的輻射源和探測器而限制于天文學(xué)和光譜分析方面的研究與應(yīng)用，人們對THz波的性質(zhì)的了解并不深入。80年代后，由于超快光電子技術(shù)和低尺度半導(dǎo)體技術(shù)的，為THz波提供了穩(wěn)定的發(fā)射源，使得THz科技取到了革命性的突破[1]。THz的應(yīng)用領(lǐng)域也從原來的天文學(xué)、光譜分析領(lǐng)域迅速的拓展到了生物醫(yī)學(xué)、無損檢測、安全檢查、基礎(chǔ)科學(xué)和通訊等領(lǐng)域，尤其在通信方面，THz科技的應(yīng)用方面具有巨大的潛力[2～3]。

2 產(chǎn)生與探測技術(shù)

2.1 產(chǎn)生技術(shù)

在THz波產(chǎn)生方法中，有耿氏震蕩方法、差頻方法、和頻方法。產(chǎn)生器件注入光電導(dǎo)開關(guān)、耿氏振蕩器等，其中光電導(dǎo)開關(guān)是通過利用超短激光脈沖照射光電半導(dǎo)體材料，利用超短激光脈沖的特點(diǎn)，入射光子被半導(dǎo)體吸收，發(fā)生躍遷，吸收光子的粒子增大動能，在半導(dǎo)體表面加速運(yùn)動柄不斷撞擊中性原子，產(chǎn)生大量的自由電子一空穴對。自由電子在外加電場或內(nèi)建電場的作用下加速運(yùn)動，在運(yùn)動過程中不斷地復(fù)合和產(chǎn)生，在復(fù)合的過程中輻射出光子，在半導(dǎo)體材料表面形成光電流，從而產(chǎn)生向外輻射的THz輻射脈沖。

2.2 探測技術(shù)

THz波探測技術(shù)是THz科學(xué)研究中的關(guān)鍵技術(shù)，從相干性分析，THz波的探測方式通常可以分為相干探測和非相干探測[4]。兩者最基本的區(qū)別是：相干探測可以同時獲得THz波的振幅和相位信息，而非相干探測只能獲得THz波的強(qiáng)度。

在THz波的探測中，THz源的輸出功率較低，又有熱背景噪聲輻射的影響，這就要求探測器要具有很高的靈敏度和頻譜分辨率。目前，常用的THz探測技術(shù)有：①隨著超快光電導(dǎo)技術(shù)發(fā)展而來的THz時域光譜技術(shù)；②從傳統(tǒng)的紅外波段的熱敏型探測器發(fā)展而來的量熱探測技術(shù)；③從電子學(xué)領(lǐng)域拓展的外差式探測技術(shù)。它們都有各自的應(yīng)用場合，各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面對它們進(jìn)行簡要介紹：①THz時域光譜技術(shù)：THz時域光譜（Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）是一種相干測量技術(shù)[5]。②量熱探測技術(shù)：量熱探測技術(shù)是從傳統(tǒng)的紅外波段的熱敏型探測發(fā)展而來的，主要的探測器有量熱輻射計、熱釋電探測器和高萊盒，屬于非相干探測。③外差式探測：外差式探測也稱差頻檢測，可用于連續(xù)THz波的探測，需要利用本地振蕩器和混頻器實現(xiàn)，與直接探測相比可以提高探測靈敏度嗎，比如肖特基勢壘二極管。光電導(dǎo)天線和電光晶體探測器都屬于主動探測方式并且能夠獲得很高信噪比的THz波形，而且屬于相干測量，但是工作頻率范圍較窄；高萊探測器和熱釋電探測器都屬于直接探測技術(shù)，可以測量各種光譜的輻射，但是靈敏度較低；量熱輻射計不能在常溫下工作，這在很大程度上限制了它的應(yīng)用；外差探測器的靈敏度非常高，但是探測系統(tǒng)復(fù)雜，探測效果受到本地振蕩器的影響。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

THz波具有很多優(yōu)越的特性，目前在光譜成像、雷達(dá)通信等領(lǐng)域已有豐富的應(yīng)用，有著非常重要的學(xué)術(shù)、應(yīng)用價值，美歐等發(fā)達(dá)國家都高度重視其發(fā)展。有報道稱美國現(xiàn)已實現(xiàn)能夠產(chǎn)生大功率THz波的輻射源，美國倫斯勒理工學(xué)院在THz波層析成像以及將THz波應(yīng)用于生化樣品的識別等方面也取得了重大的科研成果。德國的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)實現(xiàn)THz共振結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無標(biāo)記DNA的識別，意大利和英國實現(xiàn)了全固態(tài)THz波源。在我國，雖然THz研究起步晚，但是發(fā)展勢頭迅猛。在國家科技部、中科院、國家自然科學(xué)基金委員會的牽頭帶動下，各地成立了許多THz重點(diǎn)實驗室，并取得了不錯的成績，包括設(shè)計低維半導(dǎo)體THz探測器、提出用超短脈沖在不均勻等離子體中激發(fā)產(chǎn)生高強(qiáng)度的THz輻射等。

4 結(jié) 論

THz波以其獨(dú)特的特點(diǎn)和巨大的應(yīng)用價值而越來越受到世界各國的關(guān)注。缺少高靈敏度的室溫THz波探測器是制約THz技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸之一，THz波輻射源技術(shù)的發(fā)展是推動THz應(yīng)用技術(shù)和相關(guān)交叉學(xué)科迅速發(fā)展的關(guān)鍵所在。在各種THz發(fā)射源中，雖然與光整流法相比用光電導(dǎo)法輻射的THz波頻率較低、頻譜較窄，與THz激光器相比其輻射的功率較小，但目前仍是最常用的THz輻射產(chǎn)生方法之一。今后其發(fā)展方向主要應(yīng)為通過摻雜等手段改進(jìn)光電導(dǎo)材料的光電特性，提高輻射電磁波的頻率，展寬其頻譜，通過制作大孔徑天線或天線陣列及設(shè)法減小天線的空間電荷屏蔽、輻射電場屏蔽和飽和現(xiàn)象來提高輻射的功率和效率。越來越多的研究人員投身研究更為有效的THz源，隨著研究的不斷深入及其應(yīng)用與交叉研究的學(xué)科領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，THz波將和電磁波譜的其它波段一樣，給人類的社會生活帶來深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]王少宏，許景周，汪力，張希成.THz技術(shù)的應(yīng)用及展望[J].物理，2001，30：612～615.

[2]Zhang X C， Xu J. Introduction to THz Wave Photonic[M]. Springer US， 2010.

[3]Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology[J]. Nature Photonics， 2007，1（2）：97～105.

[4]Sizov F， Rogalski A. THz detectors[J]. Progress in Quantum Electronics， 2010， 34（5）：278～347.

[5]Exter M， Fattinger C， Grischkowsky D. Terahertz time-domain spectroscopy of water vapor[J].Optics Letters， 1989， 14（20）：1128.

收稿日期：2018-8-7

作者簡介：王志全（1991-），男，漢族，河南柘城人，碩士，研究方向為太赫茲科學(xué)與技術(shù)。