太赫茲波輻射源的研究進(jìn)展

王 葛，施明登，韓清華，孟洪兵，曾德斌

(塔里木大學(xué) 信息工程學(xué)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(zhǎng)為30 μm～3 mm的電磁波。它處于電磁波譜中的毫米波段與遠(yuǎn)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(xué)與光子學(xué)之間的學(xué)科前沿技術(shù)。太赫茲波擁有許多獨(dú)特的性質(zhì)，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(duì)非極性質(zhì)料有極強(qiáng)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(bào)、通信、醫(yī)學(xué)、安檢、軍事和天文觀察等范疇獲得了廣泛應(yīng)用。

在20 世紀(jì)末，相關(guān)研究人員對(duì)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(shí)期發(fā)展得比較成熟的微波以及光波技術(shù)相比，科研工作者對(duì)太赫茲波這個(gè)頻段范圍內(nèi)的性質(zhì)特征略識(shí)無(wú)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(kāi)始，得益于各類產(chǎn)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(huì)需求的不斷提高，如何產(chǎn)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(guān)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(zhì)，從不同角度總結(jié)概括了在不同條件下產(chǎn)生太赫茲波輻射源的研究進(jìn)展，以及影響太赫茲波產(chǎn)生效率的相關(guān)因素。

1 以氣體作為太赫茲激發(fā)介質(zhì)

將超短激光與空氣介質(zhì)相互作用產(chǎn)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(zhì)相互作用、激光經(jīng)過(guò)晶體倍頻之后形成的雙色激光與氣體介質(zhì)相互作用和單雙色激光在偏置電場(chǎng)作用下與氣體介質(zhì)相互作用。本文將從這3種常用的激光與空氣介質(zhì)相互作用產(chǎn)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(chǎn)生太赫茲波輻射的研究進(jìn)展。

1.1 以空氣為激發(fā)介質(zhì)的單雙色激光激發(fā)等離子體研究進(jìn)展

1.1.1 單色激光脈沖與空氣介質(zhì)作用

激光激發(fā)空氣介質(zhì)電離產(chǎn)生出太赫茲波輻射源的研究最早開(kāi)始于單色激光，其理論解釋模型主要為有質(zhì)動(dòng)力模型和切倫科夫模型，下文將對(duì)這兩個(gè)理論模型進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1993年，Hamster等人[4]首次實(shí)現(xiàn)了從氣體等離子體中產(chǎn)生出太赫茲波輻射，并通過(guò)有質(zhì)動(dòng)力模型來(lái)解釋太赫茲輻射的產(chǎn)生機(jī)制；2004年，Sprangle等[5]研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在激光與氣體激發(fā)介質(zhì)相互作用的過(guò)程中形成的有質(zhì)動(dòng)力會(huì)和產(chǎn)生的帶電粒子相互碰撞而產(chǎn)生出等離子體電流，等離子體電流會(huì)在激光的脈沖包絡(luò)急速波動(dòng)的同時(shí)，對(duì)外輻射出包含有太赫茲波段的電磁波，但這種方法產(chǎn)生的太赫茲輻射較弱,不能滿足我們實(shí)驗(yàn)以及生產(chǎn)運(yùn)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(chǎn)生了太赫茲輻射。最近，相關(guān)研究小組還結(jié)合單色激光與雙色激光的共同作用，實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)生太赫茲波輻射的調(diào)節(jié)，證明了產(chǎn)生的太赫茲能量和太赫茲波偏振會(huì)隨著激發(fā)激光波長(zhǎng)的增加而增加[8]。

在等離子體外加偏置電場(chǎng)可提高空氣中等離子體產(chǎn)生太赫茲波的效率。從2000年起，L?ffler等人[9]便通過(guò)對(duì)激光激發(fā)空氣介質(zhì)形成的等離子體兩端施加一偏置電場(chǎng)，極大地提高了等離子體產(chǎn)生的太赫茲波強(qiáng)度，該太赫茲輻射主要源自于泵浦激光場(chǎng)的有質(zhì)動(dòng)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(duì)由有質(zhì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的電子和離子施加偏壓，加速了電子和離子的運(yùn)動(dòng)速度,有效地增強(qiáng)了太赫茲的輻射功率。由于等離子體的形成需要使用很強(qiáng)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(wèn)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(guò)高數(shù)值孔徑(Numerical Aperture，NA)物鏡聚焦于氣體介質(zhì)中形成微等離子體，并在有質(zhì)動(dòng)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(shù)的關(guān)鍵技術(shù)引領(lǐng)，并繼續(xù)推進(jìn)眾多太赫茲波傳感和光譜學(xué)的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 微等離子體產(chǎn)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(zhì)作用

為了進(jìn)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(zhì)。

為了能更好地對(duì)雙色激光激發(fā)空氣等離子體產(chǎn)生太赫茲輻射的微觀動(dòng)力學(xué)進(jìn)行解釋，2007年，Kim 等人[17]提出了一種光電流模型主要用來(lái)解釋微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制產(chǎn)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(jìn)一步劃分為離子和自由電子兩部分,并通過(guò)模擬和計(jì)算證明了通過(guò)電離產(chǎn)生的自由電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的非對(duì)稱電流是產(chǎn)生太赫茲波輻射的主要原因；2016年，Xie等人[18]在改進(jìn)二維光電流模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了雙色激光的不同偏振夾角對(duì)產(chǎn)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(chǔ)上對(duì)激光波長(zhǎng)對(duì)雙色激光激發(fā)空氣介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)太赫茲波輻射的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在給定的激光強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的太赫茲振幅將會(huì)隨著激光波長(zhǎng)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(jìn)行了3色激光與等離子體相互作用的研究，采用可調(diào)諧的3色激光脈沖來(lái)調(diào)制空氣等離子體產(chǎn)生的太赫茲光譜實(shí)驗(yàn)，從理論上證明了，通過(guò)3色激光脈沖中1個(gè)單色激光波長(zhǎng)的正負(fù)失諧，可以極大地?cái)U(kuò)展太赫茲光譜范圍，尤其是可以產(chǎn)生出高光譜頻率的分量。

1.2 以氮?dú)庾鳛楫a(chǎn)生太赫茲的激發(fā)介質(zhì)

除了激光激發(fā)空氣等離子體外，氮?dú)庾鳛榱硪环N很好的激發(fā)介質(zhì)也被相關(guān)科研工作者進(jìn)行了探索研究。從激光脈沖相位對(duì)產(chǎn)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(diào)制對(duì)于太赫茲波的產(chǎn)生機(jī)制非常有用。2009年，研究人員[21]采用通過(guò)飛秒脈沖整形技術(shù)調(diào)節(jié)激發(fā)激光的方法來(lái)對(duì)激光激發(fā)氮?dú)饨橘|(zhì)產(chǎn)生的太赫茲波進(jìn)行了研究，該研究證明，通過(guò)對(duì)傅里葉空間使用一系列周期性矩形光學(xué)相位變換能夠產(chǎn)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(chǎn)生太赫茲的激發(fā)介質(zhì)

通過(guò)激光激發(fā)稀有氣體形成等離子體中產(chǎn)生的太赫茲波輻射具有比空氣更高的能量轉(zhuǎn)換效率。2007年，Chen等人[22]便開(kāi)展了激光激發(fā)惰性氣體介質(zhì)電離形成等離子體的實(shí)驗(yàn)，在四波混頻模型下對(duì)輻射的太赫茲波進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波到光脈沖能量的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.5×10-4。研究人員主要通過(guò)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(lái)提高氣體中的太赫茲產(chǎn)生效率。然而，該方法受限于太赫茲能量增長(zhǎng)飽和效應(yīng)[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(zhì)(氦氣、氖氣、氬氣、氮?dú)?、氪氣和氙?產(chǎn)生太赫茲波的波長(zhǎng)縮放機(jī)制，并在實(shí)驗(yàn)中繪出了太赫茲脈沖能量與被測(cè)輸入脈沖能量、氣體種類、氣體壓力和泵浦波長(zhǎng)之間的函數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，由相對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光器引起的較重氣體中的等離子體更可能產(chǎn)生更高能量的太赫茲波。

1.4 氣體介質(zhì)輻射出太赫茲波的物理機(jī)制

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

1.4.1 四波混頻模型

2000 年，Cook 等人[12]首次實(shí)現(xiàn)了通過(guò)雙色激光激發(fā)空氣電離產(chǎn)生出太赫茲波輻射，并通過(guò)四波混頻模型解釋了其產(chǎn)生的物理機(jī)制；2006年，Zhang等人[14]進(jìn)一步將四波混頻中產(chǎn)生的太赫茲電場(chǎng)幅值公式簡(jiǎn)化為

(1)

式中：ETHz、Eω和E2ω分別為太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)應(yīng)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(zhì)動(dòng)力模型

單色激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦在空氣中會(huì)產(chǎn)生光致電離，聚焦點(diǎn)處的空氣介質(zhì)被電離后在形成等離子體的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生有質(zhì)動(dòng)力[4]。

有質(zhì)動(dòng)力的表達(dá)式為

(2)

1.4.3 光電流模型

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

(3)

式中：E1和E2分別為基波ω和2次諧波2ω場(chǎng)的幅度；T0為基頻光所對(duì)應(yīng)的脈寬。

激光與空氣作用會(huì)發(fā)生光致電離，其電離類型有多種，當(dāng)激發(fā)激光所含能量較高且超過(guò)了預(yù)定的電離閾值時(shí)，則主要為隧道電離與越過(guò)墊壘電離。具體為何種電離類型常用克爾參數(shù)[28]來(lái)判定，表達(dá)式為

(4)

式中：γ為克爾系數(shù)；Uion為氣體分子對(duì)應(yīng)的電離勢(shì)能；UP為有質(zhì)動(dòng)力勢(shì)。

1.4.4 切倫科夫模型

Amico等人[29]認(rèn)為，電子會(huì)以平行于激光傳播的方向以光的傳播速度運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生出瞬時(shí)的切倫科夫輻射，在電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中輻射出太赫茲波。當(dāng)激光功率高于一個(gè)臨界值時(shí)，激光會(huì)電離氣體介質(zhì)形成等離子體絲，其臨界值的計(jì)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(zhì)的折射系數(shù)；λ為激光的波長(zhǎng)。對(duì)電磁波對(duì)應(yīng)的能量譜密度進(jìn)行公式推導(dǎo)可得[22]：

(6)

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

1.5 氣體介質(zhì)中存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

在通過(guò)激光與空氣介質(zhì)相互作用產(chǎn)生出太赫茲波的研究中，影響激光激發(fā)氣體介質(zhì)產(chǎn)生太赫茲輻射效率的因素有多種。從激光的角度來(lái)看，激光所含的脈沖能量、基波二次諧波相位關(guān)系、外加偏壓的大小、激光入射到氣體介質(zhì)的角度問(wèn)題、激光的波長(zhǎng)以及少周期脈沖激光等都會(huì)影響太赫茲波輻射源的產(chǎn)生效率。對(duì)激發(fā)介質(zhì)而言，氣體介質(zhì)分子本身的電離能、電子的漂移速度和等離子體產(chǎn)生效率等會(huì)影響產(chǎn)生的太赫茲輻射效率。其他外部條件，如氣體介質(zhì)所處的壓強(qiáng)、對(duì)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(huì)對(duì)太赫茲波的產(chǎn)生效率造成不同程度的影響。如何針對(duì)上述影響因素，找到更加合理的研究方法，使得產(chǎn)生的太赫茲波效率進(jìn)一步得到提高，有待研究工作者的進(jìn)一步研究探索。最近，在氣體激發(fā)介質(zhì)中，通過(guò)將激光束聚焦在氣體介質(zhì)中形成微等離子體產(chǎn)生出太赫茲波的方法表現(xiàn)出了更高的轉(zhuǎn)換效率，該方法有望進(jìn)一步推進(jìn)眾多氣體介質(zhì)產(chǎn)生太赫茲波的發(fā)展。

2 以固體作為太赫茲激發(fā)介質(zhì)

2.1 激光激發(fā)金屬與非金屬材料介質(zhì)輻射太赫茲的研究進(jìn)展

在激光與固體介質(zhì)相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射的研究中，相關(guān)科研工作者也開(kāi)展了大量的探索實(shí)驗(yàn)，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(zhì)產(chǎn)生的太赫茲輻射這兩個(gè)模塊論述其在太赫茲領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

2.1.1 以無(wú)機(jī)非金屬作為激發(fā)介質(zhì)產(chǎn)生太赫茲

光電導(dǎo)天線作為在產(chǎn)生太赫茲波輻射中被大量使用的一種器件，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中，能產(chǎn)生高功率的太赫茲源。光電導(dǎo)天線產(chǎn)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(dǎo)產(chǎn)生太赫茲波的方法以及研究進(jìn)展。

從光電導(dǎo)效應(yīng)中兩天線電極之間的間距出發(fā)，光電導(dǎo)天線中兩電極間距離的大小對(duì)產(chǎn)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(kāi)展了很多關(guān)于超強(qiáng)激光與大孔徑光電導(dǎo)天線相互作用的研究[31-33]，對(duì)激光激發(fā)大孔徑光電導(dǎo)間隙中產(chǎn)生的非平衡等離子體進(jìn)行自洽分析，證明了強(qiáng)激光激發(fā)條件下會(huì)對(duì)太赫茲飽和場(chǎng)的非線性吸收效應(yīng)產(chǎn)生重要影響。

傳統(tǒng)超快光電導(dǎo)體的低量子效率限制了光電導(dǎo)太赫茲探測(cè)器的響應(yīng)度和探測(cè)靈敏度。為此，Berry等人[34-35]便結(jié)合光電導(dǎo)天線與等離子體接觸電極結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了一種基于等離子體接觸電極光柵的光電導(dǎo)太赫茲發(fā)射器，通過(guò)減少光電導(dǎo)體接觸電極的光生載流子傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)了超快和高量子效率轉(zhuǎn)化；最近，Burford等人[36]報(bào)道了一種等離子體納米盤(pán)薄膜太赫茲光電導(dǎo)天線的設(shè)計(jì)和制作，實(shí)驗(yàn)采用了低溫生長(zhǎng)的砷化鎵(GaAs)薄膜和位于底部的蝴蝶結(jié)天線組合的方式來(lái)確保實(shí)驗(yàn)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(chǎng)值實(shí)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(cè)量太赫茲帶寬。

對(duì)于非金屬材料基底介質(zhì)材料而言，其載流子壽命、載流子運(yùn)動(dòng)速度和電阻率等因素都會(huì)對(duì)產(chǎn)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(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，而成為一種常用的固態(tài)光電導(dǎo)天線基低激發(fā)介質(zhì)材料。2012年，Xu等人利用低溫生長(zhǎng)的InGaAs光電導(dǎo)天線在1.55 μm的脈沖寬度激勵(lì)下產(chǎn)生了太赫茲波[37]，其光譜范圍高達(dá)3 THz，功率噪聲比為60 dB；Dietz等人[38]采用波長(zhǎng)為1 030 nm的激光激發(fā)由低溫生長(zhǎng)的Be摻雜InGaAs材料制成的光導(dǎo)天線，同樣獲得了帶寬高達(dá)3 THz的光譜，并進(jìn)行了差分透射實(shí)驗(yàn)，與1 550 nm的激光激發(fā)相比，驗(yàn)證了差分傳輸信號(hào)具有更多的載流子捕獲時(shí)間。GaAs作為光電導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲輻射的另一種常用的非金屬激發(fā)介質(zhì)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(bào)道了采用低溫生長(zhǎng)制造的GaAs薄膜制成的光電導(dǎo)天線[39-40]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低溫生長(zhǎng)的GaAs薄膜光電導(dǎo)天線與傳統(tǒng)塊狀低溫生長(zhǎng)的GaAs光電導(dǎo)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(diǎn)光電導(dǎo)天線，在波長(zhǎng)為1 140 ～1 250 nm范圍內(nèi)，溫度為13 ～400 K內(nèi)對(duì)其光電導(dǎo)率進(jìn)行研究，研究表明，光電導(dǎo)峰的位置和強(qiáng)度僅取決于溫度，基態(tài)光電導(dǎo)峰值不會(huì)受外部電場(chǎng)引起的光譜漂移，且激發(fā)激光的峰值會(huì)持續(xù)存在。

采用不同粗糙結(jié)構(gòu)的非金屬介質(zhì)基底材料作為激發(fā)介質(zhì)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(duì)產(chǎn)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(dǎo)太赫茲發(fā)射器；最近，Rahmati等人[43]針對(duì)光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的太赫茲波存在低有效輻射功率的缺點(diǎn)，提出了一種有缺陷的光子晶體(Defective Photonic Crysta，DPC)基板，通過(guò)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(shù)可以在很寬的頻率范圍內(nèi)顯著提高太赫茲光電導(dǎo)天線的輻射效率和方向性。

2.1.2 以金屬作為激發(fā)介質(zhì)產(chǎn)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(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，在光整流產(chǎn)生的太赫茲波輻射中是一種很理想的激發(fā)介質(zhì)材料。在通過(guò)光整流效應(yīng)產(chǎn)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(zhì)基底的二階極化率等因素決定了產(chǎn)生出的太赫茲波的能量以及轉(zhuǎn)化效率。本文將從光整流效應(yīng)中的激光激發(fā)金屬基底介質(zhì)出發(fā)，論述激光激發(fā)金屬基底介質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的太赫茲波效率的影響與研究進(jìn)展。2004 年，相關(guān)研究人員報(bào)道了來(lái)自金屬表面光學(xué)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(kāi)了一條新的途徑；2005年，Kadlec等人[45]進(jìn)一步通過(guò)時(shí)域太赫茲光譜系統(tǒng)研究了超強(qiáng)的飛秒激光脈沖聚焦在薄金膜上進(jìn)行光學(xué)整流所產(chǎn)生的太赫茲輻射，實(shí)驗(yàn)表明，在金屬表面上由光學(xué)整流產(chǎn)生的太赫茲場(chǎng)能在表面下方延伸到幾百納米的區(qū)域探測(cè)到，其所產(chǎn)生的太赫茲場(chǎng)比二次諧波產(chǎn)生的太赫茲場(chǎng)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)；2014年，Mironov等人[46]從理論上研究了光整流效應(yīng)中飛秒激光脈沖傾斜入射在金屬表面產(chǎn)生太赫茲輻射的特性；2014年，Dai等人[47]進(jìn)一步采用同軸相位補(bǔ)償器合成的非對(duì)稱光場(chǎng)，對(duì)光整流效應(yīng)中激光激發(fā)金屬薄膜產(chǎn)生的太赫茲波輻射進(jìn)行了研究，該實(shí)驗(yàn)小組使用雙色激光場(chǎng)激發(fā)激光，并通過(guò)一個(gè)同軸相位補(bǔ)償器[48]進(jìn)行相位控制，以不對(duì)稱的方式驅(qū)動(dòng)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(shí)域法中包含的子網(wǎng)格來(lái)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(xiàn)中提出了一種獨(dú)特的子網(wǎng)格方案，可以準(zhǔn)確地描述這種交互，同時(shí)保持最小的計(jì)算成本，開(kāi)辟了探索激發(fā)應(yīng)用的方式。

2.2 固態(tài)介質(zhì)中兩種產(chǎn)生寬帶太赫茲的機(jī)理

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

2.2.1 光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射[50]原理可以大致描述為：在光電導(dǎo)材料的表面鋪上金屬電極制成偶極天線結(jié)構(gòu)，并通過(guò)偶極天線對(duì)光電導(dǎo)材料施加一個(gè)外置偏壓。載流子將會(huì)在施加外部偏置電場(chǎng)的作用下加速向正極方向運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)強(qiáng)。忽略空穴的影響，電流密度可簡(jiǎn)化為

(8)

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

(9)

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

2.2.2 光整流效應(yīng)

光整流效應(yīng)[51]通常指具有高能量的單色激發(fā)激光進(jìn)入到非線性介質(zhì)材料時(shí)，介質(zhì)內(nèi)的二階非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)極化的直流場(chǎng)，同時(shí)在非線性介質(zhì)內(nèi)部形成一種直流電場(chǎng)的現(xiàn)象。在帶寬極窄的激發(fā)激光中，頻率接近的兩個(gè)成分之間頻差接近為零的差頻過(guò)程被稱為光整流過(guò)程。激光與二階非線性介質(zhì)相互作用時(shí)，具有同頻率的兩個(gè)光子差頻得到的直流電場(chǎng)可表示為

(10)

式中：P為電極化強(qiáng)度；x(2)為非線性二階極化率；E()為入射光波的電場(chǎng)強(qiáng)度；E*()為E()的共軛。激光脈沖激發(fā)晶體介質(zhì)時(shí)，由極化電場(chǎng)產(chǎn)生的極化電流強(qiáng)度Q(t)與極化電場(chǎng)強(qiáng)度P的偏導(dǎo)成正比例關(guān)系：

(11)

2.3 固體介質(zhì)中存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

通過(guò)激光與固態(tài)金屬或非金屬材料等激發(fā)介質(zhì)相互作用，并在光電導(dǎo)或光整流效應(yīng)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(wèn)題和挑戰(zhàn)。對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生的太赫茲輻射而言，所產(chǎn)生的太赫茲波輻射的功率和轉(zhuǎn)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(lái)提高其輸出功率和效率，或設(shè)計(jì)出更合理的通過(guò)光電導(dǎo)產(chǎn)生太赫茲波的方法。同樣，在光整流產(chǎn)生太赫茲的非線性作用過(guò)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(guò)程的相位匹配條件和晶體的相干長(zhǎng)度應(yīng)被作為重點(diǎn)考慮的因素。

3 以液體作為太赫茲激發(fā)介質(zhì)

水等液體介質(zhì)對(duì)太赫茲波具有很強(qiáng)的吸收性。這也使得大多數(shù)科研工作者避開(kāi)了從水等液體介質(zhì)中產(chǎn)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(duì)水這類液體激發(fā)介質(zhì)進(jìn)行了不斷的嘗試，相關(guān)實(shí)驗(yàn)小組充分利用液體中極其有效的光譜展寬等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)探索，解決了水等液態(tài)介質(zhì)對(duì)太赫茲波吸收性的這一必須面臨的挑戰(zhàn)，為今后我們開(kāi)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(zhì)成絲這兩個(gè)方面對(duì)產(chǎn)生的太赫茲輻射進(jìn)行詳細(xì)概述。

3.1 以水膜作為激發(fā)介質(zhì)產(chǎn)生太赫茲

最近，Jin等人成功克服了水對(duì)太赫茲波的吸收性這一難題，實(shí)現(xiàn)了激光激發(fā)水膜介質(zhì)而產(chǎn)生太赫茲輻射的研究[52]。實(shí)驗(yàn)中研究小組設(shè)計(jì)了一種厚度約為200 μm的水膜來(lái)克服水對(duì)產(chǎn)生的太赫茲波的吸收，并對(duì)比了從水這種液體介質(zhì)中產(chǎn)生的太赫茲波輻射與從空氣介質(zhì)中產(chǎn)生的太赫茲波輻射，發(fā)現(xiàn)從水中比從空氣介質(zhì)中產(chǎn)生的太赫茲波輻射強(qiáng)度強(qiáng)1.8 倍。這一重大突破為未來(lái)產(chǎn)生太赫茲波輻射的新途徑開(kāi)辟了一條新的探索之路。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 水膜產(chǎn)生太赫茲波的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[52]

3.2 以液體介質(zhì)成絲產(chǎn)生太赫茲

采用飛秒激光器與各種目標(biāo)[53-55]的相互作用來(lái)開(kāi)發(fā)緊湊、相干和可調(diào)諧的太赫茲波輻射源，可以通過(guò)對(duì)激光參數(shù)的控制輸入[56-58]來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生太赫茲波的能量和波長(zhǎng)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(zhì)成絲化產(chǎn)生太赫茲是比較常用的機(jī)制[59]。與此同時(shí)，科研工作者還把對(duì)各種對(duì)聚焦介質(zhì)電離成絲狀來(lái)輻射出太赫茲的研究擴(kuò)展到了激光與液體介質(zhì)相互作用。

最近，Dey等人[60]報(bào)道了通過(guò)超短激光束激發(fā)液體介質(zhì)成絲化產(chǎn)生的寬帶太赫茲波輻射，對(duì)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(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用激光激發(fā)空氣介質(zhì)成絲作為對(duì)比，對(duì)于28 mJ的激光能量，激發(fā)丙酮介質(zhì)獲得了約為76 μJ的寬帶太赫茲能量，這是從空氣介質(zhì)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(chǎn)生MVcm-1量級(jí)的電場(chǎng)，這也為今后研究各種非線性太赫茲光譜的應(yīng)用打開(kāi)了大門。

3.3 液體介質(zhì)中存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

通過(guò)水等液體介質(zhì)產(chǎn)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(zhì)擁有比氣體介質(zhì)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(zhuǎn)化效率以及更低的信噪比等優(yōu)良特性。目前還沒(méi)有確切的理論來(lái)解釋從水中產(chǎn)生太赫茲波的機(jī)理，還有待相關(guān)科研工作者們不斷地探索研究。但鑒于其優(yōu)異的特性，預(yù)計(jì)未來(lái)從水這種激發(fā)介質(zhì)中產(chǎn)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(jié)束語(yǔ)

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(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，從不同角度綜述了所產(chǎn)生的太赫茲波輻射相關(guān)的研究進(jìn)展。在對(duì)激光激發(fā)氣體等離子體產(chǎn)生太赫茲輻射的概述中，詳細(xì)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(zhì)動(dòng)力、光電流和切倫科夫模型)，并以這4種模型為基準(zhǔn)分別報(bào)道了3種氣體激發(fā)介質(zhì)(空氣、氮?dú)夂拖∮袣怏w)產(chǎn)生機(jī)理下所產(chǎn)生的太赫茲輻射的研究進(jìn)展。在固體激發(fā)介質(zhì)中，首先從金屬與非金屬這兩類固態(tài)激發(fā)介質(zhì)出發(fā)，從不同角度介紹了固態(tài)介質(zhì)中所產(chǎn)生太赫茲輻射的相關(guān)研究進(jìn)展，然后對(duì)光電導(dǎo)和光整流這兩種常用的產(chǎn)生太赫茲波輻射的物理機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并總結(jié)了光電導(dǎo)與光整流效應(yīng)中面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。水是目前一種全新的產(chǎn)生太赫茲輻射的途徑，但水中產(chǎn)生太赫茲波的研究目前還處于初級(jí)階段，需要進(jìn)一步地研究才能對(duì)許多現(xiàn)象給出合理的解釋。不管從液體介質(zhì)、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(biāo)。隨著太赫茲輻射功率的不斷提高，太赫茲技術(shù)將會(huì)更廣泛地投入到實(shí)際的生產(chǎn)和生活中去。