基于太赫茲輻射產(chǎn)生的理論研究分析

◆趙志宏

(營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

基于太赫茲輻射產(chǎn)生的理論研究分析

◆趙志宏

(營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

分別介紹了用光學(xué)方法和電子學(xué)方法產(chǎn)生THz波的原理，其中重點(diǎn)介紹了光電導(dǎo)產(chǎn)生THz波輻射源的方法。然后，著重分析了利用非線性差頻產(chǎn)生THz波的方法，對(duì)非線性差頻的原理及其進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并引用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了論證，對(duì)其將來(lái)的研究和發(fā)展做出了展望和分析。

光電導(dǎo) 光整流 光抽運(yùn) 非線性差頻

一、引言

近年來(lái)，非線性光學(xué)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了基于光子學(xué)原理產(chǎn)生太赫茲技術(shù)的發(fā)展，如基于周期微結(jié)構(gòu)材料和固體非線性材料的光學(xué)參變振蕩、光整流、光電導(dǎo)、光抽運(yùn)、光學(xué)受激效應(yīng)、表面發(fā)射效應(yīng)、光學(xué)倍頻及差頻效應(yīng)、光學(xué)切連科夫(Cherenkov)效應(yīng)等非線性效應(yīng)。其中，非線性光學(xué)差頻方法獲得太赫茲輻射因其沒(méi)有閥值、實(shí)驗(yàn)設(shè)施容易搭建、容易實(shí)現(xiàn)差頻轉(zhuǎn)換而稱為研究熱點(diǎn)。

二、THz波的應(yīng)用前景

1.THz波成像

利用THz時(shí)域光譜技術(shù)可以直接測(cè)量THz電磁脈沖所產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，可以直接測(cè)得樣品的介電常數(shù)和厚度的分部。應(yīng)用于國(guó)家安全包括情報(bào)、安檢、破案、生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)中的各種成像應(yīng)用。兩維實(shí)時(shí)THz活體成像可應(yīng)用于野外昆蟲(chóng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，同時(shí)也可應(yīng)用于軍事中特種部隊(duì)和警察的裝備，在一定范圍內(nèi)對(duì)敵人的有生力量和犯罪分子進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)。

2.醫(yī)療診斷

由于很多的生物大分子及DNA分子的旋轉(zhuǎn)及振動(dòng)能級(jí)所處于THz波段，生物體對(duì)THz波會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的響應(yīng)，所以THz輻射可用于疾病診斷，生物體的探測(cè)及癌細(xì)胞的表皮成像。癌變組織的THz波具有不同的振幅，波形和時(shí)間延遲，我們可以從中得到腫瘤的大小和形狀。對(duì)人體組織器官成像，可做出腫瘤的早期診斷，許多醫(yī)院的專家對(duì)此項(xiàng)腫瘤的初期診斷技術(shù)很滿意，并要求早日投入生產(chǎn)，進(jìn)入臨床應(yīng)用。

3.環(huán)境監(jiān)測(cè)

適合于對(duì)固體、液體、氣體、以及火焰和流體等介質(zhì)的電、聲學(xué)性質(zhì)的研究以及化學(xué)組分的表征。THz輻射也可用于污染物檢測(cè)、生物和化學(xué)物質(zhì)的探測(cè)，對(duì)生物組織包括植物、動(dòng)物的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像可獲得組織新鮮程度的信息，這可用于食品的保鮮和食品加工過(guò)程的監(jiān)控;檢測(cè)隱藏在箱包中一般家用材料及民用設(shè)備中的特殊物質(zhì)，如炸藥、毒品等。

4.寬帶移動(dòng)通訊于星間通訊

THz電磁波是很好的寬帶信息載體，THz波比微波能做到的寬帶和訊道數(shù)多的多，特別適合衛(wèi)星間、星地間及局域網(wǎng)的寬帶移動(dòng)通訊。

三、基于光學(xué)方法的太赫茲波輻射源

1.光電導(dǎo)產(chǎn)生THz波輻射

光電導(dǎo)方法就是在光電導(dǎo)半導(dǎo)體表面淀積金屬制成偶極天線電極結(jié)構(gòu)，用光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度超短脈沖激光照射半導(dǎo)體材料，當(dāng)強(qiáng)度為I(t)的飛秒激光激發(fā)偏置半導(dǎo)體時(shí)，如果激光的光子能量大于半導(dǎo)體的能帶隙，則在照射出的導(dǎo)帶和價(jià)帶上將分別產(chǎn)生電子和空穴。光載流子密度快速變化，并在外加偏置直流電壓Vb的作用下加速運(yùn)動(dòng)。由此，將產(chǎn)生電磁輻射并通過(guò)天線向自由空間發(fā)射。由于輻射的能量主要來(lái)自天線上所加的偏置電場(chǎng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)外加偏置電場(chǎng)的大小來(lái)獲得能量較高的太赫茲波，而制作大孔徑的光電導(dǎo)天線可以提高電磁輻射的效率。

快速偏置的光電導(dǎo)體有飛秒光脈沖(泵浦光)激發(fā)，作為瞬態(tài)電流源，通過(guò)天線向空間傳播短周期的瞬態(tài)變化。為了探測(cè)這樣一個(gè)變化需要一個(gè)與發(fā)射其相似的裝置，但這個(gè)光電導(dǎo)體不需要偏置。作為探測(cè)器的光電導(dǎo)體由同樣的飛秒光脈沖(探測(cè)光)激發(fā)，在激發(fā)瞬間可以探測(cè)輸出流Iout。通過(guò)一可調(diào)的時(shí)間線將飛秒光脈沖相對(duì)于泵浦光I(t)延遲時(shí)間a，則探測(cè)光強(qiáng)度為I(t+a)。

太赫茲輻射源的輸出性能主要決定于三個(gè)要素:光電半導(dǎo)體材料、天線幾何結(jié)構(gòu)和抽運(yùn)激光脈沖寬度。光電半導(dǎo)體材料Si、GaAs、GaP等是產(chǎn)生超短激光脈沖的關(guān)鍵部件，隨著對(duì)光電導(dǎo)半導(dǎo)體的深入研究，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多適宜做光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的材料，在選用制作超快半導(dǎo)體材料時(shí)，必須考慮以下因素:(1)載流子壽命短;(2)載流子遷移率高;(3)材料的暗態(tài)電阻率大。

2.光整流產(chǎn)生太赫茲波

發(fā)生在鹽酸氫鉀中的光整流效應(yīng)最早用于產(chǎn)生兆赫級(jí)的輻射，當(dāng)時(shí)使用0.1um的激光脈沖。后來(lái)由于LiTaO3中Cu++光整流效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，這種方法的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了皮秒級(jí)領(lǐng)域。進(jìn)一步的發(fā)展使這種方法已經(jīng)可以應(yīng)用于各種THz實(shí)驗(yàn)。光整流效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)，是利用飛秒激光脈沖(脈沖寬度在亞皮秒量級(jí))和非線性介質(zhì)(如ZnTe)相互作用而產(chǎn)生低頻電極化場(chǎng)，此電極化場(chǎng)在晶體表面輻射出太赫茲波。

光整流效應(yīng)發(fā)生在非中心對(duì)稱材料中。我們可以將光整流效應(yīng)看做是電光效應(yīng)的逆過(guò)程:入射超短激光脈沖同過(guò)非線性極化系數(shù)偶合而合成出近似直流(其實(shí)為THz，但相對(duì)于光的頻率來(lái)說(shuō)，頻率非常低)的極化。

電磁波的振幅強(qiáng)度和頻率分布決定于激光脈沖的特征和非線性介質(zhì)的性質(zhì)。常用非線性介質(zhì)有ZnTe和GaAs。另外，DAST很有潛力，它是非線性效應(yīng)最強(qiáng)的物質(zhì)之一。

3.光抽運(yùn)太赫茲波氣體激光器

直接產(chǎn)生THz波的激光器，是利用一臺(tái)CO2激光器的遠(yuǎn)紅外輸出光抽運(yùn)一個(gè)充有甲烷(CH4)、氨氣(NH3)、氰化氫(HCN)或是甲醇(CH3OH)等物質(zhì)的低氣壓腔，由于這些氣體分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷頻率處于太赫茲波段范圍，所以可以形成太赫茲波受激輻射，通過(guò)選擇合適的工作介質(zhì)、尋找新的能級(jí)躍遷譜線，就可以基本覆蓋整個(gè)太赫茲波段。這種方法可以達(dá)到高達(dá)上百瓦的輸出功率，且已實(shí)現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)品化，并被美國(guó)國(guó)家航天局應(yīng)用于大氣衛(wèi)星觀測(cè)。雖然這種技術(shù)被證實(shí)切實(shí)可行，但這種輻射源不是連續(xù)可調(diào)的，而且需要大的氣體腔和能量輸入，在體積、重量、效率、可靠性、維護(hù)性、運(yùn)行壽命，以及頻率穩(wěn)定性方面仍需要改進(jìn)。

四、基于電子學(xué)方法的太赫茲波輻射源

隨著太赫茲科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用真空電子學(xué)產(chǎn)生太赫茲輻射的研究工作取得了很大的進(jìn)步，其中包括真空電子器件、電子回旋脈塞、自由電子激光、Cherenkov輻射，甚至使用存儲(chǔ)環(huán)加速器來(lái)產(chǎn)生高亮度太赫茲輻射。真空電子器件如反波管、擴(kuò)展互作用振蕩器、繞射輻射器件等的工作頻率已接近或達(dá)到1THz?；匦芸赏?THz產(chǎn)生千瓦級(jí)的脈沖輸出，平均功率可達(dá)幾十瓦以上。自由電子激光是獲得極高能量太赫茲發(fā)射的另一種方法。在自由電子激光中，一束高速自由電子在真空中傳輸并通過(guò)具有空間變化的強(qiáng)磁場(chǎng)，使得電子束振蕩并發(fā)射光子，反射鏡用來(lái)把光子限制在電子束內(nèi)，這里電子束為激光的增益介質(zhì)，這種系統(tǒng)的造價(jià)昂貴，體積巨大，同時(shí)需要精密儀器，但是可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖形式的發(fā)射，發(fā)射功率比通常使用的光電導(dǎo)天線高出六個(gè)數(shù)量級(jí)以上。電子激光器和氣體激光器是目前可以獲得太赫茲最高輸出功率的方法。

五、利用非線性差頻產(chǎn)生太赫茲波

目前光學(xué)方法產(chǎn)生THz波輻射主要集中在光參量振蕩器(OPO)及差頻產(chǎn)生(DFG)方法來(lái)獲得這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的激光。但是OPO輸出光能量較低，光束質(zhì)量比較差;而DFG相對(duì)于OPO和化學(xué)激光器，由很多優(yōu)點(diǎn)，如可調(diào)范圍靈活、全固化結(jié)構(gòu)緊湊、輸出能量高等。目前，常采用鈮酸鋰作為DFG的非線性晶體材料，它的非線性系數(shù)大，損傷閾值較高。

六、差頻方法產(chǎn)生太赫茲波的進(jìn)展

差頻方法產(chǎn)生太赫茲輻射的最大優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有閾值，實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊。與前面提到的光整流與光電導(dǎo)方法相比，它可以產(chǎn)生較高功率的太赫茲波輻射，且不需要價(jià)格昂貴的抽運(yùn)裝置。差頻方法產(chǎn)生太赫茲波的技術(shù)關(guān)鍵是要獲得功率較高、波長(zhǎng)比較接近的抽運(yùn)光和信號(hào)光(兩波長(zhǎng)相差一般不大于10nm)，以及具有較大的二階非線性差頻晶體。這樣，利用差頻方法甚至可以得到比太赫茲波參量振蕩器［11－13］更寬的太赫茲波調(diào)諧范圍，但其存在著轉(zhuǎn)換效率低下的缺點(diǎn)。

早在上世紀(jì)20世紀(jì)60年代中期，國(guó)外就有人利用一臺(tái)銣玻璃激光器得到1.059～1.073波長(zhǎng)輸出，通過(guò)利用一塊石英晶體進(jìn)行非線性差頻，得到大約3THz的輸出，但輸出效率很低，到上世紀(jì)20世紀(jì)70年代，R.L.Aggarwal等在80K的溫度下，用兩個(gè)單模連續(xù)CO2激光器在GaAs晶體中通過(guò)非共線差頻，在0.3～4.3THz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)調(diào)諧的遠(yuǎn)紅外輻射，線寬小于100kHz。而K.H.Yang等用一臺(tái)雙頻率輸出的染料激光器，在LiNbO3、ZnO等晶體中利用共線和非共線相位匹配，均實(shí)現(xiàn)了在0.6～5.7THz連續(xù)可調(diào)遠(yuǎn)紅外輻射，峰值功率達(dá)到200mW。近年來(lái)，日本科學(xué)家T.Tanabe等利用Nd:YAG激光器(輸出波長(zhǎng)為1064nm)和該激光器三倍頻輸出所抽運(yùn)的BBO晶體光學(xué)參量振蕩器(BBO－OPO)的輸出分別作為抽運(yùn)源和信號(hào)光，采用GaP晶體作為差頻晶體，利用非線性相位匹配配置，通過(guò)改變兩入射光的夾角，實(shí)現(xiàn)了0.5～3THz的太赫茲波調(diào)諧輸出，并在1.3THz處達(dá)到480mW的峰值功率輸出。

七、全固態(tài)激光器泵浦的準(zhǔn)相位匹配差頻THz波輻射源

利用差頻過(guò)程獲得THz波的最大優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有閥值，且試驗(yàn)設(shè)備很容易搭建容易實(shí)現(xiàn)差頻轉(zhuǎn)換，但DFG的轉(zhuǎn)換效率很低，其關(guān)鍵是要獲得波長(zhǎng)相近的泵浦光和信號(hào)光，下面以1319nm和1338nm雙波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的高功率、準(zhǔn)連續(xù)全固態(tài)Nd:YAG激光器為泵浦源，泵浦周期為16.455μmPPLN，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配差頻過(guò)程，獲得0.31THz的輻射源。

近年來(lái)，THz技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，現(xiàn)在需要把THz技術(shù)從試驗(yàn)研究盡快轉(zhuǎn)向?qū)嵱没?jù)專家預(yù)測(cè)，在生物醫(yī)學(xué)的各項(xiàng)應(yīng)用中，THz技術(shù)最有可能率先取得重大突破。在這一領(lǐng)域的發(fā)展，在很大程度上取決于應(yīng)用物理學(xué)、生物學(xué)、生命科學(xué)等交叉學(xué)科的研究廣度和深度。因此，開(kāi)發(fā)和利用這項(xiàng)技術(shù)，需要綜合各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，積聚更多的研究力量。

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