太赫兹辐射源的研究进展

第33卷第5期红外技术Vol.33No.52011年5月InfraredTechnologyMay2011252太赫兹辐射源的研究进展谷智1，陈沅2，李焕勇1，介万奇1（1.西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安710072；2.包钢（集团）公司技术质量部内蒙古包头014010）摘要：太赫兹技术在物理、化学等基础研究学科，以及安全检查、空间通信等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景，而太赫兹辐射源正是太赫兹技术发展的关键部分。概述了基于激光光学技术、真空电子技术和超快激光技术产生太赫兹辐射的常用方法和主要特点，以及目前的研究状况，并对这各种太赫兹波辐射源的发展方向进行了展望。关键词：太赫兹辐射源；超快激光技术；真空电子技术；激光光学技术中图分类号：O441文献标识码：A文章编号：1001-8891(2011)05-0252-05ResearchProgressofTerahertzRadiationSourcesGUZhi1，CHENYuan2，LIHuan-yong1，JIEWan-qi1(1.StateKeyLaboratoryofSolidificationProcessing,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China;2.Technicalqualitydepartment,BaotouIronandSteel(Group)Corp,Baotou014010,China)Abstract：Theterahertztechniquehasattractedmuchattentionfromavarietyofapplicationsinfundamentalandappliedresearchfield,suchasphysics,chemistry,safetyinspection,moderncommunicationandsoon.TheTerahertzradiationsourceisacrucialpartofTerahertzsystem.Sometypicaltechniquesofthegenerationofterahertzradiationbasedontheultrafastlasertechnology,thevacuumelectronicsandthelaser-optictechnologyarebrieflyintroducedandreviewed.Thefutureoftheseterahertzradiationsourceisalsoforecasted.Keywords：terahertzradiationsources，ultrafastlasertechnology，vacuumelectronics，laser-optictechnology引言太赫兹（Terahertz或THz）辐射，也被称为太赫兹波、T射线、亚毫米波、远红外线等，其波段位于1THz（1THz＝1012Hz）的毫米波与10THz的远红外线之间，从频率上看，该波段属于远红外波段；从能量辐射上看，其大小在电子和光子之间，属于电子学向光子学的过渡区，处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。对太赫兹辐射波段两侧的红外技术和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术还很不完善。究其缘由是因为此波段既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究。太赫兹辐射的量子能量很低，信噪比很高，频率极宽，具有一系列特殊的性质，在基础研究、信息技术、核技术、生物医学、安全检测和国防军事等领域有相当重要的应用前景[1-3]。在与太赫兹技术相关的诸多研究领域中，对太赫兹辐射源的研究占据了核心位置。世界各国主要沿着三条途径开发太赫兹辐射源，其一是以太赫兹激光器为代表的激光光学技术，包括气体激光器、半导体激光器以及电子激光器等，这类技术来自于激光技术向长波方向的发展；其二是以微波元件为代表的真空电子技术，包括微波管、固体微波源以及耿氏二极管等，这类技术来自于微波技术向短波方向的发展；其三是超快激光技术，这类技术是1THz向低频和高频同时发展。在过去的五十年中，太赫兹辐射源的功率、光束质量和稳定性有了很大的提高[4]。1超快激光技术超快激光技术的发展给太赫兹辐射源带来了很大的机遇，已经发展了很多基于超快激光脉冲和非线性光学晶体的太赫兹辐射源，如光导天线机制、半导收稿日期：2011-03-11.作者简介：谷智（1973-），男，博士，讲师，主要研究方向为人工晶体生长。基金项目：国家自然科学基金资助项目，编号：510721641；国家863专题基金资助项目，编号：2009AA03Z431。第33卷第5期Vol.33No.52011年5月谷智等：太赫兹辐射源的研究进展May2011253体表面效应、光致丹倍（Dember）效应、光整流效应以及非线性差频机制等。光导天线机制是利用超快激光脉冲泵浦光导材料，在光导材料内产生电子-空穴对，电子和空穴在外加偏置电场作用下加速运动，形成了瞬态光电流，辐射出低频脉冲太赫兹辐射。光导天线由两个相距微米量级的电极组成，如图1所示。该系统的性能取决于光导材料、天线的几何结构和泵浦激光的脉冲宽度。光导材料是产生太赫兹辐射的关键，应该具有载流子寿命极短，载流子迁移率高和介质耐击穿强度大等特点。目前应用昀多的光导体材料是Si和低温生长的GaAs。图1光导天线机制示意图Fig.1Schematicdiagramofphotoconductiveantennamechanism光导天线机制产生的太赫兹辐射的能量主要来自天线上所加的偏置电场，如果要想获得能量较强的脉冲太赫兹辐射，可以调节外加电场的大小。故而光导天线辐射的太赫兹脉冲能量较强、频率较低，频谱宽度较窄[5]。大间距的光电导天线能够发射高功率的太赫兹辐射脉冲[6]，与小间距天线相比，大间距天线不但制作更简单，而且在高激发光功率的情况下更不容易饱和。超快激光脉冲与半导体材料相互作用而激发的光生载流子被半导体表面电场加速会产生太赫兹辐射[7]，这种半导体表面效应也是由瞬生光电流产生脉冲太赫兹辐射的重要方法。在表面电场驱动下，载流子的运动垂直于半导体表面，产生太赫兹辐射的效率很低。如果施加平行于半导体表面的磁场，偏转载流子的运动，产生平行于半导体表面的载流子运动分量，可以提高了太赫兹辐射的发射效率[8]。利用这种方法可以在InAs表面产生较强的太赫兹辐射[9]。利用激光脉冲激发一些表面电场很弱的半导体，由于其表面激发的载流子分布的纵向非对称性，也会引起宏观的电荷扩散运动，从而激发太赫兹辐射，这样的太赫兹辐射被称为光致丹倍（Dember）效应引发的太赫兹辐射[10]。光整流效应是一种非线性效应，利用超快激光脉冲与非线性介质相互作用而产生低频电极化场，此电极化场在晶体表面辐射出太赫兹辐射。此过程与二阶非线性光学过程或高阶非线性光学过程有关，如图2所示。光整流效应产生的太赫兹辐射的能量直接来源于激光脉冲的能量，转换效率主要依赖于材料的非线性系数和相位匹配条件。目前应用的非线性介质包括传统半导体GaAs和ZnTe，有机晶体材料DAST等[11-13]。图2光整流效应示意图Fig.2Schematicdiagramofopticalrectificationeffect这种技术昀早是在利用LiNbO3产生远红外辐射的过程中来实现的。因为光整流是将入射光束功率从光频耦合到太赫兹频段，这种耦合效率较低所以这种方法输出的太赫兹辐射的功率与光电导天线的方法相比较小但是这种方法的优点在于可以输出更宽的辐射带宽，通常可以达到50THz。GaSe材料中的相位匹配的光整流过程可以发射中心波长可调的超宽太赫兹脉冲，以垂直于入射光的水平轴旋转晶体调整相位配合条件，可以调谐发射频率至41THz的太赫兹辐射[14]。当频率分别为ω1和ω2的两束激光入射到非线性电光晶体时，如果ω1与ω2很接近，会产生频率为ω1－ω2的太赫兹辐射，这种发光机制被称为非线性差频机制，有时也被称为光整流或光学参变辐射技术[15]。利用非线性差频机制产生太赫兹辐射的昀大优点是没有阈值，实验设备简单，结构紧凑，常温下工作，不需要价格昂贵的抽运装置。为了获得较高能量和转换效率的太赫兹辐射输出，非线性差频机制的技术关键是要获得功率较高、频率比较接近的激光（两波长相差一般不大于10nm)，以及二阶非线性系数较大、损伤阈值大、在太赫兹辐射范围内吸收系数小、相位匹配能力优秀、光学质量高，晶体尺寸大的非线性差频晶体。非线性差频机制是一种很有潜力的产生太赫兹辐射的方法，利用该方法可以得到较宽的太赫兹波调第33卷第5期红外技术Vol.33No.52011年5月InfraredTechnologyMay2011254谐范围，但其存在着转换效率低下的缺点。通过采用不同的介质材料，利用非线性差频机制已经实现了较大功率的太赫兹辐射。目前有很多实验室都采用这种方法作为太赫兹辐射源。使用掺杂的LiNbO3已经实现了0.7～3THz频率范围l00mW的峰值输出[16]；利用ZnGeP2得到了峰值大于10W的输出[17]；采用中心波长为1.06µm、功率为l7mW/cm2的Nd：YAG激光器得到了l.26～4.1THz频率范围36W的峰值输出[18]。利用频率为ω超快激光脉冲基频光及其倍频光2ω同时在空气中聚焦，在脉冲激光诱导的空气等离子体中可以产生较强的太赫兹辐射[19]。当基频光、倍频光和太赫兹波的偏振方向相同时，可以获得昀佳的太赫兹辐射输出效率。当总的脉冲能量超过空气等离子体形成阈值时，太赫兹辐射场的振幅与基频光的脉冲能量成正比，与倍频光的脉冲能量的开方成正比[20,21]。在这种方法中，空气等离子体的形成是产生太赫兹辐射的先决条件。与在晶体中产生太赫兹辐射相比，该方法不存在损伤阈值的问题，即对激光的强度没有限制。在空气中产生太赫兹辐射有3种机制，如图3所示。图(a)是将波长为800nm或400nm，脉宽为100fs的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体，产生太赫兹辐射；图(b)是在聚焦透镜后添加BBO晶体用于倍频；图(c)是利用分色镜将波长为800nm和400nm（基频光与倍频光）的两束光混合，通过干涉相长或干涉相消对太赫兹辐射进行相干控制。图3空气产生太赫兹辐射的示意图Fig.3Schematicdiagramofterahertzpulsegeneratedinairplasma利用超快激光脉冲激发各种物质所产生的太赫兹辐射具有超宽带、脉宽窄、峰值功率高等特点，但太赫兹脉冲频谱较宽、时间相干性差，且不可连续调谐，转换效率较低，得到的太赫兹光束的平均功率只有纳瓦到微瓦量级，不利于对其进行探测。3真空电子技术随着太赫兹学技术的迅速发展，利用真空电子技术产生太赫兹辐射的研究工作取得了很大的进步。以反波管、耿氏二极管振荡器等真空电子器件为核心的太赫兹辐射源已经用于实验室研究。反波管是在行波管、磁电管等真空管微波源的基础上发展起来的真空电子管[22,23]，其原理如图4所示。阴极产生的电子束在高压电场作用下向阳极高速运动。阴极和阳极之间的由周期分布的电极组成的电子减速系统能够形成周期分布的电势场，使电子在其中形成周期分布的电子包，这一过程可以产生太赫兹辐射。当电子通过减速系统时，高速电子被电势场减速，自身的动能转化为太赫兹辐射能量。太赫兹辐射沿电子运动方向相反的方向传播并得到放大，由靠近阴极的波导耦合输出。图4反波管示意图Fig.4Schematicdiagramofbackward-waveoscillator反波管发射太赫兹辐射的频率是由其减速系统的周期和电子速度决定的，可以通过改变反波管的加速电压来调谐它的输出频率，反波管的输出频率应正比于电压的平方根。反波管可以发射单一频率的太赫兹辐射，并具有一定的调谐范围（在中心频率两侧大约30%），其功率可以达到毫瓦以上。但是当频率超过1THz时，输出功率和工作效率急剧下降，并且使用寿命短，仍需进一步提高[24]。耿氏二极