太赫兹波及其产生方法的研究

王磊 李飙 国防科学技术大学电子科学与工程学院ATR实验室，长沙 410073

太赫兹波及其产生方法的研究

王磊 李飙 国防科学技术大学电子科学与工程学院ATR实验室，长沙 410073

阐述了太赫兹波的主要特征、太赫兹辐射产生的各种方法及其探测方法，重点介绍了产生THz辐射的光学方法和电子学方法。光学方法包括远红外光泵浦、利用超短激光脉冲产生THz辐射以及利用非线性频率变换过程产生THz辐射；电子学方法包括THz量子级连激光器、利用自由电子的THz辐射源、基于高能加速器的THz辐射源和电子学振荡器频率转换。

太赫兹波；远红外光泵浦；非线性频率变换；THz量子级连激光器；振荡器频率转换Abstract The mainly characteristic, generation method and detecting means of THz wave are introduced. The optical technique and electronical technique to generate THz wave is emphasized. The optical technique includes far infrared pumped, using ultrashort light laser pulse and nonlinear frequency transform;while the electronical technique includes THz quantum cascade lasers, using free electron, high power accelerator and oscillator frequency transform.Key words THz wave; far infrared pumped; nonlinear frequency transform; THz quantum cascade lasers; oscillator frequency transform

引言

THz(1012)波的发现，填补了现有物理学电磁波谱中毫米波和红外线波段之间的一段空白[1]。太赫兹、亚太赫兹波段的频率为0.1～10 THz，波长为3mm～30μ m。其相对位置是低端连接毫米波，高端接远红外区，即位于半导体电子器件和光子器件之间的波段。若以应用频率范围的载体为坐标，则太赫兹波“空隙”的位置位于“雷达”与“人”之间。

由于技术上的原因，这段介于毫米波和远红外光线之间的波段长时间没有被人涉足。近年来，随着飞秒(10-15s)激光技术的发展和成熟，为发展太赫兹波的研究提供了有效的驱动力。这段位于毫米波和红外之间太赫兹波光谱具有极大的吸引力，其研究领域涉及物理、化学、生物、材料科学和药学的边缘科学。太赫兹波兼有连续波(CW)和脉冲两种形式，其脉冲周期数可减少至1周期，峰值功率可高达10MW。

在太赫兹波领域中存在着无限的机会，例如在太赫兹波的电磁波频率范围内，其基本周期约为1ps，尤其适合许多重要领域的研究：完全受激态原子的里德伯(Rydberg)态轨道的电子频率是太赫兹波；小分子的旋转频率是太赫兹波；室温下气态分子的碰撞时间约1ps等。因此，人们正在努力降低进入研究太赫兹波的门槛。

1.太赫兹波的主要特征

THz波的频率范围处于电子学向光子学的过渡区域，在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠。在频率上，THz波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于所处位置特殊，THz波表现出许多不同于其他电磁辐射的性质：(1)THz光子具有较低的能量(4.1meV@1THz)，比X射线的光子弱107～105倍，不会在生物组织中引起光损伤及光化电离。 (2)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，可以对包括液体、半导体、超导体、生物样品等在内的各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，还可以通过取样测量技术有效地抑制背景辐射噪音的干扰。(3)许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz频段表现出很强的吸收和谐振。不同分子对于THz波的吸收和色散特性是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的，而分子的偶极跃迁犹如人的指纹千差万别。物质的THz光谱包含丰富的物理和化学信息，使得THz波具有类似指纹的唯一性。因此可通过光谱分析实现对分子的识别。(4)THz波是具有量子特性的电磁波，具有类似微波的穿透能力，同时也具有类似光波的方向性。THz波能以很小的衰减穿透很多对于可见光和红外线不透明的物质，如陶瓷、脂肪、布料、木材、纸张、碳板等材料。(5)与传统的光学方法仅仅测量出某一频率光的强度不同，THz波的时域光谱技术直接测量THz波的时域电场。时域数据的傅立叶变换给出了THz波的大小和相位。因此，无需使用Kramers.Kronig色散关系，就可以提供介电常数的实部和虚部。这使测量的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确。(6)THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频率可以覆盖从GHz到几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱特性。

2.太赫兹波产生的方法

根据太赫兹辐射产生的机理，可以将其辐射源分为光学方法和电子学方法两大类。

2.1 光学方法产生THz辐射

2.1.1 基于远红外光泵浦产生THz辐射

1970年，美籍华裔学者张道源等人第一次报道了光泵亚毫米波激光器，其激光介质采用的是甲基氟CH3F，泵浦光源为连续可调谐的Co2激光器[2]。随后，人们相继发现了许多新的激射分子和新的谱线。据Douglas于1989年的统计，仅连续波工作的光泵亚毫米波激光谱线就有4218条，包括95种分子，波长从30～

2.1.2 利用超短激光脉冲产生THz辐射

大多数宽带蝴射源都是基于不同材料的超短激光脉冲受激发射原理，如光电导偶极天线技术、光学整流效应、半导体表面技术、等离子体振荡、非线性传输线等。

2.1.2.1光导天线技术

20世纪90年代初，D.H.Auston和D Griscbkogsky等人用光电导偶极天线技术产生了THz辐射[6]。该方法是目前产生和探测THz波最常用的方法之一。它利用光子能量大于半导体材料禁带宽度的超短脉冲激光泵浦半导体材料(如低温生长的GaAs等)，使其内部产生电子一空穴对，这些载流予在外加偏置电场作用下做加速运动形成一个瞬态光电流，从而辐射出低频THz脉冲。

2.1.2.2光整流技术

1992年，S.L.Chuang等人和X.C.Zhang等人分别报道了半导体表面的光整流效应，并研究了光整流过程的空间对称”[7]。光整流技术是利用电光晶体作为非线性介质.使皮秒量级的超短激光脉冲通过ZnTe电光晶体等非线性介质进行二阶非线性光学过程或高阶非线性光学过程来产生低频电极化场，由此电极化场辐射出THz波，如图1所示。其中激光脉冲特征和非线性介质特性决定了THz波的振幅强度和频率分布。

图1 光整流效应

2.1.2.3半导体表面技术

半导体表面技术，其基本原理是当一个光子能量大于半导体带隙的超短光脉冲照射半导体表面时，入射的光载流于在半导体表面耗尽并被表面电场加速，从而产生超短瞬态电流，进而辐射出THz频率的电磁波。产生的THz波频率可通过改变激发脉冲的入射角进行调整。

1990年，X.C.Zhang等报道了由飞秒激光脉冲激发的光生自由载流子被半导体表面电场加速而产生THz辐射[8]，这是除了光电导天线之外的另一种由瞬态光电流产生脉冲THz辐射的方式。这种方法需要入射光有较高的峰值功率.可获得宽带的THz波输出。目前，很多半导体，如InP、GaAs、GaSb、InSb、CdTe，CdSe、Ge等都可以通过此技术产生THz辐射。

2.1.3 利用非线性频率变换过程产生THz辐射

THz参量振荡器的原理是基于铌酸锂(LiNbo3)晶体同时具有红外和拉曼活性的A1最低对称光学软模的色散特性，近红外的泵浦光子激发出一个频率相近的近红外Stokes光子，此Stokes光子的频率为泵浦光子与振动模之间的差频。同时，由于物质电子和振动的共同作用结果，导致非线性参量过程产生了THz辐射。日本K.Kawase领导的科研小组从上个世纪90年代中期开始，在前人研究的基础上，对此项技术进行了深入系统的研究。1996年，K.Kawase等人利用调Q Nd：YAG激光器泵浦LiNb03晶体参量振荡器，并在LiNb03晶体侧面刻光栅，其耦合效率比使用切角耦合方法提高了250倍[9]。为了进一步提高耦合效率，改善THz波的光束质量，提高输出稳定性，他们还分别采用单Si棱镜和阵列棱镜耦合输出THz波，耦合效率提高了8倍。为了提高THz波频率的调谐速度，他们将以往旋转非线性晶体的角度发展为改变泵浦光的入射角度，这样在较短的时间内能够获得1～2THz的THz波连续调谐输出。

2.2 电子学方法产生THz辐射

2.2.1 THz量子级连激光器

THz量子级连激光器体积小、能耗低、便于集成，是人们希望的一种THz波辐射源。1994年，美国贝尔实验室发明的量子级连激光器(QCL)将固体半导体激光器技术延伸到THz波段。量子级连激光器是只有电子参与的单极型激光器。电子从较高的能量状态跃迁到较低的能量状态，发射出光子，其激射波长取决于由量子限制效应决定的量子阱两个激发态之间的能量差，与半导体材料的能隙无关。一般使用的材料体系是GaAs/AIGaAs和InGaAs/InAIAs/InP。但长期以来，THz量子级连激光器在实验方面都没有获得实质性突破。直到2002年，意大利NEST-INFM和英国剑桥大学在Nature上报道了THz QCL的实验结果，其中THz波频率4.4THz、温度50K、脉冲功率20mW[10]。此后，很多国家采用不同的半导体材料相继开展了THz QCL的研究工作。2004年，美国MIT研制的THz QCL的工作频率为2.1THz，连续波功率lmW，温度93K，脉冲功率20mW，温度137K[11]。近几年来，中国科学院上海微系统研究所和中国科学院半导体研究所也已经开展了此方面的研究，并取得了一定的成果。

2.2.2 利用自由电子的THz辐射源

近几年来，利用真空电子学方法产生THz辐射的研究取得了很大的进展，其中包括真空电子器件、电子迪旋脉塞以及自由电子激光器等。真空电子器件如返波管(BWO)、耿氏(Gunn)振荡器、布洛赫(Bloch)振荡器、扩展互作用振荡器(EIO)、绕射辐射器件(Orotron)等的工作频率已接近或达到1THz。电子遛旋管有望在1THz以上产生千瓦级的脉冲输出，平均功率可达几十瓦以上。自由电子激光器(Free electron laser, FEL)是一种传统的THz辐射源。由粒子加速器提供的高速电子流通过偏转磁铁导入一个扭摆磁场，电子在洛伦兹力作用下加速运动，通过自发辐射产生THz电磁波。

2002年，Nature上报道了由美国Brookhaven、Lawrence Berkeley国家实验室以及Jefferson实验室提出的一种电子学和光子学相结合产生THz的新方法[12]。该方法利用飞秒激光照射GaAs晶体，发射出电子束，再用加速器将电子束加速到40MeV，电子在磁场作用下做旋转运动从而发射出相干THz辐射。采用该方法可以获得20W的连续THz辐射。

2005年4月7日，中国工程物理研究院宣布我国首台基于自由电子激光的THz辐射源建成并出光，THz辐射波长为115 μm(2.6THz)，谱宽l%[13]。该成果标志着我国第一台可调谐相干THz光源建成出光，填补了国内空白。

2.2.3 基于高能加速器的THz辐射源

2005年，在美国Honolulu召开的THz辐射源研讨会上报道了用静电加速器的FEL，可以在0.15～6THz产生1kW的准连续波输出[14]。这一研究结果是迄今为止最重要的成果之一。

2.2.4 电子学振荡器频率转换(倍频)

频率上转换可以通过一系列的平面GaAs肖特基二极管倍增器来实现。该方法是一种能够产生低功率(<100μW)连续波THz辐射源的方法。第一台工作在1THz以上的平面肖特基倍增器通过使用薄膜技术实现的，在室温下能产生80μW的1.2THz辐射。使用同样的技术还制成了三倍增器，在2.7THz时输出功率为lμ W。THz倍增器结构紧凑并且高度集成，是一种非常有发展潜力的小型化、高效率的THz辐射源。

3.THz波的探测

THz探测器主要分为四大类：(1)辐射量热计(Bolometer)和热释电探测器。该装置使用方便，但只能做非相干检测，不能获得相干波的相位信息，响应速度一般比较慢。(2)电子探测器，包括混频器和差频检测。该装置能进行相干检测，获得相位信息，其特点是成本较低，结构紧凑。(3)光电导偶极天线及其阵列，特点是其暗流和噪声较低。(4)用飞秒激光取样的电光晶体，其特点是具有极宽的频谱响应和非常高的测量信噪比。如，在ZnTe晶体中很容易实现THz波与探测光(λ=800nm)的相互匹配，使探测光的群速度与THz波的相速度相等，是目前使用最多的一种电光晶体。

4.结论

THz波辐射是介于可见光和毫米波之间、辐射频率在10[12]Hz附近的一种电磁辐射。凝聚态物质的声子频率、大分子的振荡频率又正好落在THz波段，在很多相关的特征谱中，包含着非常丰富的物理和化学信息。人们在物理、材料、生物、信息等领域，采用THz波辐射对研究对象进行扫描成像和光谱检测等的应用研究，并对THz波及其相关技术、THz波主要特征、THz波辐射产生的方法和THz波的探测方法等进行了大量有意义的工作。

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Research on THz wave and its generation method

Wang Lei Li Biao
College of electronic Science and Engineering, ATR Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha, 410073

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.015 3030μm，覆盖了整个THz波段。1999年，E.M.Telles等人报道了Co2激光泵浦CH3oH，又发现了8条新THz谱线，波长范围48.8～453.7μm[3]。2004年，L.F.L.Costa等人用Co2激光泵浦CH3oD分子，发现了17条新THz激光谱线[4]。2005年，T.J.Garrod等人对光泵CHD20H辐射的11条激光谱线进行了精确测量[5]。光泵THz激光器已成为目前比较成熟的THz信号源之一，并且实现了商业化。

王磊(1984-)，男，汉族，陕西西安人，国防科学技术大学电子科学与工程学院，工程硕士，主要从事THz产生和探测技术的研究。