光整流产生泰赫兹辐射的原理及研究进展
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( 山东科技大学理学院 , 266510, 山东青岛 第一作者 43 岁 , 男 , 副教授 )
*
摘要 泰赫兹辐射是电磁波谱中很窄的一部分 , 随着飞秒激光技 术的成熟和自 由电子激光 器的发展 , 对 产生泰赫 兹辐射的
辐射源以及泰赫兹波的性质的研究越来越深入 . 本文着重介绍近几年发 展起来的几种 用非线性光学 方法产生 泰赫兹辐 射的基本 原理 .
2006 年 12 月 第 21 卷 第 4 期
山 东 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) Journal of Shandong Normal University( Natural Science)
Dec. 2006 Vol. 21 No. 4
光整流产生泰赫兹辐射的原理及研究进展
李德华 周 薇
2
光整流引起的电极化强度的二阶时间导数
E-
1 c2
2
D ( 1) 4 = 2 t2 c
2
P ( 2) . t2
( 3)
式中 P ( 2) 是二阶非线性系数 x ( 2) 和激光脉冲频域强度之积 . 假设激光沿 z 轴方向传播 , 脉冲宽度为 ∀G , 如果激光脉冲时域分布 为高斯型分布 , 即 I ( # ) = I 0 ( #) exp( - ( ∀G # ) 2 / 2) , 由此可 得 P ( 2) ( z , # ) = #x ( 2) ( # ) I ( # ) exp( i#z v g ) . E THz ( z , #) = #2 x ( 2) ( #) I ( #) z sin c (
但是tpo的腔必须可旋转以满足位相偶合条件这会影响了调谐的速度gase晶体中已获得了连续可调谐的相干泰赫兹辐射15gase在泰赫兹波段吸收064nmlinbo3泰赫兹参量振荡实验原理效率低转换效率高可以获得较大的功率输出这种方法产生的泰赫兹辐射gase的能带所决定目前限制在27thz范围内目前关于泰赫兹辐射的研究基本上限于实验室阶段研究的方向不外乎以下几个方面光整流法产生泰赫兹辐射具有较高的时间分辨率较宽的波谱范波形可以合成而且试验调整简单但是很难获得相位匹配输出功率有限而且需要飞秒激光器其价格昂贵用差额法产生泰赫兹辐射可以产生较窄的输出线宽可以实现连续输出而且只需要纳秒激光器但调整困难并且需要两台激光器参量振荡法可以实现频率调谐但输出功率有限理想的泰赫兹源应该具有小型化宽调谐范围易调整输出稳定等特点基于能级间跃迁的相干泰赫兹辐射还没有研制出来在这领域还有很多工作要做参考文献carrmckinneyetalhigh2powerterahertzradiationfromrelativisticelectronsjnature200242011
3
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9]
参考文献
Carr G L, Mart in M C, M cKinney W R , et al. High power t erahert z radiat ion from relat ivistic electrons[ J] . Nature, 2002, 420( 11) : 153~ 155 Auston D H, Cheugn K P, Smith P R. Picosecond photon coducting Hertzian dipoles[ J] . Appl Phys Lett 1984, 45( 3) : 284~ 286 Joffre M, Bonvalet A, Migus A, et al . Femtosecond diffracting fourier transform infrared interferometer[ J] . Ope Express, 1996, 21( 3) : 964~ 966 Leitenstorf er A, Hunsche S, Shan J, et al. Detect ors and sources for ultrabroad band dlect ro optic sampling: Experiment and theory[ J] . Appl Phys Lett, 1999, 74( 11) : 1 516~ 1 518 Fatt inger C, Grischkowsky D. Point source t erahert z[ J] . Optics Appl Phys Lett, 1988, 53( 16) : 1 480~ 1 482 Ziolkowski R W, Judkins J B. Propagat ion characterist ics of ultra wide bandwidth pulsed Gaussian beams[ J] . J Opt Soc Am, A 1992, ( 11) : 2 021~ 2 030 Darrow J T, Zhang X C, Auston D H. Power scaling of large aperture photoconducting ant ennas[ J] . Appl Phys Lett , 1991, 58( 1) : 25~ 27 Darrow J T, Zhang X C, Auston D H, et al. Saturation propert ies of large aperture photoconducting antennas[ J] . IEEE J of Quantum Electron 1992, 28( 6) : 1 607~ 1 616 Jepsen P U , Jacobsen R H, Keiding S R. Generation and detect ion of terahertz pulses from biased semiconduct or antennas[ J] . J Opt Soc Am, B 1996, 13 ( 11) : 2 424~ 2 436
图 3 1 064 nm 泵浦 LiNbO3 泰赫兹参量振荡实验原理
第4期
李德华 , 等 : 光整流产生泰赫兹辐射的原理 及研究进展
49
2
结
论
增 加输出功率 , ! 扩 展光谱范
目前 , 关于泰赫兹辐射的研究基本上限于实验室阶 段 , 研究的方向不外乎以 下几个方面 :
围 , ∀ 输出光谱的可调谐性 . 前面介绍的几种方法各有优劣 . 光整 流法产生泰赫兹辐射 具有较高的 时间分辨率 , 较宽 的波谱范 围 , 波形可以合成 , 而且试验调整简单 , 但是很难获得相 位匹配 , 输 出功率 有限 , 而且需 要飞秒 激光器 , 其价 格昂贵 ; 用 差额法 产生泰赫兹辐射可以产生较窄的输出线宽 , 可 以实现连续输 出 , 而 且只需 要纳秒 激光器 , 但调 整困难 , 并 且需要 两台激光 器 ; 参量振荡法可以实现频率调谐 , 但输出功率有 限 . 理想的泰赫兹源应该具有小 型化 , 宽调谐范围 , 易调 整 , 输出 稳定等特 点 . 另 外 , 基于能级间跃迁的相干泰赫兹辐射还没有 研制出来 , 在这领域还有很多工作要做 .
2 0 n 0
p ( t) n p ( t) n2 + 2 + 2 r3 cr t c r
2
p ( t) sin . ( 1) t2
图1
振荡光整流
式中 c 是光速 ,
是真空中介电常数 , n 是介质 折射率 . 其中 第一项 可以 认为是 电偶 极子产 生的 准静电 场 , 第二 项是近 场电 !0 4 0 ! e I( t ) p ( t) 或 E( t ) = - 0 , 4 0 t t2
关键词 泰赫兹波 ;
非线性光学 ;
光整流
中图分类 号 O 432. 1 泰赫兹波是电磁波谱中频率介于 0. 1~ 10 THz 的一部分 , 它 在电磁波谱 中处于 红外线 和毫米 波之间 , 是目 前我们 了解较 少的一种电磁辐射 , 原因主要在于至今还无法 获得足够强的泰赫兹辐射 . 泰赫兹辐射在医学成像 , 凝聚态物理 , 天文 等研 究领域 有广 泛的应 用前 景 . 然而 获得稳 定的、 可 利用的 泰赫 兹波并 非易 事 . 一般毫米波可以用无线电方法获得 , 用这一方法产生的电磁波扩展不到泰赫 兹波段 ; 红外线可 用光学方法 产生 , 但随着频 率的降低 , 光辐射现象逐渐消失 . 迄今为止 , 产生泰赫兹 辐射的 方式可 分为两类 , 一 类是用 电子学 方法产生 泰赫兹 辐射 , 如后 向波振荡( Backward Wave Oscillator) 和自由电子激光 ( Free Electronics Lasers) , 用自由电子激光方法已经获 得了接近 20W 的泰赫 兹辐射 [ 1] , 是目前获得的最大功率的泰赫兹辐射 . 另一类是用 非线性 光学办 法产生 泰赫滋 辐射 . 本文主 要介绍 用非线 性光学 方法产生泰赫兹辐射的基本原理及其进展情况 .
[ 12]
( 4) ∃k z ). 2
THz
式中 v g 是光脉冲的群速度 , 方程 ( 3) 产生的泰赫兹波电场强度 为 式中 ∃ k
THz
( 5)
= k - # v g 是产生的泰赫兹脉冲和入射光脉冲之间的动量差
. 最终产生的泰赫兹 脉冲应该 是空间各点 所产生泰
赫兹波的叠加 . 如果不存在动量不匹配 , 泰赫兹脉冲与入射光脉冲应该有相同的强度波形 . 入射光脉冲宽度一般为 100 飞秒左 右 , 因此 , 所产生的泰赫兹波的频谱宽度一般只有几个泰赫兹 . 图 2 所示为一个泰赫兹脉冲波形和它的 频谱 .
* 山东省教育厅科技计划基金资助项目 ( J04A 06) 收稿日期 : 2006- 07- 16
48
1. 2 光整流法
山 东 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
第 21 卷
用光电晶体通过 光整流产生泰赫兹脉冲的原理 [ 11] 可用下面麦克斯韦方程描述 , 泰赫兹 波的电场强 度正比于
图 2( a)
时域 THz 脉冲
图 2( b)
THz 脉冲付立叶频谱
由式 ( 5) 可以看出 , 当介质对泰赫兹波段的折 射率等于入射光脉冲的折射率 时 , 产 生的泰赫兹 波强度达到 最大值 . 当两种 波同时在介质中传播距离 l # = c∀G / ( nTHz - nop t ) 时 , 光脉冲超前泰赫兹脉 冲 ∀G , 因此 , 光脉冲 在不同位 置产生的 泰赫兹 波相位 也不同 , 最后由晶体发出的泰赫兹波只是晶体 表面产生的泰赫兹波 . 用光整流法产生泰赫兹辐射存在的主要问题是 , 在 晶体内部 光脉冲 传播速 度总是 比泰赫 兹脉冲 传播速 度快 , 因此 , 在很 多非线性晶体内部很难获得速 度匹 配 , 例 如 LiNbO3 . 目前 , 在实 验室 中 ZnTe 晶体 可以 获得 较好 的速 度匹 配 , 但 ZnT e 晶 体对 3. 7 THz[ 13] 和 800 nm 的光 有很强的吸 收 ; ZnSe 晶 体中在电 子跃迁频率 附近有较 强的色散 , 因此 , ZnSe 晶体中 有较好的 速度匹 配 . 类似的晶体还有 GeSe 和 DAST . 在这些晶体中只有对某些特色的泵浦 光频率和某些特定的泰赫兹频率可以获得速度匹配 . 用周期极化铌酸锂晶体进行光整流 [ 14] 可产生窄波段可调谐泰 赫兹辐射 , 它的基本 原理是用 超短光 脉冲产 生宽带 的泰赫 兹辐射 , 使周期性极化晶体的极化周期满 足这些 宽带辐 射准相 位匹配条 件 , 如果晶体 极化周 期 ld = l # , 则在 晶体 内产生 N 2 个周期的泰 赫兹辐射 , N 是 晶体样品内极化周期的个数 , 如 果晶体 极化周期 是严格 的周期 性的 , 则产生 的泰赫 兹辐射 周期可 以达到 ∃tf = 2 ld ( nTHz - n opt ) / c , 所 产生的泰赫兹的频率可以通过改变晶体极化周期的长度来调节 . 1. 3 TPO 和 DFG 方法 TPO 和 DFG 方法原理基 本相同 , 这种 方法是用纳秒激光器或 连续激 光器 , 用 参量振 荡位 相匹配 差 频的办法产生泰赫兹辐 射 . 泰 赫兹波 段的参 量振 荡 ( TPO) , 类 似于光学参量振荡 ( OPO) , 用 重复 频率 50 Hz 的 调 Q Nd: YAG 激光泵浦 LiNbO3 晶体 , 实验装置如图 3 所示 , LiNbO3 晶体置于 平面镜 M1, M2 构 成 的法 布里 - 波罗 腔 内 , M1, M2 可以 反 射 1. 07 !m 的闲频光 , 使 泵浦 光通 过 , 泰赫 兹波 通过 阵列 硅棱 镜 偶合出来 , 输出的泰赫 兹波线 宽在 100 GHz, 而 调谐 的范围 在 kHz 范围 . TPO 的优点是实验设计 简单 , 可以室温 运行 , 调 谐范 围从 1 THz- 3 THz. 但是 TPO 的腔 必须可旋 转以满 足位相 偶 合条件 , 这会影响了调谐的速 度 . 目前 , 在 GaSe 晶 体中已 获得 了连续可调谐的相干泰赫兹辐射 [ 15] . GaSe 在泰赫 兹波段 吸收 效率低 , 转换效率高 , 可 以获得 较大 的功率 输出 , 这 种方法 产 生的泰赫兹辐 射 , 由 GaSe 的能 带所决 定 , 目 前限制 在 0. 18~ 5. 27 THz 范围内 .
场 , 第三项是远场电场 , 因此 , 远离偶极子处轴向电场可 表示为
2
E( t) =
( 2)
实际上 , 由于光脉冲所激发的各点均产生泰赫兹辐射 , 最后产 生的电 磁场辐 射是各 电偶极 子产生 的电磁场 辐射的 叠加 , 它具 有较高的发散性 , 通常用透镜来汇聚辐射源发 出的辐射 [ 5] . 随 着超短 激光脉 冲技术 的发展 , 这种 办法产 生的泰 赫兹辐 射功射 更大 , 发散角更小 , 而且仍然可以看作是不同电偶极子产生的电磁场的叠加 , 公式 ( 2) 仍然成立 [ 6] . 用光导 开关产生泰赫兹辐射 , 强度通常与入射光脉冲的强度 成正比 , 随 着入射脉冲 强度的增 加 , 辐 射会出现饱 和现象 [ 7] . 另外 , 产生泰赫兹辐射的强度和偏置电场关系 基本上也是 线性的 [ 8] , 但如果 偏置电 压太高 则会出 现击穿现 象 . 通常用 做光电 导的材料有掺 Cr 的砷化钙 [ 9] , 低温 生长的砷化钙等等 [ 10] .
1
泰赫兹辐射源
第一个相干泰赫兹辐射源是用 100 飞秒的激光脉冲触发光导开关 产生的 [ 2] . 光 导开关有 时也称为振 荡光整 流 , 子 , 在外加偏置电场或表面电 场作用 下载流 子加速 运动并 产生泰 赫兹辐射 . 另 外一类 产生泰 赫兹辐射的光学方法称为光整流 , 它利用入射 光脉冲在晶体内的二阶非线性效应产生 泰赫兹的辐 射 . 光 整流法是产 生泰赫兹 辐射的一种 非常有效的方法 [ 3] . 目前 , 大多数的泰 赫兹辐射都 是基于 超短激 光脉冲 触发原 理产生 的 . 用 光整流 产生泰 赫兹辐 射的波谱范围可以从 100 GHz 到 70 THz[ 4] . 其它 非线性光学方法 , 如 泰赫兹参 量振荡 , 简 称 TPO( Terahertz Parameter Oscillator) , 和差频法 , 简称 DFG( Difference Frequency Generation) , 其产生泰赫兹辐射的 原理与光整流方法本质上相似 , 本文也将给予介绍 . 1. 1 光导开 关 光 导开关 产生泰 赫兹辐 射的原 理如图 1 所 示 . 当入射光脉冲的光子能量高于被入 射物质能 级带宽 , 载流 子被激发到导带 , 这些载流子在外加电 场作用下 加速运动 , 电 流密度迅速增加并产生 辐射 . 这种 辐射 的机理 可以 用电偶 极 子模型来近 似描述 , 在距离电 偶极子 距离为 r , 与 电偶极 子轴 向夹角为 E ( t) = 的场点 , 电场强度可以表示为 1 4
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摘要 泰赫兹辐射是电磁波谱中很窄的一部分 , 随着飞秒激光技 术的成熟和自 由电子激光 器的发展 , 对 产生泰赫 兹辐射的
辐射源以及泰赫兹波的性质的研究越来越深入 . 本文着重介绍近几年发 展起来的几种 用非线性光学 方法产生 泰赫兹辐 射的基本 原理 .
2006 年 12 月 第 21 卷 第 4 期
山 东 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) Journal of Shandong Normal University( Natural Science)
Dec. 2006 Vol. 21 No. 4
光整流产生泰赫兹辐射的原理及研究进展
李德华 周 薇
2
光整流引起的电极化强度的二阶时间导数
E-
1 c2
2
D ( 1) 4 = 2 t2 c
2
P ( 2) . t2
( 3)
式中 P ( 2) 是二阶非线性系数 x ( 2) 和激光脉冲频域强度之积 . 假设激光沿 z 轴方向传播 , 脉冲宽度为 ∀G , 如果激光脉冲时域分布 为高斯型分布 , 即 I ( # ) = I 0 ( #) exp( - ( ∀G # ) 2 / 2) , 由此可 得 P ( 2) ( z , # ) = #x ( 2) ( # ) I ( # ) exp( i#z v g ) . E THz ( z , #) = #2 x ( 2) ( #) I ( #) z sin c (
但是tpo的腔必须可旋转以满足位相偶合条件这会影响了调谐的速度gase晶体中已获得了连续可调谐的相干泰赫兹辐射15gase在泰赫兹波段吸收064nmlinbo3泰赫兹参量振荡实验原理效率低转换效率高可以获得较大的功率输出这种方法产生的泰赫兹辐射gase的能带所决定目前限制在27thz范围内目前关于泰赫兹辐射的研究基本上限于实验室阶段研究的方向不外乎以下几个方面光整流法产生泰赫兹辐射具有较高的时间分辨率较宽的波谱范波形可以合成而且试验调整简单但是很难获得相位匹配输出功率有限而且需要飞秒激光器其价格昂贵用差额法产生泰赫兹辐射可以产生较窄的输出线宽可以实现连续输出而且只需要纳秒激光器但调整困难并且需要两台激光器参量振荡法可以实现频率调谐但输出功率有限理想的泰赫兹源应该具有小型化宽调谐范围易调整输出稳定等特点基于能级间跃迁的相干泰赫兹辐射还没有研制出来在这领域还有很多工作要做参考文献carrmckinneyetalhigh2powerterahertzradiationfromrelativisticelectronsjnature200242011
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[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9]
参考文献
Carr G L, Mart in M C, M cKinney W R , et al. High power t erahert z radiat ion from relat ivistic electrons[ J] . Nature, 2002, 420( 11) : 153~ 155 Auston D H, Cheugn K P, Smith P R. Picosecond photon coducting Hertzian dipoles[ J] . Appl Phys Lett 1984, 45( 3) : 284~ 286 Joffre M, Bonvalet A, Migus A, et al . Femtosecond diffracting fourier transform infrared interferometer[ J] . Ope Express, 1996, 21( 3) : 964~ 966 Leitenstorf er A, Hunsche S, Shan J, et al. Detect ors and sources for ultrabroad band dlect ro optic sampling: Experiment and theory[ J] . Appl Phys Lett, 1999, 74( 11) : 1 516~ 1 518 Fatt inger C, Grischkowsky D. Point source t erahert z[ J] . Optics Appl Phys Lett, 1988, 53( 16) : 1 480~ 1 482 Ziolkowski R W, Judkins J B. Propagat ion characterist ics of ultra wide bandwidth pulsed Gaussian beams[ J] . J Opt Soc Am, A 1992, ( 11) : 2 021~ 2 030 Darrow J T, Zhang X C, Auston D H. Power scaling of large aperture photoconducting ant ennas[ J] . Appl Phys Lett , 1991, 58( 1) : 25~ 27 Darrow J T, Zhang X C, Auston D H, et al. Saturation propert ies of large aperture photoconducting antennas[ J] . IEEE J of Quantum Electron 1992, 28( 6) : 1 607~ 1 616 Jepsen P U , Jacobsen R H, Keiding S R. Generation and detect ion of terahertz pulses from biased semiconduct or antennas[ J] . J Opt Soc Am, B 1996, 13 ( 11) : 2 424~ 2 436
图 3 1 064 nm 泵浦 LiNbO3 泰赫兹参量振荡实验原理
第4期
李德华 , 等 : 光整流产生泰赫兹辐射的原理 及研究进展
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结
论
增 加输出功率 , ! 扩 展光谱范
目前 , 关于泰赫兹辐射的研究基本上限于实验室阶 段 , 研究的方向不外乎以 下几个方面 :
围 , ∀ 输出光谱的可调谐性 . 前面介绍的几种方法各有优劣 . 光整 流法产生泰赫兹辐射 具有较高的 时间分辨率 , 较宽 的波谱范 围 , 波形可以合成 , 而且试验调整简单 , 但是很难获得相 位匹配 , 输 出功率 有限 , 而且需 要飞秒 激光器 , 其价 格昂贵 ; 用 差额法 产生泰赫兹辐射可以产生较窄的输出线宽 , 可 以实现连续输 出 , 而 且只需 要纳秒 激光器 , 但调 整困难 , 并 且需要 两台激光 器 ; 参量振荡法可以实现频率调谐 , 但输出功率有 限 . 理想的泰赫兹源应该具有小 型化 , 宽调谐范围 , 易调 整 , 输出 稳定等特 点 . 另 外 , 基于能级间跃迁的相干泰赫兹辐射还没有 研制出来 , 在这领域还有很多工作要做 .
2 0 n 0
p ( t) n p ( t) n2 + 2 + 2 r3 cr t c r
2
p ( t) sin . ( 1) t2
图1
振荡光整流
式中 c 是光速 ,
是真空中介电常数 , n 是介质 折射率 . 其中 第一项 可以 认为是 电偶 极子产 生的 准静电 场 , 第二 项是近 场电 !0 4 0 ! e I( t ) p ( t) 或 E( t ) = - 0 , 4 0 t t2
关键词 泰赫兹波 ;
非线性光学 ;
光整流
中图分类 号 O 432. 1 泰赫兹波是电磁波谱中频率介于 0. 1~ 10 THz 的一部分 , 它 在电磁波谱 中处于 红外线 和毫米 波之间 , 是目 前我们 了解较 少的一种电磁辐射 , 原因主要在于至今还无法 获得足够强的泰赫兹辐射 . 泰赫兹辐射在医学成像 , 凝聚态物理 , 天文 等研 究领域 有广 泛的应 用前 景 . 然而 获得稳 定的、 可 利用的 泰赫 兹波并 非易 事 . 一般毫米波可以用无线电方法获得 , 用这一方法产生的电磁波扩展不到泰赫 兹波段 ; 红外线可 用光学方法 产生 , 但随着频 率的降低 , 光辐射现象逐渐消失 . 迄今为止 , 产生泰赫兹 辐射的 方式可 分为两类 , 一 类是用 电子学 方法产生 泰赫兹 辐射 , 如后 向波振荡( Backward Wave Oscillator) 和自由电子激光 ( Free Electronics Lasers) , 用自由电子激光方法已经获 得了接近 20W 的泰赫 兹辐射 [ 1] , 是目前获得的最大功率的泰赫兹辐射 . 另一类是用 非线性 光学办 法产生 泰赫滋 辐射 . 本文主 要介绍 用非线 性光学 方法产生泰赫兹辐射的基本原理及其进展情况 .
[ 12]
( 4) ∃k z ). 2
THz
式中 v g 是光脉冲的群速度 , 方程 ( 3) 产生的泰赫兹波电场强度 为 式中 ∃ k
THz
( 5)
= k - # v g 是产生的泰赫兹脉冲和入射光脉冲之间的动量差
. 最终产生的泰赫兹 脉冲应该 是空间各点 所产生泰
赫兹波的叠加 . 如果不存在动量不匹配 , 泰赫兹脉冲与入射光脉冲应该有相同的强度波形 . 入射光脉冲宽度一般为 100 飞秒左 右 , 因此 , 所产生的泰赫兹波的频谱宽度一般只有几个泰赫兹 . 图 2 所示为一个泰赫兹脉冲波形和它的 频谱 .
* 山东省教育厅科技计划基金资助项目 ( J04A 06) 收稿日期 : 2006- 07- 16
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1. 2 光整流法
山 东 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
第 21 卷
用光电晶体通过 光整流产生泰赫兹脉冲的原理 [ 11] 可用下面麦克斯韦方程描述 , 泰赫兹 波的电场强 度正比于
图 2( a)
时域 THz 脉冲
图 2( b)
THz 脉冲付立叶频谱
由式 ( 5) 可以看出 , 当介质对泰赫兹波段的折 射率等于入射光脉冲的折射率 时 , 产 生的泰赫兹 波强度达到 最大值 . 当两种 波同时在介质中传播距离 l # = c∀G / ( nTHz - nop t ) 时 , 光脉冲超前泰赫兹脉 冲 ∀G , 因此 , 光脉冲 在不同位 置产生的 泰赫兹 波相位 也不同 , 最后由晶体发出的泰赫兹波只是晶体 表面产生的泰赫兹波 . 用光整流法产生泰赫兹辐射存在的主要问题是 , 在 晶体内部 光脉冲 传播速 度总是 比泰赫 兹脉冲 传播速 度快 , 因此 , 在很 多非线性晶体内部很难获得速 度匹 配 , 例 如 LiNbO3 . 目前 , 在实 验室 中 ZnTe 晶体 可以 获得 较好 的速 度匹 配 , 但 ZnT e 晶 体对 3. 7 THz[ 13] 和 800 nm 的光 有很强的吸 收 ; ZnSe 晶 体中在电 子跃迁频率 附近有较 强的色散 , 因此 , ZnSe 晶体中 有较好的 速度匹 配 . 类似的晶体还有 GeSe 和 DAST . 在这些晶体中只有对某些特色的泵浦 光频率和某些特定的泰赫兹频率可以获得速度匹配 . 用周期极化铌酸锂晶体进行光整流 [ 14] 可产生窄波段可调谐泰 赫兹辐射 , 它的基本 原理是用 超短光 脉冲产 生宽带 的泰赫 兹辐射 , 使周期性极化晶体的极化周期满 足这些 宽带辐 射准相 位匹配条 件 , 如果晶体 极化周 期 ld = l # , 则在 晶体 内产生 N 2 个周期的泰 赫兹辐射 , N 是 晶体样品内极化周期的个数 , 如 果晶体 极化周期 是严格 的周期 性的 , 则产生 的泰赫 兹辐射 周期可 以达到 ∃tf = 2 ld ( nTHz - n opt ) / c , 所 产生的泰赫兹的频率可以通过改变晶体极化周期的长度来调节 . 1. 3 TPO 和 DFG 方法 TPO 和 DFG 方法原理基 本相同 , 这种 方法是用纳秒激光器或 连续激 光器 , 用 参量振 荡位 相匹配 差 频的办法产生泰赫兹辐 射 . 泰 赫兹波 段的参 量振 荡 ( TPO) , 类 似于光学参量振荡 ( OPO) , 用 重复 频率 50 Hz 的 调 Q Nd: YAG 激光泵浦 LiNbO3 晶体 , 实验装置如图 3 所示 , LiNbO3 晶体置于 平面镜 M1, M2 构 成 的法 布里 - 波罗 腔 内 , M1, M2 可以 反 射 1. 07 !m 的闲频光 , 使 泵浦 光通 过 , 泰赫 兹波 通过 阵列 硅棱 镜 偶合出来 , 输出的泰赫 兹波线 宽在 100 GHz, 而 调谐 的范围 在 kHz 范围 . TPO 的优点是实验设计 简单 , 可以室温 运行 , 调 谐范 围从 1 THz- 3 THz. 但是 TPO 的腔 必须可旋 转以满 足位相 偶 合条件 , 这会影响了调谐的速 度 . 目前 , 在 GaSe 晶 体中已 获得 了连续可调谐的相干泰赫兹辐射 [ 15] . GaSe 在泰赫 兹波段 吸收 效率低 , 转换效率高 , 可 以获得 较大 的功率 输出 , 这 种方法 产 生的泰赫兹辐 射 , 由 GaSe 的能 带所决 定 , 目 前限制 在 0. 18~ 5. 27 THz 范围内 .
场 , 第三项是远场电场 , 因此 , 远离偶极子处轴向电场可 表示为
2
E( t) =
( 2)
实际上 , 由于光脉冲所激发的各点均产生泰赫兹辐射 , 最后产 生的电 磁场辐 射是各 电偶极 子产生 的电磁场 辐射的 叠加 , 它具 有较高的发散性 , 通常用透镜来汇聚辐射源发 出的辐射 [ 5] . 随 着超短 激光脉 冲技术 的发展 , 这种 办法产 生的泰 赫兹辐 射功射 更大 , 发散角更小 , 而且仍然可以看作是不同电偶极子产生的电磁场的叠加 , 公式 ( 2) 仍然成立 [ 6] . 用光导 开关产生泰赫兹辐射 , 强度通常与入射光脉冲的强度 成正比 , 随 着入射脉冲 强度的增 加 , 辐 射会出现饱 和现象 [ 7] . 另外 , 产生泰赫兹辐射的强度和偏置电场关系 基本上也是 线性的 [ 8] , 但如果 偏置电 压太高 则会出 现击穿现 象 . 通常用 做光电 导的材料有掺 Cr 的砷化钙 [ 9] , 低温 生长的砷化钙等等 [ 10] .
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泰赫兹辐射源
第一个相干泰赫兹辐射源是用 100 飞秒的激光脉冲触发光导开关 产生的 [ 2] . 光 导开关有 时也称为振 荡光整 流 , 子 , 在外加偏置电场或表面电 场作用 下载流 子加速 运动并 产生泰 赫兹辐射 . 另 外一类 产生泰 赫兹辐射的光学方法称为光整流 , 它利用入射 光脉冲在晶体内的二阶非线性效应产生 泰赫兹的辐 射 . 光 整流法是产 生泰赫兹 辐射的一种 非常有效的方法 [ 3] . 目前 , 大多数的泰 赫兹辐射都 是基于 超短激 光脉冲 触发原 理产生 的 . 用 光整流 产生泰 赫兹辐 射的波谱范围可以从 100 GHz 到 70 THz[ 4] . 其它 非线性光学方法 , 如 泰赫兹参 量振荡 , 简 称 TPO( Terahertz Parameter Oscillator) , 和差频法 , 简称 DFG( Difference Frequency Generation) , 其产生泰赫兹辐射的 原理与光整流方法本质上相似 , 本文也将给予介绍 . 1. 1 光导开 关 光 导开关 产生泰 赫兹辐 射的原 理如图 1 所 示 . 当入射光脉冲的光子能量高于被入 射物质能 级带宽 , 载流 子被激发到导带 , 这些载流子在外加电 场作用下 加速运动 , 电 流密度迅速增加并产生 辐射 . 这种 辐射 的机理 可以 用电偶 极 子模型来近 似描述 , 在距离电 偶极子 距离为 r , 与 电偶极 子轴 向夹角为 E ( t) = 的场点 , 电场强度可以表示为 1 4