太赫兹技术

太赫兹技术
太赫兹定义：
太赫兹波通常指频率在 0.1～10 THz，或者波长在 3 mm～30um 的电磁辐射，它处于红外波与微波之间，在低频区与毫米波重叠，在高频区与红外波重叠，如下图所示，其在电磁波谱的特殊位置决定了它具有非常独特的辐射特性。

1 THz（1×1012Hz）对应的波长为 300um波数为 33 cm-1，单光子能量为 4.1 meV；在室温下，热噪声 kBT/h ≈ 6THz可见太赫兹辐射的光子能量与室温下的热噪声相当。

太赫兹特点：
第一，低能量，1THz电磁辐射的单光子能量只有4.1meV，不及X射线电磁辐射单光子能量的百万分之一，在医学检查和无损检测方面具有广泛的应用前景。

第二，宽频谱，脉冲太赫兹辐射的频谱范围从几十GHz到几十个THz，许多生物大分子的振动和转动能级，以及半导体，超导材料等的声子振动能级都在
THz频段，在光谱分析和物质识别等方面具有非常广泛的应用前景。

第三，强穿透，大部分非极性材料在THz波段没有明显的吸收，因此THz辐射对于这些材料有非常强的穿透能力，THz技术在公共场所进行安全检查方面具
有非常强的应用前景。

第四，瞬态性，脉冲THz辐射的典型时间宽度大约在ps或者亚ps量级，可以对材料进行超快时间研究；目前，利用THz时域光谱技术，可以得到大于104
的强度信噪比，远远高于FTIR技术。

太赫兹产生：
随着超短脉冲激光技术的飞速发展，为太赫兹脉冲的产生提供了有效且稳定的激发光源，配合半导体技术的日益完善以及加工工艺的日趋成熟，D. H. Auston和 D. Grischkowsky等在20 世纪80 年代利用天线辐射原理，设计制作了多种结构的偶极子天线，沉积到Ⅲ-Ⅴ族半导体材料（GaAs，InP等）表面上，利用超短飞秒脉冲激光激发这些半导体材料产生光生载流子，同时给天线电极两端施加一个偏压电场，在此作用下半导体材料表面会形成瞬变光电流，这种随时间快速变化的光电流可以向外辐射太赫兹波。

1992 年，张希成（X. C. Zhang）等利用光整流作用产生了相干太赫兹辐射，该机制是利用一束超短激光脉冲入射到一个非线性介质（如LiNbO3，LiTaO3，ZnTe 等）中，根据傅里叶变换理论，该光束可以分解成一系列单色光的叠加，这些单色光在非线性介质中发生混合，产生和频振荡和差频振荡，其中差频振荡会产生一个低频振荡的时变电极化场，如果入射激光脉冲的脉冲宽度在亚皮秒量级，则这个瞬变的电极化场可以向外辐射太赫兹波。

90 年代后期，H. Hamster 等利用超短激光脉冲聚焦空气形成等离子体向外辐射太赫兹波，吸引了人们的广泛关注。

21 世纪初期，M. Kress 等在空气等离子体产生太赫兹波的基础上，利用BBO 晶体诱导激发四波混频效应产生太赫兹辐射，将超快太赫兹辐射源研究推向一个新高度。

以上产生太赫兹辐射的方法都是利用激光光源作为激励源产生太赫兹辐射，这些方法产生的太赫兹辐射频率一般在1THz 以上，具有一定的频谱宽度，相干度比较好，但是太赫兹辐射的能量很大程度上依赖于激励源的能量，而且转化效率非常低，一般在千分之一以下，因此获得的太赫兹辐射平均功率比较低，通常在微瓦量级以下，很大程度上限制了太赫兹波的应用。

为了寻求高功率的太赫兹辐射源，科学家们从电子学角度出发，设计制作了一些特殊的电子器件，可以辐射出mW量级以上的低频（<1THz）连续太赫兹辐射，在工业和军事等领域具有非常大的应用前景。

20 世纪80 年代末期，P. Guidee等首次利用返波振荡器（BWO）实现了850GHz～1THz 的可调谐太赫兹辐射，平均辐射功率达到2mW。

2002 年，英国和意大利科学家们合作研制出世界第一个太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），太赫兹辐射功率达到2mW。

同年，M. C. Martin等利用自由电子激光器（FEL）获得1W/cm2的太赫兹辐射功率密度。

2003年，M. Kuntze等利用回旋管（Gyrotron）获得了千瓦级峰值功率的太赫兹连续辐射。

尽管这些电子学方法可以产生高功率的太赫兹波辐射，但是存在着诸多局限因素，比如设备体积庞大、成本昂贵、系统结构复杂、难于维护等，很大程度上限制了太赫兹技术的应用发展。

太赫兹探测
20 世纪80 年代，Auston等利用多种不同结构的偶极天线首次探测到脉冲太赫兹信号，这种方法称之为光电导采样（Photoconductive Sampling），它是基于光电导天线发射机理的逆过程发展起来的一种脉冲太赫兹探测技术。

1996 年，张希成等利用自由空间电光采样技术（Free-Space-Electro-Optic Sampling）对太赫兹脉冲信号进行了测量。

相比较光电导采样技术，这种方法可以获得更宽的测量带宽，且稳定性更高，同时具有较高的灵敏度，引起了人们的广泛关注。

无论是光电导采样还是自由电光采样，都是一种间接测量太赫兹辐射的手段，而在有些情况下，我们需要直接对太赫兹辐射功率进行测量。

1994 年，Richard 等利用测辐射热计（Bolometer）直接探测连续太赫兹辐射源的功率。

1996 年，M. I. Dyakonov等利用场效应晶体管（Field Effect Transistor）实现了太赫兹辐射能量测量。

2000 年，Komiyama 研究小组利用量子点探测器实现了太赫兹单光子探测。

对于连续太赫兹辐射的直接测量，类似的探测器件还有高莱探测器（Golay Cell）、热释电探测器、肖特基二极管，量子环探测器，以及碳纳米管等。

太赫兹应用
太赫兹波在电磁波谱上的位置决定了其具有独特的辐射性质，如较高的辐射频率、超短脉冲宽度、低辐射光子能量、强穿透特性，以及辐射相干特性等，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

其中，太赫兹时域光谱技术和成像技术构成了太赫兹波应用的两个主要关键技术，运用这两个技术手段可在生物医学、无损检测、材料分析，以及安全检查等领域进行广泛的研究。