浅谈太赫兹科学与技术

浅谈太赫兹科学与技术
人类对太赫兹(THz)辐射的认识可以追溯到20世纪初天体物理学家开始进行红外天文学的研究,远处天体上的简单分子如一氧化碳等的振动和转动特征光谱会在太赫兹波段上留下印迹。

时至今日, 红外天文学仍是天体物理研究的一个热点领域。

但是直到过去的二十年时间里, 伴随着更大功率的太赫兹辐射源和更加灵敏的探测装置的发展, 太赫兹研究才得以快速的发展。

太赫兹辐射可定义为0.1~10太赫波段的电磁波振荡。

太赫兹波段在电磁波谱上处在红外辐射和微波之间, 比太赫兹频率更高的红外波段以及更低的微波波段分别属于已经发展得非常成熟的光学和电子学的研究范畴。

相比较而言, 材料在太赫兹波段的性质则尚未被深入研究人们对太赫兹波段的认识首先得益于过去二十年中超快光电子学的发展。

从1980年代利用飞秒激光脉冲在半导体表面实现太赫兹脉冲的发射和探测开始, 物理学家在发展和使用太赫兹技术方面已经取得了很多研究成果。

例如, 发明太赫兹量子级联激光器, 利用太赫兹技术检测飞摩尔含量的无标记DNA单碱基对的差异, 研究多粒子电荷体系与太赫兹光谱相互作用, 利用太赫兹技术对航天飞机隔热材料的无损探伤和近场的太赫兹显微技术等。

太赫兹技术正从实验室走向实际应用
太赫兹辐射光源及探测技术
制约太赫兹科学发展的主要因素是缺乏高功率并可在室温下稳定工作的太赫兹辐射源。

当今高速电子学和激光科学的发展提供了一系列已有的和有潜力的太赫兹光源。

这些太赫兹光源可以被分为非相于的热辐射源、宽波段太赫兹脉冲和窄波段的连续波太赫兹辐射。

热辐射太赫兹源
自然界中存在着丰富的太赫兹辐射, 比如宇宙大爆炸背景辐射的一半能量集中在太赫兹波段, 室温物体热辐射的峰值频率则处于6太赫左右。

实际应用中使用的非相干的太赫兹热辐射源利用太赫兹波段的黑体辐射作为太赫兹光源。

这一光源通常与红外傅里叶变换光谱仪(FTIR)配合使用,FTIR是化学研究中最常见的用来研究分子共振的手段之一, 其优越性是具有很宽的光谱波段, 可以用来研究材料从太赫兹到近红外波段的光谱性质在FTIR的实验中, 宽波段的辐射源通常由电弧灯或加热的SIC棒担任, 样品被置于一个光学干涉仪系统中, 通过改变干涉仪的一个臂的行程, 并利用一个直接的强度测量装置, 如液氦冷却的热辐射测量仪(bololleter)来测量于涉信号。

FTIR系统的缺点是其有限的光谱分辨率和在低频(小于3太赫)较低的灵敏度。

脉冲太赫兹源
通过超快激光脉冲(飞秒激光脉冲)对物质的激发可以得到宽波段的脉冲太
赫兹辐射。

这里的所谓超快激光脉冲激发实际上包含了多种物理机制, 如光生载流子的加速, 电光晶体中的二阶非线性效应等.
光电导天线是常用的太赫兹脉冲发射器它是由一块半绝缘的半导体材料及
其表面互相平行的一对电极构成的。

超快激光脉冲为高速的光电导材料提供瞬态光生自由载流子(光子的能量大于该种材料的能隙宽度), 如果同时在电极上设
置偏置电场, 产生的光生载流子随即被偏置电场加速。

根据经典的电磁理论, 这种瞬变的光电流会辐射电磁波。

光电导材料的一些物理性质会影响产生的太赫兹的辐射的频谱宽度和强度等。

除了外加的偏置电场, 其他的瞬态载流子加速机制, 比如半导体的内建电场加速和光致登伯(photo-Dember) 效应等都会产生太赫兹
辐射。

以半导体材料In As为例, 当超快的飞秒激光脉冲照射在In As半导体晶片
表面, 产生的光生载流子(包括电子和空穴) 由于体密度分布梯度会向半导体的内部扩散。

因为电子和空穴有着不同迁移率, 它们会具有不同的扩散速率, 从而形成净的电荷移动, 称为登伯效应。

电子和空穴之间的空间位移可以形成一个瞬时的垂直半导体表面的偶极子振荡, 这个偶极子振荡将以太赫兹辐射的形式向
外辐射能量。

半导体材料GAas的情况和InAs不同, Ga As中能带在材料表面的弯曲在发射太赫兹辐射中扮演了主要角色。

光生电子一空穴对在表面电场的作用下反向加速, 从而发射太赫兹辐射.
光整流是太赫兹脉冲产生的另一种机制, 它是电光效应的逆过程。

飞秒激光脉冲实际包含一定频谱宽度, 它在非线性晶体中通过二阶非线性过程可以实现
激光频率的下转换, 从而产生太赫兹波段的辐射。

这一过程好像对激光脉冲进行整流, 因此称为光整流过程。

光整流过程中激光能量向太赫兹能量的转换效率主要依赖于材料的非线性系数和相位匹配条件.
常用的两种相干测量的方法是光电导取样和自由空间的电光取样。

自由空间电光取样利用的电光效应是低频电场(太赫兹脉冲)和激光束(光学脉冲)在探测
晶体中的祸合。

太赫兹的电场调制探测晶体的双折射,进而调制了通过探测晶体的探测光束的椭圆偏振度。

测量探测光束被调制的椭偏度可以得到包括所施加的太赫兹电场的强度和相位等信息。

窄波段太赫兹光源
窄波段发射的太赫兹光源对于要求高频谱分辨率的应用是必需的同时由于
差频测量的需要, 窄波段发射在极宽频带卫星通信上也有广泛的应用前景。

很多新的技术目前仍在发展中, 包括无线电波波源升频转换、激光的频率下转换、激光和反向波管等。

利用电子技术产生连续太赫兹辐射目前最常用的辐射源是耿氏(Gunn)二极管振荡器。

耿氏二极管振荡器可以直接产生亚太赫兹的电磁辐射, 然后利用微波的升频转换的技术获得更高频率的辐射。

升频转换通常是通过使用一个平面肖特基二极管倍增器链实现的, 利用这种方法可以获得频率高达2. 7太赫的辐射.
气体激光器是另一种常用的得到太赫兹辐射的方法。

甲烷和氰化物是常用的激光介质如在南极地区进行的红外天文学观测, 物理学家使用气体太赫兹激光器作为差频测量的本地振荡源。

极高能量的太赫兹辐射需要在自由电子激光器中得到。

自由电子激光的原理是, 一束高速自由电子在真空中传输并通过具有空间周期变化的强磁场, 在空间周期的洛伦兹力的作用下, 电子束发生振荡井辐射光子。

自由电子激光既可以发射连续的窄带太赫兹波,也可以发射宽带的太赫兹脉冲。

目前美国杰弗逊国家实验室, 劳伦斯伯克利国家实验室和斯坦福线性加速器中心等都有太赫兹波段的自由电子激光器其中的杰弗逊国家实验室已经得到了平均功率大于100瓦，频率为0. 6太赫的脉冲太赫兹辐射。

一些其他的光学技术也被尝试用来产生窄波段的太赫兹辐射。

如1970年代开始的激光非线性混频技术、光学参量发生器和振荡器, 用这种方法已经得到了100毫瓦的输出功率, 其中太赫兹光学参量发生器和振荡器可以在小于3太赫的频率范围内连续可调并具有很好的单色性。

光学频率下转换是材料研究的一个很活跃的领域, 分子束外延和其他新的制备工艺已经生产出具有更优异的光学混频特性的材料。

半导体激光是发射窄波段的太赫兹辐射终极技术。

使用分子束外延(MBE)工艺得到的祸合量子阱结构已经在1994年得到了量子级联激光。

最近量子级联激光已经在红外辐射区域实现, 柯勒( RK6hler)等人在2002年制成了4. 4太赫的量子级联激光器, 这套系统可以在ro开的温度下发射太赫兹脉冲。

美国麻省理工学院的胡青研究小组已经成功地实现了在137K温度下发射3.8太赫的量子级联激光
器。

太赫兹技术的应用
太赫兹宽波段辐射通常与太赫兹时域光谱技术(THz—TDS)配合使用。

THz —TDS技术是1980年代由AT&T贝尔实验室和IB M公司的沃特森(T.J.W at so n) 研究中心发展起来的。

THz —TDS技术可以对太赫兹电场进行相干测量, 这就同时提供了高的灵敏度和具有时间分辨的相位信息。

同时THz —TDS 也适用于成像系统以提供更加丰富的光谱图像, 胡斌斌和纳斯(Martin C.Nuss) 在1995年首次使用脉冲太赫兹技术进行了太赫兹成像。

通常THz —TDS系统的频谱宽度可以达到2—5太赫, 光谱分辨率是50吉赫, 采集时间低于1分钟, 基于电场的动态范围可以达到50分贝。

太赫兹技术已经被广泛应用于半导体和高温超导体材料特性的研究以及三
维功能性成像(functional imaging), 目前太赫兹技术在基础物理学研究方向的一个热门课题是太赫兹近场成像技术。

由于波长的限制, 太赫兹显微技术必须使用近场光学的方法得到高的空间分辨率。

目前已经有多种近场太赫兹显微技术的尝试, 根据所采用的限制反应区域大小的方法不同, 这些技术又可以进一步分为: 亚波长尺寸光孔技术, 动态光孔技电光(EO)产生和探测技术,以及探针技术。

在上述的太赫兹显微技术中, 探针方法可以得到最高的分辨率。

常用的探针方法使用太赫兹光源照射样品, 并测量被金属探针调制的散射或者反射方向的太赫兹信号。

新近发展起来的电场诱发太赫兹辐射的显微技术可以达到小于10 纳米的空间分辨率。

米特尔曼等最近的研究显示, 一根简单的金属线可以用作太赫兹辐射的波导,金属线波导具有极低的色散和衰减, 以及结构简单的特点, 其具体的物理机制仍在进一步的研究中。

理论上可以证明, 很多蛋白质分子和D N A 分子的集体振动模式存在于太赫兹波段, 因此太赫兹技术也被物理学家运用于生物学研究。

带有DNA和其他生物分子的压片已经被测量了在太赫兹波段折射率的实部和虚部,这些样品被证明在低频红外的激发的模式上存在着大量的吸收。

同时与传统的荧光标记的基因分析方法相比, 太赫兹技术属于越来越受欢迎的“免标记”(labelfree)的基因测量方法。

“免标记”的方法不使用荧光染色剂对基因样品的标定, 从而增加了检测的准确性并减少了检测的准备时间和成本。

利用上述提到的比较在太赫兹波段的复数折射率, 太赫兹光谱技术已经显示了分辨单股和双股DNA的能力。

最近, 这个研究小组又证明了太赫兹技术具有检测飞摩尔灵敏度的单碱基对变异的能力。

太赫兹波不但在基础科学研究方面. 而且在实际应用领域都有着广阔的应
用前景这里将简要介绍太赫兹技术在无损探伤技术、安全检查以及在医学上的应用。

NASA的科学家认为, 航天飞机外挂燃料舱的隔热板——一种粉末泡沫材料, 由于其内部的缺陷可能在航天飞机起飞时发生脱落, 击中并毁坏航天飞机机体, 并认为这可能就是哥伦比亚号航天飞机失事的原因。

但是由于缺乏专门的手段, 这种隔热材料并不能在航天飞机发射前被检查。

例如, 这种粉末泡沫材料对于X 射线几乎完全透明, 而对于热和超声波则几乎完全不透明, 因此传统的无损探
伤方法都很难探测出可能埋在表面以下的缺陷。

对于这种航空工业中常用的粉末泡沫隔热材料, 太赫兹技术显示了极大的优越性。

研究表明, 这种材料对太赫兹辐射有较小的折射率和吸收系数。

研究人员利用脉冲的和连续的太赫兹辐射对这种材料进行检测, 均能成功地发现埋藏在泡沫材料中的缺陷, 包括气泡和分层。

最深缺陷的埋藏深度超过20厘米。

在恐怖主义袭击的阴影下, 安全检查的重要性日益突现, 机场行李的安全
检查也是近来被普遍关注的问题，。

由于太赫兹辐射对皮革、衣物等有较强的穿透能力, 上述的用于对航天隔热材料成像的装置也可以用于对行李和旅客的安
全检查。

同时太赫兹辐射具有很小的光子能量, 不会对人体造成类似X 射线的辐射伤害, 因此太赫兹检测是一种安全的检测手段。

随着更强的太赫兹光源, 以及太赫兹探测器列阵的发展, 太赫兹检测的速度将大大提高。

相对于传统的探测手段,如果危险的物质被藏在行李中, 太赫兹技术将不仅仅能够“看到”行李中的可疑物, 同时还可以根据可疑物的太赫兹光谱特性分辨其所属种类。

近期一个研究热点就是寻找爆炸物在太赫兹波段的吸收谱线, 。

些常用的爆炸物及其关联物质在太赫兹波段的强烈吸收已经被发现。

在医学和生理学的应用上, 太赫兹技术使用与目前已有的技术不同的方法
可以得到分辨率10微米的病理图像。

目前的医学成像技术存在着各种各样的缺陷: 核磁共振成像(MRI)技术不适用于得到组织表面的图像和薄膜组织的图像, 而且实际的应用被昂贵的强磁体和长的检查时间所限制; 广泛使用的超声波成像的
方法是以不同组织对声波的反射和吸收作为基础的, 因此只能提供有限的空间
分辨率(50微米)和对比度; 光学干涉断层摄影(OC叨技术利用飞秒近红外激光
脉冲对组织表面或表面以下的浅层组织成像, 但是这种技术可以成像的深度只
有1~1.25毫米, 生物组织对近红外光的吸收, 强的散射等限制了OCT的应用。

太赫兹技术虽不是万能的, 但是可以部分地解决上述困难, 太赫兹技术可以提供
深度达到1 —2厘米的信息, 同时太赫兹生物成像的基础主要是生物组织含水
量的多少以及其他光学参数在太赫兹波段的不同。

太赫兹技术的迅速发展为太赫兹在医学和生理学上的应用提供了可能, 在癌症组织检测、龋齿空洞成像等方面物理学家已经进行了很多有益的尝试, 如英国的Tera View公司运用了太赫兹成
像技术对乳腺癌组织进行检查。

同时在制药工业上, 由于药物的很多光谱信息在太赫兹波段, 太赫兹技术已经被物理学家用于对雷尼替丁(Zantac)等常用药物的
检测.
太赫兹技术在过去的二十年时间里经历了快速的发展,不断改进的太赫兹光源和探测技术仍在进一步扩展太赫兹技术的应用, 并越来越引起物理学家和工业界的兴趣, 美国MIT《技术评论》杂志把太赫兹技术列为十项将会改变世界的新技术之一,并对太赫兹技术在医疗技术上的应用进行了展望。

世界上很多国家如美国，加拿大，英国，德国，、荷兰，、澳大利亚和日本等也都在加大对太赫兹科学和技术研究的投人, 澳大利亚政府在近期成立了澳大利亚国家太赫兹辐射中心。

作为一个快速发展的应用物理和理论物理方向，在不远的将来太赫兹技术将在国土安全, 生物医学成像、基因检查、材料研究以及基础物理研究如量子相互作用等领域显示出越来越多的应用。