太赫兹波的产生与检测 ppt课件
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光电导机制是利用超短激光脉冲泵浦光导材料(如GaAs等半导体)，使在 其表面激发载流子，这些载流子在外加电场作用下加速运动，从而辐射出电 磁波，如下图所示。
THz电磁辐射发射 系统的性能决定于 3个因素:光导体、 天线的几何结构和 泵浦激光脉冲宽度。
光导体是产生THz电磁波的关键部件，性能良好的光导体应该具有尽可
(或称为太赫兹波、THz电磁辐射、T射线)在很多基础研究领域、工业应用领
域及军事领域中有相当重要的应用。因此，世界上很多研究机构相继开展了
该领域的深入研究，业已取得了很多ppt重课件要成果。
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THz(1012Hz)辐射通常指的是频率在0.1～10THz(波长在30μm～3mm)之间 的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，如下图所示。
在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和检测手段，科 学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近十几年来，超快激光技 术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐 射的产生和应用得到了蓬勃发展。
缺少高功率、低造价和便携式的室温工作的太赫兹光源是限制现代太赫
兹应用的最主要因素。但是，仍有很多光源可能成为太赫兹光源的潜在候选
当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通 过差频振荡效应激发一个恒定(不随时间变化)的电极化场。恒定的电极化 场不辐射电磁波，但在介质内部建立一个直流电场。这种现象称为光学整 流效应，它是最早发现的非线性光学效应之一。
超短激光脉冲的发展为光学整流效应的研究和应用开辟了新的途径。
根据傅里叶变换理论，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，
均功率却有瓦的数量级。利用光电导天线和光整流是最常见的两种产生宽
频带脉冲太赫兹辐射的方法。
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10.1.1 光电导天线
光电导的方法是利用高速的光电导材料作为辐射天线提供瞬态电流。通 常的光电导材料包括高电阻率的GaAs、InP及放射法制造有缺陷的Si晶片。
金属电极被用于在这些光电导体上，并施加偏置电压形成天线。在光电 导的天线中，发射太赫兹光束的机理是超快的激光光束在光电导材料中产生 电子-空穴对，自由载流子在偏置电场中被加速，产生瞬变的光电流。这种快 速的、随时间变化的电流会辐射电磁波。
2) 宽频带的太赫兹光源
大多数的宽波段脉冲太赫兹光源是由超短的激光脉冲对不同材料的激
发引起的。有几种不同的机制发射太赫兹电磁波，包括在光电导天线中光
生载流子的加速、电光晶体中的二阶非线性效应、等离子体振荡和电子非
线性传输线。但是目前这些方法的转换效率都很低，所以太赫兹光束的平
均功率只有纳瓦到微瓦的数量级，而作为激发太赫兹辐射的飞秒光源的平
可以辐射出太赫兹波段的低频电磁波。
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下图给出了脉冲激光光整流效应的原理。
频率为ω0，宽度为r的脉冲激光照射到一个非 线性介质样品，脉冲激光的各个单色分量之间 会在样品中通过差频振荡现象产生一个随时间 变化的电极化场，这个随时间变化的电极化场 将辐射低频电磁波，其频率上限和入射激光脉 冲宽度有关。由于入射激光的脉冲宽度在亚皮 秒量级，辐射电磁波的频率上限约为太赫兹， 所以这种光整流效应被称为亚皮秒光整流效应，
另一方面，除了激光脉冲，人们很早就发现，最早从核爆炸产生的强电 磁脉冲(脉宽在纳秒量级)对电子设备有极强的破坏力，由此引发了人们对超 短电磁脉冲的研究兴趣。
过去的几年间，该领域的一门新兴的研究课题--THz电磁脉冲产生技术
及应用受到了人们极大的关注。这是因为THz电磁脉冲正是由超短激光脉冲
选通半导体光导开关后产生的，而另外一个很重要的原因是这种电磁Hale Waihona Puke Baidu冲
能短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。天线结构通常
有基本偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线及大孔径光导天
线等
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10.1.2光整流
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。
两个光束在线性介质中可以独立传播，而不改变各自的振荡频率。但是 在非线性介质中，两个单色光束将发生混合，从而产生和频振荡和差频振荡。 在出射光中，除了有与入射光相同频率的光波外，还有新的频率(例如和频) 的光波。
第十章太赫兹波的产生与检测
10.1 概述
对本章的学习重点在于了解和理解 太赫兹波基本名词概念及应用
自从20世纪60年代初激光问世以来，科学家一直对超短激光脉冲、超快 过程及各种超快现象有浓厚的兴趣。如今，利用克尔透镜锁模钛宝石激光器 可产生短至5fs的激光脉冲。而超短激光脉冲的重要应用价值，因1999年诺贝 尔化学奖授予科学家艾哈迈德·泽维尔教授而得到人们更深切的关注。其实这 只是超短激光脉冲的成功应用之一，因为超短激光脉冲在诸如物理、生物、 医学、工业及军事领域都有广泛而现实的应用。
者，在快速电子学、激光和材料研究中，每一种光源都有其独特的优点。这
些光源可以被粗略地分为：不相干的热辐射光源、宽波段脉冲(T－ray)光源
及窄波段的连续波光源。
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1) 窄频带的太赫兹光源
窄频带的光源对于高频谱分辨率测量的应用是十分重要的，在通信和极 宽频带的卫星通信上也有广泛的应用前景。所以在过去的一个世纪里，很多 研究工作集中在开发窄波段的THz光源上。很多新的技术现在仍在发展中， 包括无线电波波源频率上转换和下转换，THz激光和反向波管。主要用于发 射低功率(<100μＷ)连续太赫兹辐射的是低频微波振荡器的升频转换技术， 这些振荡器包括电压控制的振荡器和介电共振振荡器。升频转换的方法通常 是使用一个平面肖特基二极管倍增器链来实现的。使用这种方法，频率可以 高达2.7THz。气体激光器是另一种常用的产生太赫兹的光源，在这种激光器 中，利用CO2激光器抽运一个低气压腔，并在这种气体的某些发射谱线处形 成受激发射。这种光源不是连续可调的，而且通常需要大的气体腔和上千瓦 的能量输入，但这种方法可以得到高达30mW的输出功率。
其频谱决定于该脉冲的中心频率和脉冲宽度。在线性介质中，因为每个单色
分量都可以独立传播，出射光的频谱和波形与入射光相比没有根本的变化，
其差别仅来源于介质的色散特性。但非线性介质中，这些单色波分量不再独
立传播，它们之间将发生混合。和频振荡效应产生频率接近于二次谐波的光
波，而差频振荡效应则产生一个低频振荡的电极化场，这种低频的电极化场
THz电磁辐射发射 系统的性能决定于 3个因素:光导体、 天线的几何结构和 泵浦激光脉冲宽度。
光导体是产生THz电磁波的关键部件，性能良好的光导体应该具有尽可
(或称为太赫兹波、THz电磁辐射、T射线)在很多基础研究领域、工业应用领
域及军事领域中有相当重要的应用。因此，世界上很多研究机构相继开展了
该领域的深入研究，业已取得了很多ppt重课件要成果。
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THz(1012Hz)辐射通常指的是频率在0.1～10THz(波长在30μm～3mm)之间 的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，如下图所示。
在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和检测手段，科 学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近十几年来，超快激光技 术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐 射的产生和应用得到了蓬勃发展。
缺少高功率、低造价和便携式的室温工作的太赫兹光源是限制现代太赫
兹应用的最主要因素。但是，仍有很多光源可能成为太赫兹光源的潜在候选
当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通 过差频振荡效应激发一个恒定(不随时间变化)的电极化场。恒定的电极化 场不辐射电磁波，但在介质内部建立一个直流电场。这种现象称为光学整 流效应，它是最早发现的非线性光学效应之一。
超短激光脉冲的发展为光学整流效应的研究和应用开辟了新的途径。
根据傅里叶变换理论，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，
均功率却有瓦的数量级。利用光电导天线和光整流是最常见的两种产生宽
频带脉冲太赫兹辐射的方法。
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10.1.1 光电导天线
光电导的方法是利用高速的光电导材料作为辐射天线提供瞬态电流。通 常的光电导材料包括高电阻率的GaAs、InP及放射法制造有缺陷的Si晶片。
金属电极被用于在这些光电导体上，并施加偏置电压形成天线。在光电 导的天线中，发射太赫兹光束的机理是超快的激光光束在光电导材料中产生 电子-空穴对，自由载流子在偏置电场中被加速，产生瞬变的光电流。这种快 速的、随时间变化的电流会辐射电磁波。
2) 宽频带的太赫兹光源
大多数的宽波段脉冲太赫兹光源是由超短的激光脉冲对不同材料的激
发引起的。有几种不同的机制发射太赫兹电磁波，包括在光电导天线中光
生载流子的加速、电光晶体中的二阶非线性效应、等离子体振荡和电子非
线性传输线。但是目前这些方法的转换效率都很低，所以太赫兹光束的平
均功率只有纳瓦到微瓦的数量级，而作为激发太赫兹辐射的飞秒光源的平
可以辐射出太赫兹波段的低频电磁波。
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5
下图给出了脉冲激光光整流效应的原理。
频率为ω0，宽度为r的脉冲激光照射到一个非 线性介质样品，脉冲激光的各个单色分量之间 会在样品中通过差频振荡现象产生一个随时间 变化的电极化场，这个随时间变化的电极化场 将辐射低频电磁波，其频率上限和入射激光脉 冲宽度有关。由于入射激光的脉冲宽度在亚皮 秒量级，辐射电磁波的频率上限约为太赫兹， 所以这种光整流效应被称为亚皮秒光整流效应，
另一方面，除了激光脉冲，人们很早就发现，最早从核爆炸产生的强电 磁脉冲(脉宽在纳秒量级)对电子设备有极强的破坏力，由此引发了人们对超 短电磁脉冲的研究兴趣。
过去的几年间，该领域的一门新兴的研究课题--THz电磁脉冲产生技术
及应用受到了人们极大的关注。这是因为THz电磁脉冲正是由超短激光脉冲
选通半导体光导开关后产生的，而另外一个很重要的原因是这种电磁Hale Waihona Puke Baidu冲
能短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。天线结构通常
有基本偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线及大孔径光导天
线等
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10.1.2光整流
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。
两个光束在线性介质中可以独立传播，而不改变各自的振荡频率。但是 在非线性介质中，两个单色光束将发生混合，从而产生和频振荡和差频振荡。 在出射光中，除了有与入射光相同频率的光波外，还有新的频率(例如和频) 的光波。
第十章太赫兹波的产生与检测
10.1 概述
对本章的学习重点在于了解和理解 太赫兹波基本名词概念及应用
自从20世纪60年代初激光问世以来，科学家一直对超短激光脉冲、超快 过程及各种超快现象有浓厚的兴趣。如今，利用克尔透镜锁模钛宝石激光器 可产生短至5fs的激光脉冲。而超短激光脉冲的重要应用价值，因1999年诺贝 尔化学奖授予科学家艾哈迈德·泽维尔教授而得到人们更深切的关注。其实这 只是超短激光脉冲的成功应用之一，因为超短激光脉冲在诸如物理、生物、 医学、工业及军事领域都有广泛而现实的应用。
者，在快速电子学、激光和材料研究中，每一种光源都有其独特的优点。这
些光源可以被粗略地分为：不相干的热辐射光源、宽波段脉冲(T－ray)光源
及窄波段的连续波光源。
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1) 窄频带的太赫兹光源
窄频带的光源对于高频谱分辨率测量的应用是十分重要的，在通信和极 宽频带的卫星通信上也有广泛的应用前景。所以在过去的一个世纪里，很多 研究工作集中在开发窄波段的THz光源上。很多新的技术现在仍在发展中， 包括无线电波波源频率上转换和下转换，THz激光和反向波管。主要用于发 射低功率(<100μＷ)连续太赫兹辐射的是低频微波振荡器的升频转换技术， 这些振荡器包括电压控制的振荡器和介电共振振荡器。升频转换的方法通常 是使用一个平面肖特基二极管倍增器链来实现的。使用这种方法，频率可以 高达2.7THz。气体激光器是另一种常用的产生太赫兹的光源，在这种激光器 中，利用CO2激光器抽运一个低气压腔，并在这种气体的某些发射谱线处形 成受激发射。这种光源不是连续可调的，而且通常需要大的气体腔和上千瓦 的能量输入，但这种方法可以得到高达30mW的输出功率。
其频谱决定于该脉冲的中心频率和脉冲宽度。在线性介质中，因为每个单色
分量都可以独立传播，出射光的频谱和波形与入射光相比没有根本的变化，
其差别仅来源于介质的色散特性。但非线性介质中，这些单色波分量不再独
立传播，它们之间将发生混合。和频振荡效应产生频率接近于二次谐波的光
波，而差频振荡效应则产生一个低频振荡的电极化场，这种低频的电极化场