第10章-太赫兹波的产生与检测复习进程
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第10章-太赫兹波的产生与检测
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光源的潜在候选者，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。
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，如图 10− 2 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能短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。常见的光导体 有 Si、GaAs、InP 等。目前在 THz 技术中用的最多的是 Si 和低温生长的 GaAs 材料。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。大多数实验中采用的是基本偶 极子天线，它的结构相对比较简单。
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，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可以辐射出 太赫兹波段的低频电磁波。
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 (<100 μW)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 2.7 THz。同时，其他研究正在进行，例如希望通过改变半导体的结构和改进工艺的方法来降 低 GUNN 和 IMPATT 二极管的发光频率，使其达到太赫兹的频率范围。气体激光器是另一种常用的产生
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。此外，飞秒的激光脉冲也是必需的，
但是与激光束触发光电导材料不同，光整流发射的太赫兹光束的能量直接来源于激光脉冲的能量。光整流 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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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。而且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。由于这种效应缺乏实 际的应用背景，所以除了早期用于验证它和线性电光效应之间的关系之外，并没有引起研究者的重视。
图 10−3 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，或称为太赫兹光整流效应。
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。 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(光子的能量大于该种材料的能隙宽 度，hv≥Eg)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。一些材料的特征参数会影响最终产生的太赫兹辐射的能量和 频谱宽度。对有效的太赫兹辐射来说，必须有光电流的快速增加和衰减，所以电子有效质量较小的半导体 材料，如 InAs 和 InP 是理想材料。最大迁移速率也是一个重要的参数，但它主要被散射率或直接带隙半 导体如 GaAs 的谷间散射限制。因为辐射的能量主要是来源于以偏置静电场的形式储存的表面能，太赫兹 辐射的能量是被偏置电场和激发光强限制的。材料的击穿电场是另一个重要的参数，因为击穿电场决定了 可以施加的最大电场。光电导的发射装置可以产生相对较大的(约为 40 μw)太赫兹辐射功率和相当宽的辐 射带宽(4 THz)。
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 30 mW 的输出功率。CH3OH、CH4 和 HCN 激光是最常见的，它们一般用于光谱测量和外差接收 装置的研究。
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光源的潜在候选者，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。
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，如图 10− 2 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能短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。常见的光导体 有 Si、GaAs、InP 等。目前在 THz 技术中用的最多的是 Si 和低温生长的 GaAs 材料。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。大多数实验中采用的是基本偶 极子天线，它的结构相对比较简单。
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，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可以辐射出 太赫兹波段的低频电磁波。
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 (<100 μW)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 2.7 THz。同时，其他研究正在进行，例如希望通过改变半导体的结构和改进工艺的方法来降 低 GUNN 和 IMPATT 二极管的发光频率，使其达到太赫兹的频率范围。气体激光器是另一种常用的产生
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。此外，飞秒的激光脉冲也是必需的，
但是与激光束触发光电导材料不同，光整流发射的太赫兹光束的能量直接来源于激光脉冲的能量。光整流 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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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。而且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。由于这种效应缺乏实 际的应用背景，所以除了早期用于验证它和线性电光效应之间的关系之外，并没有引起研究者的重视。
图 10−3 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，或称为太赫兹光整流效应。
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。 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(光子的能量大于该种材料的能隙宽 度，hv≥Eg)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。一些材料的特征参数会影响最终产生的太赫兹辐射的能量和 频谱宽度。对有效的太赫兹辐射来说，必须有光电流的快速增加和衰减，所以电子有效质量较小的半导体 材料，如 InAs 和 InP 是理想材料。最大迁移速率也是一个重要的参数，但它主要被散射率或直接带隙半 导体如 GaAs 的谷间散射限制。因为辐射的能量主要是来源于以偏置静电场的形式储存的表面能，太赫兹 辐射的能量是被偏置电场和激发光强限制的。材料的击穿电场是另一个重要的参数，因为击穿电场决定了 可以施加的最大电场。光电导的发射装置可以产生相对较大的(约为 40 μw)太赫兹辐射功率和相当宽的辐 射带宽(4 THz)。
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 30 mW 的输出功率。CH3OH、CH4 和 HCN 激光是最常见的，它们一般用于光谱测量和外差接收 装置的研究。