第六章 太赫兹辐射的物理应用

第六章太赫兹在物理学中的应用

6.1 发展机遇

太赫兹的兴起对物理学提出更大的挑战和机遇。太赫兹不仅在量子相干和量子控制实验中占有重要的位置，而且它还是研究局部效应（localization effect）、非线性光学中的单周期脉冲等基础光学物理的理想之选。目前，随着高分辨率的连续波测量和时域测量等太赫兹光谱技术的逐步提高，在很大程度上扩展了太赫兹在天体物理和大气科学中的应用范围。此外，太赫兹技术还可以研究在极端条件下如火焰、等离子体中的物质。

太赫兹光谱通常是由分子内的转动激发、库仑束缚体系中的里德伯跃迁（Rydberg transitions）、固体中的激子等因素造成的。而且，随着超快光学的不断发展，人们利用太赫兹光谱技术来控制和表征在亚波长、压皮秒量级的电磁场的能力也不断增强。同时，随着太赫兹脉冲强度和带宽的不断增加，研究人员相信该领域必将出现很多新的机遇。例如，在高于1MV/cm的场强中，太赫兹脉冲不仅能够进行探测，而且还能激发气相和溶液中的离子态。从而可以对一些基础性问题进行研究，如溶液中太赫兹活性分子（THz-active molecules）的溶剂环境。另外，太赫兹技术还为识别周围环境中复杂的有机分子提供了新的方法。

强太赫兹辐射与弱束缚体系（如里德伯原子）相互作用的相关研究业已相当的，利用整形过后的强太赫兹脉冲可以来研究经典量子通信、量子算法、量子局域化以及量子混沌等许多量子问题。另外，太赫兹相互作用在超快物理研究领域也是十分重要的。除此之外，它对研究非线性、非平衡态光谱、光学、化学及生物物理等领域也有相当的影响。

6.2 太赫兹在光物理中的基础研究

太赫兹具有许多特性，它是在不利用干涉仪的前提下，能够相干测量到的最高频率场。而且，产生单周期的太赫兹脉冲也是非常容易做到的。

6.2.1随机介质中的电磁波传播

利用光子研究随机介质中的安德森局域化问题是光物理中的一项长期的研

究。到目前为止，人们只在微波频段观察到了这种效应。虽然人们试图利用可见光或近红外辐射在三维介质中来观测此种现象，但由于很难证实所观测到的结果仅是由介质中的剩余吸收所导致的，所以实验结果很具有争议性。在太赫兹波段，人们可以得到材料很好的光学特性。例如，人们可以获得很高的介电常数（金属锗的n约等于4）。因此，在太赫兹频段很容易能够观察到三维随机介质中的局域化效应。这对于正在蓬勃兴起的随机激光领域具有重要的意义。

正是因为太赫兹有众多的特性，所以它是研究重散射波和波漫射的理想平台，而这些问题在医疗光学、地球物理学等许多物理科学领域都会经常出现的。太赫兹能够以亚波长的空间分辨率、亚周期的时间分辨率来对复杂的波阵面进行相干测量。另外，利用太赫兹还可以对场统计学和场相关性进行直接研究。在宽带辐射场作用下，辐射场的统计有明显的不同，如图 6-1所示。其中，统计图对辐射场的标准偏差做了归一化处理。由于统计图中的两侧出现了窄带辐射的缘故，所以统计结果高斯统计有明显的偏离。在图中也给出了理论预测的结果（红线）。

图 6-1 随机宽带辐射场的实部振幅和虚部振幅的矩形统计图

6.2.2左手材料

电磁波左手材料是光子晶体的一个分支，它是一种电磁特性明显有别于

constituent materials的人工材料。该种材料具有天然材料或复合材料所没有的对外响应。2000年加州大学的Smith教授首次展示了左手材料的重要例子，该材料由导电材料构成，但是却具有负介电常数和负磁导率。这种后来被Veselago教授命名为“左手”的奇异的电磁行为，目前仅仅在一些人工结构材料中才能被观测得到，但至今在天然材料中还没有发现。值得注意的是，具有负磁导率的材料一般都是真正的磁性材料，而这些材料一般比较重且具有很大的吸收损耗。因此用导电材料做成的负折射率介质本身就是很好的左手材料的例子。目前研究人员对于这类材料的研究还集中在微波波段。但人们会很自然把这一想法扩展到其他频段，而太赫兹波段理所应当的属于最佳的候选波段。6.2.3近场电磁效应

另一个领域就是近场光学，近场辐射的相干探测为人们提供了电磁波近场的许多重要信息。在目前的近场研究领域当中，电磁场的磁场分量还是没有受到人们足够的关注。在真空环境中，电磁波的电场分量和磁场分量具有固定的关系，但是在近场条件下，这一关系就会变得极为复杂。磁光学能够让研究人员直接测量静磁场，这对于研究一维磁场所激发的样品具有重要的意义。磁场在近场和远场的关系虽然是十分基础的问题，但这一问题却一直没有得到完美得解决。利用太赫兹技术不但可以测量近场和远场这两个极限，而且还可以测量它们之间的过渡区域。由此也会进一步推动人们对近场测量的研究。

6.2.4单周期脉冲

在太赫兹频段中, 目前科研人员已经能够产生出单周期的脉冲，这也表明了太赫兹是研究宽频辐射传输的理想工具。在频率极宽的情况下，缓变振幅近似也就不再适用了。这对于飞秒光学领域是十分重要的，因为通过锁模技术得到的脉冲已经可以窄到 1.5倍周期左右。这种脉冲的传输、聚焦、变换和操作已经和窄频带脉冲完全不同，而且目前仍有许多问题没有得以解决。上述这些使得利用太赫兹技术来研究单周期脉冲变得十分有意义，因为在太赫兹该频段可以比较容易获得高分辨的振幅和相位信息。

利用太赫兹强脉冲，还可以进行非线性光学的研究，这对于研究材料是非常重要的。从理论上讲，利用非缓变振幅包络可以研究所有的二阶和三阶非线

性光学现象。这将是非线性光学的又一个全新的领域。

6.3 量子相干和控制

=

角动量为的氮分子的经典转动周期约为一个皮秒（ps），室温下分子的碰撞时间约为0.1ps到1ps。所以可以说在自然量子世界中太赫兹相互作用是普遍存在的。

为了从时间角度来研究量子动力学，人们应该从研究那些易于制备、隔离、控制的量子系统开始，正是基于这一想法使得里德伯原子在这一研究中尤为重要。量子数n=20到n=60的里德伯原子正好覆盖了太赫兹光谱频段，所以它们是研究许多量子力学问题的最佳模型。

已经有许多实验证明了太赫兹辐射在这项研究中的可用性，如在里德伯原子中产生和探测任意的电子波包。对于这项研究工作，半周期的太赫兹脉冲是十分重要的，因为它具有宽广的光谱范围，所以可以同时和上百个里德伯能级发生相互作用。实际上半周期脉冲已经被用来分析波包的动量分量了，通过它不仅可以分析量子轨道、量子色散，而且还可以对本征函数的动量分布进行测量。从这一研究之中得出了一个有趣概念，那就是波包的脉冲（冲击）电离，这一新的电离机制与散射电离有点相类似，但是它与直流电离和光电离却迥然不同。

里德伯原子具有丰富的结构，这使得它成为进行量子信息处理的佳选之一。为了能够进行量子信息处理，研究人员利用太赫兹辐射以多种方式来对量子态进行操控。例如采用太赫兹脉冲来搜索一个量子数据库，在该实验当中脉冲引发了数据库中的模间干涉，而这种干涉可以使得相位信息转化成为振幅信息。

更加复杂的太赫兹相互作用也是完全可能的，这方面的应用能否成功要取决于对太赫兹脉冲的整形作用，而且对于太赫兹辐射场的控制整形研究却还处在起步阶段。

6.4 大气科学、实验室天文学和分子碰撞

太赫兹科学是一门交叉综合学科，它与其他科研领域都有紧密的联系。而许多重要的科学问题将太赫兹领域和其他领域也紧紧地联系在一起。