太赫兹波的产生及探测方法综述教程
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太赫兹波（THz）是频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射，通常是指频 率位于 0.1THz—10THz 之间的电磁波，它在电磁波谱中位于微波与红外之间，因 此也称为“太赫兹波间隙”。是电磁波谱上，由电子学向光子学过渡的特殊区域， 如图一所示。
图一 太赫兹波在电磁波谱中的位置
二、太赫兹波的性质
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波 段具有很多独特的性质：
1、宽带太赫兹的产生方法
A）光整流法产生太赫兹
光整流是一种非线性效应，是光电效应的逆过程，光整流过程也称为光致 直流电场过程，是一个二阶非线性过程。一般来说，两束光束在线性介质中可 以独立传播，且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中，它们将会发生 混合，会产生和频振荡和差频振荡现象。
如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则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，这些单色光将会在非线性介质 中发生混合。其中，由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。这 个电极化场就可以辐射出太赫兹波。这与所辐射出的电磁波的频率上限与入射 激光的脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐射出的电磁波频率 的上限就会在太赫兹量级，这种效应被称为太赫兹光整流效应。图二所示为光 整流法产生太赫兹波示意图。
（3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV， 一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的 电离，便于对生物体进行活体检验。
（4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激 光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的， 它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问 题有很大的优势。
另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫 兹。将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离 形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是 一个三阶的非线性四波整流（混频）过程，称之为 Four Wave Rectification-FWR （或 Four Wave Mixing-FWM）。 图五为四波混频辐射太赫兹示意图。
激光直接诱导等离子体辐射太赫兹波的原理是有质动力作用于等离子体产 生瞬变的空间电场，这一过程可以看成频率“下转换”机制，即高频的激光 （800nm）经过等离子体后辐射低频的太赫兹波（sub-mm），相当于“高频”能 量转移到“低频”能量。图四为等离子体有质动力产生太赫兹波示意图。
图四 等离子体有质动力产生太赫兹波
（1）宽带性：一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个 脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱 性质。
（2）瞬态性：太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、 飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背 景辐射噪音的干扰。
图二 光整流法产生太赫兹波 B）光电导天线产生太赫兹 光电导天线是产生和探测太赫兹波过程中使用最广泛的器件之一，它可以 看作一个光电开关。它是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐 射太赫兹。图三为光电导天线产生太赫兹波示意图。 在这些光电导半导体材料表面上淀积着金属电极制成的偶极天线结构。金 属电极的作用是对这些光电导半导体施加偏压，当超快激光打在两电极的光电 导材料上时，会在其表面瞬间产生大量的电子空穴对。这些光电自由载流子会 在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电半导体材料的表 面形成瞬变的光，最终这种快速、随时间变化的电流会向外辐射出脉冲。
（5）透射性：除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透 性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。
（6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光 谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广 阔的应用前景。
三、太赫兹波的产生
太赫兹波的产生方法有多种，据目前的研究阶段，太赫兹波可分为宽带太 赫兹及窄带太赫兹，下面介绍几种不同类型的太赫兹波的产生方法：
太赫兹波的产生及探测方法综述 张洪英
（济南大学 物理科学与技术学院 山东 济南 250022） 摘要：太赫兹产生与探测技术是太赫兹研究领域的重要部分之一，本 文介绍了太赫兹波的性质，综述了目前已知的多种产生与探测太赫兹 波的方法及太赫兹波产生与探测方法的原理，并针对光学混频产生太 赫兹波进行了理论分析。 关键词：太赫兹 太赫兹波性质 太赫兹产生 太赫兹检测 一、引言
图五 四波混频辐射太赫兹 这种用激光诱导气体等离子体产生太赫兹波源方法不但提供了强太赫兹波 辐射，对于揭示深层的激光场相干控制电子轨迹、微观光离化电流的形成都有 重要意义。
2、窄带太赫，如果气体的共振频率处于
太赫兹波段，就会产生激光，此种方法产生的辐射频率一般情况下是不可调的， 而且通常需要一个较大的激光腔，泵浦功率一般超过千瓦。 B）光学混频产生太赫兹辐射
为了有效产生和探测太赫兹波，光电导天线对光电流的开关作用时间必须 在亚皮秒量级。光电导天线“打开”的时间由激光脉冲周期决定，而“关闭” 的时间由天线衬底中的光生载流子寿命决定。
图三 光电导天线产生太赫兹波 C）激光气体等离子体产生太赫兹波
实验中发现，强激光与气体靶、固体靶相互作用都可以产生太赫兹波辐射， 通过将能量为几十微焦的飞秒激光脉冲在空气中聚焦，当激光功率密度达到一 定阈值后，空气分子被强激光迅速电离，电离区域内的气体分子对激光进一步 强烈吸收，气体温度快速升高，导致气体完全电离形成高度电离的空气团（等 离子云）作为辐射源向外辐射太赫兹脉冲。
用可调谐的激光器产生两束频率有微小差别的激光束，把它们进行混频， 同时将它们的拍频调整到波段，把经过混频的激光信号照射进光电导体，光电
图一 太赫兹波在电磁波谱中的位置
二、太赫兹波的性质
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波 段具有很多独特的性质：
1、宽带太赫兹的产生方法
A）光整流法产生太赫兹
光整流是一种非线性效应，是光电效应的逆过程，光整流过程也称为光致 直流电场过程，是一个二阶非线性过程。一般来说，两束光束在线性介质中可 以独立传播，且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中，它们将会发生 混合，会产生和频振荡和差频振荡现象。
如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则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，这些单色光将会在非线性介质 中发生混合。其中，由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。这 个电极化场就可以辐射出太赫兹波。这与所辐射出的电磁波的频率上限与入射 激光的脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐射出的电磁波频率 的上限就会在太赫兹量级，这种效应被称为太赫兹光整流效应。图二所示为光 整流法产生太赫兹波示意图。
（3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV， 一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的 电离，便于对生物体进行活体检验。
（4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激 光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的， 它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问 题有很大的优势。
另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫 兹。将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离 形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是 一个三阶的非线性四波整流（混频）过程，称之为 Four Wave Rectification-FWR （或 Four Wave Mixing-FWM）。 图五为四波混频辐射太赫兹示意图。
激光直接诱导等离子体辐射太赫兹波的原理是有质动力作用于等离子体产 生瞬变的空间电场，这一过程可以看成频率“下转换”机制，即高频的激光 （800nm）经过等离子体后辐射低频的太赫兹波（sub-mm），相当于“高频”能 量转移到“低频”能量。图四为等离子体有质动力产生太赫兹波示意图。
图四 等离子体有质动力产生太赫兹波
（1）宽带性：一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个 脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱 性质。
（2）瞬态性：太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、 飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背 景辐射噪音的干扰。
图二 光整流法产生太赫兹波 B）光电导天线产生太赫兹 光电导天线是产生和探测太赫兹波过程中使用最广泛的器件之一，它可以 看作一个光电开关。它是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐 射太赫兹。图三为光电导天线产生太赫兹波示意图。 在这些光电导半导体材料表面上淀积着金属电极制成的偶极天线结构。金 属电极的作用是对这些光电导半导体施加偏压，当超快激光打在两电极的光电 导材料上时，会在其表面瞬间产生大量的电子空穴对。这些光电自由载流子会 在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电半导体材料的表 面形成瞬变的光，最终这种快速、随时间变化的电流会向外辐射出脉冲。
（5）透射性：除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透 性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。
（6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光 谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广 阔的应用前景。
三、太赫兹波的产生
太赫兹波的产生方法有多种，据目前的研究阶段，太赫兹波可分为宽带太 赫兹及窄带太赫兹，下面介绍几种不同类型的太赫兹波的产生方法：
太赫兹波的产生及探测方法综述 张洪英
（济南大学 物理科学与技术学院 山东 济南 250022） 摘要：太赫兹产生与探测技术是太赫兹研究领域的重要部分之一，本 文介绍了太赫兹波的性质，综述了目前已知的多种产生与探测太赫兹 波的方法及太赫兹波产生与探测方法的原理，并针对光学混频产生太 赫兹波进行了理论分析。 关键词：太赫兹 太赫兹波性质 太赫兹产生 太赫兹检测 一、引言
图五 四波混频辐射太赫兹 这种用激光诱导气体等离子体产生太赫兹波源方法不但提供了强太赫兹波 辐射，对于揭示深层的激光场相干控制电子轨迹、微观光离化电流的形成都有 重要意义。
2、窄带太赫，如果气体的共振频率处于
太赫兹波段，就会产生激光，此种方法产生的辐射频率一般情况下是不可调的， 而且通常需要一个较大的激光腔，泵浦功率一般超过千瓦。 B）光学混频产生太赫兹辐射
为了有效产生和探测太赫兹波，光电导天线对光电流的开关作用时间必须 在亚皮秒量级。光电导天线“打开”的时间由激光脉冲周期决定，而“关闭” 的时间由天线衬底中的光生载流子寿命决定。
图三 光电导天线产生太赫兹波 C）激光气体等离子体产生太赫兹波
实验中发现，强激光与气体靶、固体靶相互作用都可以产生太赫兹波辐射， 通过将能量为几十微焦的飞秒激光脉冲在空气中聚焦，当激光功率密度达到一 定阈值后，空气分子被强激光迅速电离，电离区域内的气体分子对激光进一步 强烈吸收，气体温度快速升高，导致气体完全电离形成高度电离的空气团（等 离子云）作为辐射源向外辐射太赫兹脉冲。
用可调谐的激光器产生两束频率有微小差别的激光束，把它们进行混频， 同时将它们的拍频调整到波段，把经过混频的激光信号照射进光电导体，光电