太赫兹波的产生与检测.ppt

* 10.1 概述 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。 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脉冲(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，业已取得了很多重要成果。 第十章太赫兹波的产生与检测 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 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 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。 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。 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。 1) 窄频带的太赫兹光源 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。 2) 宽频带的太赫兹光源 10.1.1 光电导天线 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。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 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。 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。 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