THz波產(chǎn)生技術(shù)

《激光雜志>2010年第31謝在燕 篇:THz波產(chǎn)生技術(shù)，LASER JOURNAL( Vol.31. No.1.2010)7THz波產(chǎn)生技術(shù)謝春燕,袁明輝(上海理工大學(xué)光學(xué)與電子信息工程學(xué)院,上海200093)提要:在介紹太赫茲技術(shù)的基礎上,系統論述了太赫茲波的各種產(chǎn)生技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)態(tài)。關(guān)鍵詞:THz波;產(chǎn)生中團分類(lèi)號:TN928文獻標識碼:A文章編號:0253- 2743(2010)01 - 00070 - 03THz Generation technologyXIE Chun- yan, YUAN Ming - hui(University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 2003 ,China)Abstract:The generation technologie and development trends of THz waves in detail are described.Key words: TeraHertz(THz2) waves; generationTHz科學(xué)技術(shù)是近20年迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興交叉學(xué)-空穴對,自由電子在表面靜電場(chǎng)和外加偏置電場(chǎng)的作用下科。THz波通常是指頻率在0. ITHz至107THz(對應波長(cháng)0.03mm加速產(chǎn)生瞬間電流J(t),從而產(chǎn)生寬帶的THz輻射:至3mm)范圍內的電磁輻射波。很長(cháng)-段時(shí)間以來(lái)，由于沒(méi)a1(0)5)Eme(l)x a(I)有切實(shí)可行的產(chǎn)生技術(shù)和有效的檢測方法,使得THz波成為電磁波譜中最后一個(gè)有待全面研究的頻率窗口。近年來(lái),伴采用的超短激光脈沖的光源主要有半導體THz激光器隨著(zhù)激光技術(shù)、量子技術(shù)和化合物半導體、超快技術(shù)等的迅和THz量子級聯(lián)激光器(QCL)兩種。其中,后者是目前研發(fā).猛發(fā)展,為實(shí)現穩定可靠的'THz波發(fā)射源提供了可能"。的重點(diǎn)。它是一種以異結構半導體(GaAs/Al GaAs)導帶中次THz波之所以引起廣泛關(guān)注,是由于其無(wú)法取代的重要能級間的躍遷為基礎的一種激光器,原理是利用縱向光學(xué)聲特性以及在各個(gè)領(lǐng)域當中巨大的應用價(jià)值:(1)THz的典型脈子的諧振產(chǎn)生反轉。傳統的半導體激光器是基于帶間躍遷沖寬度在ps量級,可以方便地進(jìn)行時(shí)間分辨。(2)僅單個(gè)過(guò)程。其輻射頻率由材料導帶和價(jià)帶的帶隙決定，因此不利THz脈沖的頻帶就可覆蓋從幾赫茲到幾十THz的頻率范圍。于實(shí)現長(cháng)波長(cháng)的輻射。目前,新出現的基于子帶間躍遷的量它的帶寬之寬,是電磁波譜中的其它電磁波無(wú)法企及的。子級聯(lián)激光器,電子躍遷發(fā)生在半導體量子限制的導帶子帶(3)物質(zhì)的THz光譜含大量物理、化學(xué)信息。在物理學(xué)、化學(xué)之間。其躍遷的初態(tài)和終態(tài)具有相似的色散關(guān)系,發(fā)射頻率領(lǐng)域,得到THz光譜對探索物質(zhì)的結構性質(zhì)具有重要的意取決于子帶間的能級差。子帶間距可通過(guò)半導體“能帶工義。(4)THz 光子能量低。據統計, 1THz光子的能量只有約程”進(jìn)行調節,如改變量子阱或壘的厚度,材料的成分,外加4meV(2),比X射線(xiàn)的光子弱10左右。因此,當THz射線(xiàn)穿偏壓等?；谧訋чg躍遷的半導體量子級聯(lián)激光器是實(shí)現越生物體時(shí),不會(huì )在生物組織中引起光損傷和產(chǎn)生有害電THz輻射的重要器件和發(fā)展方向[0)。離。(5)良好的穿透性。THz波能以很小的衰減穿透物質(zhì)。反射的激光脈沖及Thz脈沖Th脈沖擁環(huán)電子.(6)THz波時(shí)域譜的信噪比高,非常適合成像13.4。作為T(mén)Hz技術(shù)的基礎,其產(chǎn)生技術(shù)被廣泛關(guān)注并取得了-定的研究成果。由于THz波譜介于微波和光波之間,因此電子流其產(chǎn)生途徑主要有電子學(xué)和光子學(xué)兩種方法。本文將從這THhz輸出兩種途徑出發(fā)，詳細介紹各種THz波的產(chǎn)生技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)態(tài)。微光慕精光電子能量特換1 THz波產(chǎn)生技術(shù).半導體激光源目前，常用的電子學(xué)產(chǎn)生法有加速電子產(chǎn)生法等,而常用的光子學(xué)產(chǎn)生法主要有與超短激光脈沖有關(guān).能產(chǎn)生寬帶圖1半導體瞬間電流產(chǎn)生法原理圖圖2 自由電 子激光器亞皮秒THz輻射的光整流、光電導和非線(xiàn)性光學(xué)差頻等方在半導體的選擇.上,選用的如果是像ZnAs.InSb等帶寬法。此外,利用熱輻射、高能加速器等產(chǎn)生THz的研究也在較窄的半導體,在超短激光脈沖照射到半導體表面時(shí)產(chǎn)生的電子、空穴由于等效質(zhì)量的不同,所獲得的速度也會(huì )不同,它發(fā)展中。們的擴散與重新復位過(guò)程會(huì )產(chǎn)生瞬間涌流,而涌流也會(huì )產(chǎn)生1.1 半導體瞬間電流產(chǎn)生圖1是半導體瞬間電流產(chǎn)生法原理圖。用超短激光脈THz輻射,這就是“余光效應”(7。沖照射到半導體材料上(例如GaAs, InP) ,此時(shí)若人射光子能半導體瞬間由流產(chǎn)牛方法的原理是利用載流子的加速量大于半導體能帶的帶寬,入射光子會(huì )在半導體內產(chǎn)生電子運動(dòng)好中國煤化工要人射光具有較高的峰值功YHCN M H G導體瞬間電流產(chǎn)生法小心、U Hi尿L.項率可調(7)。其不足之緊項青:上海市商校優(yōu)秀青年教師科研專(zhuān)項基金資助項目(編號:處在于半導體器件的工作頻率很難達到1T以上。對于采用半導體瞬間電流產(chǎn)生THz波,2004年，MIT在作者簡(jiǎn)介:謝春燕(1987 -通訊作者:袁明輝(1976 -. 勇;博土,講師。頻率2.IT,分別獲得連續波(CW)功率1mW(溫度93K)和脈8《激光雜志》2010年第31謝春燕等:THz波產(chǎn)生技術(shù)，LASER JOURNAL(Vol.31. No. 1.2010)沖峰值功率20mW(溫度137K)的穩定輸出。在國內，中國電半導體內不會(huì )產(chǎn)生任何電流。而泵浦脈沖產(chǎn)生的載流子會(huì )子集團南京55所,運用雪崩二極管實(shí)現了0. IT的穩定輸出; .集聚到偏置場(chǎng)并在半導體表面產(chǎn)生變化極快的電流,從而產(chǎn)中國科學(xué)院上海微系統研究所和半導體研究所,也已經(jīng)開(kāi)展生向外輻射的THz輻射脈沖。泵浦脈沖在整個(gè)過(guò)程中就像QCL的研究工作[8)。一個(gè)開(kāi)關(guān),負責打開(kāi)電流。影響發(fā)射性能的因素主要有光導1.2 加速電子產(chǎn)生體的選擇、天線(xiàn)的幾何結構以及泵浦激光脈沖的寬度。在選目前,加速電子所產(chǎn)生的THz輻射的功率是所有THz發(fā)擇光導體時(shí)應選擇載流子壽命短、載流子遷移率高、介質(zhì)耐射源中最高的。加速電子產(chǎn)生THz的方法主要有以下三種:擊穿度高。 目前常用的天線(xiàn)為基本偶極子天線(xiàn)?，F用作激(a)相對論電子產(chǎn)生THz輻射。它的主要原理是當激光照射光的飛秒光源有Ar+泵浦的Ti:S激光器、鎖模光纖激光器。到GaAs上,可產(chǎn)生一束自由電子,然后用直線(xiàn)加速器將自由相比而言,后者結構更為緊湊,體積也相對較小。光電導產(chǎn)電子加速至相對論速度,此時(shí)使電子進(jìn)人橫向磁場(chǎng),運動(dòng)的生的THz輻射具有較高的增益。其能量主要來(lái)自天線(xiàn)上所電子獲得法向加速度,由此產(chǎn)生THz輻射19)。(b)自由電子加的偏置電場(chǎng)。通過(guò)調節外加電場(chǎng),只需中等強度的激光輸激光產(chǎn)生THz輻射。它是目前性能最好的電磁波輻射源。人便可獲得很強的THz輸出。用一束接近光束的超短電子流通過(guò)具有空間變化的強磁場(chǎng),磁場(chǎng)自發(fā)輻射電磁波,直接將電子流動(dòng)能轉化為光能。只要調節人射電子的能量,就可得到從X射線(xiàn)到遠紅外的超強輻聲光擔射[0)。2002年,THz波段功率為20W的自由電子激光器在美國杰斐遜實(shí)驗室建造成功,峰值功率達到2.7kW,頻率范]情相放大器圍為0. 1THz至5THz。通過(guò)改進(jìn),目前系統的最大輸出功率直流偏置已大于10.1.另外,俄羅斯新西伯利亞的120yum 至180ym自由電子激光器的平均功率達到了200W ,最大峰值功率為0.6MW ,可以發(fā)射重復頻率為5.6MHz.寬度為50ps的脈沖(3)。自由電子激光器設備體積龐大,造價(jià)昂貴,不適宜一si儲般試驗和商業(yè)使用。(e)后 向波振蕩器產(chǎn)生THz輻射。它的工作原理和自由電子激光器相類(lèi)似。是由加熱的陰極管輻圖4(a)光電導化產(chǎn)生和檢測實(shí)驗裝置圖4(b) H發(fā)射器共面天線(xiàn)結構射出電子,電子在磁場(chǎng)中被聚焦,以搖擺的方式運動(dòng)至正極,THz的產(chǎn)生中需要性能良好的光學(xué)系統。其中最關(guān)鍵這些電子在反向運用過(guò)程中發(fā)出電磁輻射。通過(guò)改變加在的部分是連接在THz發(fā)射器襯底背面的球面聚焦透鏡[18]。正負極上的電壓可以調整輻射頻率,是另一種高效的THz輻由于THz輻射的錐頂角可能很大,所以要求光學(xué)系統要有很射源[14)。大的數值孔徑來(lái)準直THz射線(xiàn)。此外,為了完全消除衍射效1.3光整流產(chǎn)生應和界面反射,應將天線(xiàn)襯底位于球面透射半徑的中心處。THz脈沖最好的辦法就是將透鏡設計成超半球面透鏡(圖5)。它與半球面透鏡相比,最大的特點(diǎn)就是無(wú)球差,且用硅做材料時(shí),可實(shí)現在整個(gè)THz頻率范圍內無(wú)色散(19)。THz鍋封iR- h非戧性光學(xué)晶體圖3光整流發(fā)射 器原理圖半導體光整流效應是- -種非線(xiàn)性效應。如圖所示，它是利用飛秒激光脈沖和非線(xiàn)性介質(zhì)(如ZznTe)相互作用而產(chǎn)生低頻電5無(wú)球差的超半球面透鏡 圖6非線(xiàn)性差頻產(chǎn)生原理圖極化場(chǎng),超短激光脈沖進(jìn)行二階非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程或高階非線(xiàn)光電導天線(xiàn)是目前眾多THz產(chǎn)生技術(shù)中應用最廣泛的性過(guò)程,在晶體表面輻射出THz電磁波[15)。實(shí)驗表明,如果方法之一。它由Auson研發(fā)小組首先提出并初步試驗成功。在電場(chǎng)垂直方向加上磁場(chǎng),還可以大大提高THz輻射的輸出普通光電導天線(xiàn)得到的THz波能量為納瓦到微瓦量級,頻率功率[6。光整流發(fā)射出的THz光束的能量直接來(lái)源于激光在5THIz以下。2003 年, Sukhon[2)等人用1.55um的激光照射脈沖的能量,它的轉換效率主要依賴(lài)于材料的非線(xiàn)性系數和In.sGo. s7As光導天線(xiàn),發(fā)出能量超過(guò)0.1μW ,頻率大于相位匹配條件。0.1THz的電磁波。這-結果證明了用1.55pum波長(cháng)激光器和.4 光電導產(chǎn)生光電導天線(xiàn)又稱(chēng)光電導開(kāi)關(guān),由它產(chǎn)生THz波的原理如光纖技術(shù)產(chǎn)生連續TH.輻射縣可行的。2005 年Chimo[21)用圖4(a)所示。光電導天線(xiàn)(圖4(b))是通過(guò)在半導體材料表相同中國煤化工過(guò)的In, sGao.nAss光導面沉積金屬制成的。以GaAs為例,GaAs在常溫下呈現高阻天線(xiàn)Y片C N M H G2007年,eaesato(2)等人態(tài)。當激光脈沖泵浦直流偏置下的半導體材料,若人射光子發(fā)表了天于摻Be的低溫生長(cháng)的In,ia . As(0.45≤X≤0.53)能量大于半導體的禁帶寬度,光子被吸收,半導體表面瞬時(shí)光電導天線(xiàn)的研究,發(fā)現X =0.45時(shí),天線(xiàn)電阻高達3MQ,提產(chǎn)生大量自由電子-空穴對[7)。GaAs 的高電阻使偏置場(chǎng)在高外加偏置電場(chǎng)至60KV/cm時(shí),其輻射強度明顯提高。熊等:THz波產(chǎn)生技術(shù)《激光雜志>2010年第31卷第T扇LASER JOURNAL( Vol.31. No.1. 2010)91.5 非線(xiàn)性差頻產(chǎn)生2: 1404.非線(xiàn)性差頻產(chǎn)生法是很有潛力的一種THz產(chǎn)生技術(shù),它5) 姚建銓.路洋. THz輻射的研究和應用新進(jìn)展[J]光電子激光，的發(fā)光機制如圖6所示。當滿(mǎn)足準相位匹配條件的頻率很2005 ,4( 16):503 - 508.接近的兩束光w;和W2混合,可產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率激光的6] R. Kohler et al. Terhet sericonductor herestucture lser[J].拍頻(W1-W2)。將這個(gè)拍頻設在THz波段,之后將混頻好Nature. 2002,417;156 - 159.的激光照射光導體,光導體中產(chǎn)生的電子空穴對在電場(chǎng)作用[7] R. Asctzubi, C. Shneider, Ingid Wilke, Robinson Pino and P. Duta.Enhanced terahertz enission from impurity compensated GaSb[J].下發(fā)生定向移動(dòng)。只要將這種調制電流輸人天線(xiàn),即可產(chǎn)生Phys. Rev. B,2005 ,4(72):5. .THz輻射。用于混頻的器件主要有GaAs和PIN。這種方法[8]杜勇， 馬中華. THz科學(xué)技術(shù)的研究和應用新進(jìn)展[J].甘肅科可產(chǎn)生連續的THz波,并且能得到較寬的諧調范圍。它最大技,2008, 10(24):80-81.的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)閾值，可工作于常溫下,試驗設備容易搭建,相比9] G. Carr, M. Martin, W. Me Kinney, K. Jordan, G. Neil and G.光電導和光整流方法可以產(chǎn)生較高功率的THz波輻射,不Wilians. High - power terahertz radiation frorm relativistic electrons需要價(jià)格昂貴的泵浦裝置。它的最大缺點(diǎn)是轉換率低下。[J].Nature, 2002, 4(20):153.非線(xiàn)性差頻方法產(chǎn)生THz波的技術(shù)關(guān)鍵是要獲得功率較高、10] Van der Weide D. W , Murakowski J, Keilmann F. Microwave Theory波長(cháng)比較接近的泵浦光和信號光(兩波長(cháng)相差一般不大于Tech[J). IEEE Trans. ,2002,48:740.10nm),以及具有較大的二階非線(xiàn)性系數,并在THz波范圍內[11]Neil, George R, Car, G. L. et ul. Production of high power吸收系數小的非線(xiàn)性差頻晶體。fentoseond terahertz radiation [ J]. ZNuclear Instruments and很多實(shí)驗室都采用這種技術(shù)作為T(mén)Hz光源。Kawase 等Methods in Physics Research, 2003, 9(507): 537 - 540.人23)用摻雜的LiNbO3 實(shí)現了頻率范圍0.71Hz至3THz,峰值[12] Neil,George R, Wlliains G P. Evouion of the high power TCz soureprogram at Jfferen Lab(J]. Infrared Plysics and Technology , 2004,100mW的THz輸出。W.Shi等人用新型材料如ZnGeP2得到45:389 - 391.了峰值大于10W的THz輻射[24。[13] E.A Antokhin, R. R. Akberdin, V.S Arbusov, et al. Problems of為了獲得較高效率的THz波輸出,選擇合適的差頻材料Atornie Science and Technology ,2004,3: 102 - 109.也是必須的。周期極化晶體由于具有大的非線(xiàn)性系數.高的[14] A. Doroiu, M. Yanashita, Y. Ohshima, Y. Morita, C. Otani, and非線(xiàn)性轉換效率、無(wú)走離效應等優(yōu)點(diǎn),目前廣泛被用于非線(xiàn)K. Kawase.Terahertz imaging syste based on a backwark - wave 0-性頻率變換中。而利用傾斜周期極化鈮酸鋰晶體(slanted-slator[J]. Appl. Phys. Lett. ,2004, 10(43):5637.PPLN:slanted peidicaly poled lithiun niobate)作為差頻晶體。[15]張興寧等 .TH時(shí)域光譜技術(shù)[J].激光與光電子進(jìn)展2005,42通過(guò)選擇合適的極化晶體的大小,就可以產(chǎn)生垂直于泵浦光(7):35- 38.方向的THz波輻射[25)。這種從晶體側面輻射THz的方式可16] Meinert G, Banyai L. Theory of THz erision from oically exciedsemiconductors[J]. Phys. Rev. B,2002, 62: 5003 - 5009.以大幅度減少晶體本身對THz波的吸收,大大提高了THz波[17]程姚華 ,祝大軍,劉盛綱. THz技術(shù)的研究進(jìn)展[J] .現代物理知的輸出功率,因而成為近幾年來(lái)國際上研究的熱點(diǎn)。識,2004,17(5):40-44.1.6 其它[18] ZhangXC, Austo DH[].JAP.1992, 71 (3): 326-328其它產(chǎn)生THz波的方法還有熱輻射產(chǎn)生高能加速器產(chǎn)Jepscn P U, Keiding s R[J].Opt Ltt, 1959,20 (6): 807 - 809.生等。熱輻射產(chǎn)生方法即傅里葉變換紅外光譜利用非相干[19)趙尚弘，陳國夫,趙衛等.THz射線(xiàn)產(chǎn)生技術(shù)及應用最新進(jìn)展熱源產(chǎn)生THz光譜。這一方法的缺點(diǎn)是非相干光源不能提[].激光技術(shù),000.6(24):351 -354.供精確的相位測量,而且功率和靈敏度較低[26)。[20] M Sukhotin, E R Rrown, A C Grossard, et al. Potonixing and2總結photoconductor measurements on ErAs/InGuAs at 1. 55pum [J].Appl. Phys. Lelt. ,2003,82(18): 3116 - 3118. .綜上所述,在以上的THz波產(chǎn)生技術(shù)中,加速電子產(chǎn)生[21] N Chimot, J Mangeney, L Joulaud, et al. Teraherse raliation from方法產(chǎn)生的THz輻射具有最高的輸出功率,特別是自由電子heavy - ion 一iradiated In0.53 Gao,.7 As pholoconductive antenna激光器良好的性能,得到了廣泛的關(guān)注和深人研究。光電導exited at 1.55ym[J] . Appl. Phys. Let. ,2005, 87( 19): 193510.產(chǎn)生的THz波具有高增益,在進(jìn)一一步 改進(jìn)其發(fā)射天線(xiàn)幾何結[22] A Takwzato, M Karmekura, T Matsui, et al. Terhertz wave enission構后,相信會(huì )具有更好的發(fā)展前景。非線(xiàn)性差頻技術(shù)以其設and tetection using photoconductive antennas made on low備簡(jiǎn)單,產(chǎn)生的THz波可諧調，無(wú)閾值等諸多優(yōu)勢必將成為temperature - growm InGaAs with I. 56um pluse excitation(J]. Appl.最具潛力的THz波產(chǎn)生方法,而尋找具有極小吸收系數的有Phys. let.20091);11102.機非線(xiàn)性晶體以提高其轉換率將是它的研究重點(diǎn)。[23] Kodo Kawase, Jun - ichi Shikata, Hiromasa Ito. Terahertz wave參考文獻peranetic source[J] .Appl. Phys. Le. ,2001,34:1- 14.[1]劉盛剛.THz 科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展[J].中國基礎科學(xué), 206.1:7-[24] w. Shi,Y.J. Ding,N. Femelius, and K. Vodopyanov. Eficient,Tunable, and Coherent THz Source based on GaSe Crystal .2002, 27:12.(2] Ferguson B, Wang s H, Gray D,et al. Tray conmputed tomography[J].[25] Yuzo Sasaki, Avetisyan Yuri, Kodo Kawase, et al. Terhertz - waveOptics ltter, 2002, 27:1312 - 1314.[3] JIANG Zhi - ping, ZHANG Xi - cheng. Terahertz imaging via中國煤化工yeneration in slant - stripe -.Appl. Phy. Llt. ,002,81eletpie ffet [J]. Microwave Theary and Techniques[J]. IEEEMHCNMHGTransactions, 199,47(12);2644 - 2650.[4]ZHANG Xi - Cheng. Terahertz elctric field imaging[J]. The[26]李德華 ,周薇. THz波的產(chǎn)生及技術(shù)[J].物理與工程, 2007,17(16):34-37.Encyclopedia of Imaging Science Technology Systems Section, 2002,