THz波产生技术

《激光杂志>2010年第31谢在燕 篇:THz波产生技术，LASER JOURNAL( Vol.31. No.1.2010)7THz波产生技术谢春燕,袁明辉(上海理工大学光学与电子信息工程学院,上海200093)提要:在介绍太赫兹技术的基础上,系统论述了太赫兹波的各种产生技术及其发展动态。关键词:THz波;产生中團分类号:TN928文献标识码:A文章编号: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科学技术是近20年迅速发展起来的一门新兴交叉学-空穴对,自由电子在表面静电场和外加偏置电场的作用下科。THz波通常是指频率在0. ITHz至107THz(对应波长0.03mm加速产生瞬间电流J(t),从而产生宽带的THz辐射:至3mm)范围内的电磁辐射波。很长-段时间以来，由于没a1(0)5)Eme(l)x a(I)有切实可行的产生技术和有效的检测方法,使得THz波成为电磁波谱中最后一个有待全面研究的频率窗口。近年来,伴采用的超短激光脉冲的光源主要有半导体THz激光器随着激光技术、量子技术和化合物半导体、超快技术等的迅和THz量子级联激光器(QCL)两种。其中,后者是目前研发.猛发展,为实现稳定可靠的'THz波发射源提供了可能"。的重点。它是一种以异结构半导体(GaAs/Al GaAs)导带中次THz波之所以引起广泛关注,是由于其无法取代的重要能级间的跃迁为基础的一种激光器,原理是利用纵向光学声特性以及在各个领域当中巨大的应用价值:(1)THz的典型脉子的谐振产生反转。传统的半导体激光器是基于带间跃迁冲宽度在ps量级,可以方便地进行时间分辨。(2)仅单个过程。其辐射频率由材料导带和价带的带隙决定，因此不利THz脉冲的频带就可覆盖从几赫兹到几十THz的频率范围。于实现长波长的辐射。目前,新出现的基于子带间跃迁的量它的带宽之宽,是电磁波谱中的其它电磁波无法企及的。子级联激光器,电子跃迁发生在半导体量子限制的导带子带(3)物质的THz光谱含大量物理、化学信息。在物理学、化学之间。其跃迁的初态和终态具有相似的色散关系,发射频率领域,得到THz光谱对探索物质的结构性质具有重要的意取决于子带间的能级差。子带间距可通过半导体“能带工义。(4)THz 光子能量低。据统计, 1THz光子的能量只有约程”进行调节,如改变量子阱或垒的厚度,材料的成分,外加4meV(2),比X射线的光子弱10左右。因此,当THz射线穿偏压等。基于子带间跃迁的半导体量子级联激光器是实现越生物体时,不会在生物组织中引起光损伤和产生有害电THz辐射的重要器件和发展方向[0)。离。(5)良好的穿透性。THz波能以很小的衰减穿透物质。反射的激光脉冲及Thz脉冲Th脉冲拥环电子.(6)THz波时域谱的信噪比高,非常适合成像13.4。作为THz技术的基础,其产生技术被广泛关注并取得了-定的研究成果。由于THz波谱介于微波和光波之间,因此电子流其产生途径主要有电子学和光子学两种方法。本文将从这THhz输出两种途径出发，详细介绍各种THz波的产生技术及其发展动态。微光慕精光电子能量特换1 THz波产生技术.半导体激光源目前，常用的电子学产生法有加速电子产生法等,而常用的光子学产生法主要有与超短激光脉冲有关.能产生宽带图1半导体瞬间电流产生法原理图图2 自由电 子激光器亚皮秒THz辐射的光整流、光电导和非线性光学差频等方在半导体的选择.上,选用的如果是像ZnAs.InSb等带宽法。此外,利用热辐射、高能加速器等产生THz的研究也在较窄的半导体,在超短激光脉冲照射到半导体表面时产生的电子、空穴由于等效质量的不同,所获得的速度也会不同,它发展中。们的扩散与重新复位过程会产生瞬间涌流,而涌流也会产生1.1 半导体瞬间电流产生图1是半导体瞬间电流产生法原理图。用超短激光脉THz辐射,这就是“余光效应”(7。冲照射到半导体材料上(例如GaAs, InP) ,此时若人射光子能半导体瞬间由流产牛方法的原理是利用载流子的加速量大于半导体能带的带宽,入射光子会在半导体内产生电子运动好中国煤化工要人射光具有较高的峰值功YHCN M H G导体瞬间电流产生法小心、U Hi尿L.项率可调(7)。其不足之紧项青:上海市商校优秀青年教师科研专项基金资助项目(编号:处在于半导体器件的工作频率很难达到1T以上。对于采用半导体瞬间电流产生THz波,2004年，MIT在作者简介:谢春燕(1987 -通讯作者:袁明辉(1976 -. 勇;博土,讲师。频率2.IT,分别获得连续波(CW)功率1mW(温度93K)和脉8《激光杂志》2010年第31谢春燕等:THz波产生技术，LASER JOURNAL(Vol.31. No. 1.2010)冲峰值功率20mW(温度137K)的稳定输出。在国内，中国电半导体内不会产生任何电流。而泵浦脉冲产生的载流子会子集团南京55所,运用雪崩二极管实现了0. IT的稳定输出; .集聚到偏置场并在半导体表面产生变化极快的电流,从而产中国科学院上海微系统研究所和半导体研究所,也已经开展生向外辐射的THz辐射脉冲。泵浦脉冲在整个过程中就像QCL的研究工作[8)。一个开关,负责打开电流。影响发射性能的因素主要有光导1.2 加速电子产生体的选择、天线的几何结构以及泵浦激光脉冲的宽度。在选目前,加速电子所产生的THz辐射的功率是所有THz发择光导体时应选择载流子寿命短、载流子迁移率高、介质耐射源中最高的。加速电子产生THz的方法主要有以下三种:击穿度高。 目前常用的天线为基本偶极子天线。现用作激(a)相对论电子产生THz辐射。它的主要原理是当激光照射光的飞秒光源有Ar+泵浦的Ti:S激光器、锁模光纤激光器。到GaAs上,可产生一束自由电子,然后用直线加速器将自由相比而言,后者结构更为紧凑,体积也相对较小。光电导产电子加速至相对论速度,此时使电子进人横向磁场,运动的生的THz辐射具有较高的增益。其能量主要来自天线上所电子获得法向加速度,由此产生THz辐射19)。(b)自由电子加的偏置电场。通过调节外加电场,只需中等强度的激光输激光产生THz辐射。它是目前性能最好的电磁波辐射源。人便可获得很强的THz输出。用一束接近光束的超短电子流通过具有空间变化的强磁场,磁场自发辐射电磁波,直接将电子流动能转化为光能。只要调节人射电子的能量,就可得到从X射线到远红外的超强辐声光担射[0)。2002年,THz波段功率为20W的自由电子激光器在美国杰斐逊实验室建造成功,峰值功率达到2.7kW,频率范]情相放大器围为0. 1THz至5THz。通过改进,目前系统的最大输出功率直流偏置已大于10.1.另外,俄罗斯新西伯利亚的120yum 至180ym自由电子激光器的平均功率达到了200W ,最大峰值功率为0.6MW ,可以发射重复频率为5.6MHz.宽度为50ps的脉冲(3)。自由电子激光器设备体积庞大,造价昂贵,不适宜一si储般试验和商业使用。(e)后 向波振荡器产生THz辐射。它的工作原理和自由电子激光器相类似。是由加热的阴极管辐图4(a)光电导化产生和检测实验装置图4(b) H发射器共面天线结构射出电子,电子在磁场中被聚焦,以摇摆的方式运动至正极,THz的产生中需要性能良好的光学系统。其中最关键这些电子在反向运用过程中发出电磁辐射。通过改变加在的部分是连接在THz发射器衬底背面的球面聚焦透镜[18]。正负极上的电压可以调整辐射频率,是另一种高效的THz辐由于THz辐射的锥顶角可能很大,所以要求光学系统要有很射源[14)。大的数值孔径来准直THz射线。此外,为了完全消除衍射效1.3光整流产生应和界面反射,应将天线衬底位于球面透射半径的中心处。THz脉冲最好的办法就是将透镜设计成超半球面透镜(图5)。它与半球面透镜相比,最大的特点就是无球差,且用硅做材料时,可实现在整个THz频率范围内无色散(19)。THz锅封iR- h非戗性光学晶体图3光整流发射 器原理图半导体光整流效应是- -种非线性效应。如图所示，它是利用飞秒激光脉冲和非线性介质(如ZznTe)相互作用而产生低频电5无球差的超半球面透镜 图6非线性差频产生原理图极化场,超短激光脉冲进行二阶非线性光学过程或高阶非线光电导天线是目前众多THz产生技术中应用最广泛的性过程,在晶体表面辐射出THz电磁波[15)。实验表明,如果方法之一。它由Auson研发小组首先提出并初步试验成功。在电场垂直方向加上磁场,还可以大大提高THz辐射的输出普通光电导天线得到的THz波能量为纳瓦到微瓦量级,频率功率[6。光整流发射出的THz光束的能量直接来源于激光在5THIz以下。2003 年, Sukhon[2)等人用1.55um的激光照射脉冲的能量,它的转换效率主要依赖于材料的非线性系数和In.sGo. s7As光导天线,发出能量超过0.1μW ,频率大于相位匹配条件。0.1THz的电磁波。这-结果证明了用1.55pum波长激光器和.4 光电导产生光电导天线又称光电导开关,由它产生THz波的原理如光纤技术产生连续TH.辐射县可行的。2005 年Chimo[21)用图4(a)所示。光电导天线(图4(b))是通过在半导体材料表相同中国煤化工过的In, sGao.nAss光导面沉积金属制成的。以GaAs为例,GaAs在常温下呈现高阻天线Y片C N M H G2007年,eaesato(2)等人态。当激光脉冲泵浦直流偏置下的半导体材料,若人射光子发表了天于掺Be的低温生长的In,ia . As(0.45≤X≤0.53)能量大于半导体的禁带宽度,光子被吸收,半导体表面瞬时光电导天线的研究,发现X =0.45时,天线电阻高达3MQ,提产生大量自由电子-空穴对[7)。GaAs 的高电阻使偏置场在高外加偏置电场至60KV/cm时,其辐射强度明显提高。熊等:THz波产生技术《激光杂志>2010年第31卷第T扇LASER JOURNAL( Vol.31. No.1. 2010)91.5 非线性差频产生2: 1404.非线性差频产生法是很有潜力的一种THz产生技术,它5) 姚建铨.路洋. THz辐射的研究和应用新进展[J]光电子激光，的发光机制如图6所示。当满足准相位匹配条件的频率很2005 ,4( 16):503 - 508.接近的两束光w;和W2混合,可产生两个不同频率激光的6] R. Kohler et al. Terhet sericonductor herestucture lser[J].拍频(W1-W2)。将这个拍频设在THz波段,之后将混频好Nature. 2002,417;156 - 159.的激光照射光导体,光导体中产生的电子空穴对在电场作用[7] R. Asctzubi, C. Shneider, Ingid Wilke, Robinson Pino and P. Duta.Enhanced terahertz enission from impurity compensated GaSb[J].下发生定向移动。只要将这种调制电流输人天线,即可产生Phys. Rev. B,2005 ,4(72):5. .THz辐射。用于混频的器件主要有GaAs和PIN。这种方法[8]杜勇， 马中华. THz科学技术的研究和应用新进展[J].甘肃科可产生连续的THz波,并且能得到较宽的谐调范围。它最大技,2008, 10(24):80-81.的优点是无阈值，可工作于常温下,试验设备容易搭建,相比9] G. Carr, M. Martin, W. Me Kinney, K. Jordan, G. Neil and G.光电导和光整流方法可以产生较高功率的THz波辐射,不Wilians. High - power terahertz radiation frorm relativistic electrons需要价格昂贵的泵浦装置。它的最大缺点是转换率低下。[J].Nature, 2002, 4(20):153.非线性差频方法产生THz波的技术关键是要获得功率较高、10] Van der Weide D. W , Murakowski J, Keilmann F. Microwave Theory波长比较接近的泵浦光和信号光(两波长相差一般不大于Tech[J). IEEE Trans. ,2002,48:740.10nm),以及具有较大的二阶非线性系数,并在THz波范围内[11]Neil, George R, Car, G. L. et ul. Production of high power吸收系数小的非线性差频晶体。fentoseond terahertz radiation [ J]. ZNuclear Instruments and很多实验室都采用这种技术作为THz光源。Kawase 等Methods in Physics Research, 2003, 9(507): 537 - 540.人23)用掺杂的LiNbO3 实现了频率范围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输出。W.Shi等人用新型材料如ZnGeP2得到45:389 - 391.了峰值大于10W的THz辐射[24。[13] E.A Antokhin, R. R. Akberdin, V.S Arbusov, et al. Problems of为了获得较高效率的THz波输出,选择合适的差频材料Atornie Science and Technology ,2004,3: 102 - 109.也是必须的。周期极化晶体由于具有大的非线性系数.高的[14] A. Doroiu, M. Yanashita, Y. Ohshima, Y. Morita, C. Otani, and非线性转换效率、无走离效应等优点,目前广泛被用于非线K. Kawase.Terahertz imaging syste based on a backwark - wave 0-性频率变换中。而利用倾斜周期极化铌酸锂晶体(slanted-slator[J]. Appl. Phys. Lett. ,2004, 10(43):5637.PPLN:slanted peidicaly poled lithiun niobate)作为差频晶体。[15]张兴宁等 .TH时域光谱技术[J].激光与光电子进展2005,42通过选择合适的极化晶体的大小,就可以产生垂直于泵浦光(7):35- 38.方向的THz波辐射[25)。这种从晶体侧面辐射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.以大幅度减少晶体本身对THz波的吸收,大大提高了THz波[17]程姚华 ,祝大军,刘盛纲. THz技术的研究进展[J] .现代物理知的输出功率,因而成为近几年来国际上研究的热点。识,2004,17(5):40-44.1.6 其它[18] ZhangXC, Austo DH[].JAP.1992, 71 (3): 326-328其它产生THz波的方法还有热辐射产生高能加速器产Jepscn P U, Keiding s R[J].Opt Ltt, 1959,20 (6): 807 - 809.生等。热辐射产生方法即傅里叶变换红外光谱利用非相干[19)赵尚弘，陈国夫,赵卫等.THz射线产生技术及应用最新进展热源产生THz光谱。这一方法的缺点是非相干光源不能提[].激光技术,000.6(24):351 -354.供精确的相位测量,而且功率和灵敏度较低[26)。[20] M Sukhotin, E R Rrown, A C Grossard, et al. Potonixing and2总结photoconductor measurements on ErAs/InGuAs at 1. 55pum [J].Appl. Phys. Lelt. ,2003,82(18): 3116 - 3118. .综上所述,在以上的THz波产生技术中,加速电子产生[21] N Chimot, J Mangeney, L Joulaud, et al. Teraherse raliation from方法产生的THz辐射具有最高的输出功率,特别是自由电子heavy - ion 一iradiated In0.53 Gao,.7 As pholoconductive antenna激光器良好的性能,得到了广泛的关注和深人研究。光电导exited at 1.55ym[J] . Appl. Phys. Let. ,2005, 87( 19): 193510.产生的THz波具有高增益,在进一一步 改进其发射天线几何结[22] A Takwzato, M Karmekura, T Matsui, et al. Terhertz wave enission构后,相信会具有更好的发展前景。非线性差频技术以其设and tetection using photoconductive antennas made on low备简单,产生的THz波可谐调，无阈值等诸多优势必将成为temperature - growm InGaAs with I. 56um pluse excitation(J]. Appl.最具潜力的THz波产生方法,而寻找具有极小吸收系数的有Phys. let.20091);11102.机非线性晶体以提高其转换率将是它的研究重点。[23] Kodo Kawase, Jun - ichi Shikata, Hiromasa Ito. Terahertz wave参考文献peranetic source[J] .Appl. Phys. Le. ,2001,34:1- 14.[1]刘盛刚.THz 科学技术的新发展[J].中国基础科学, 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. 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