基于非线性光学频率变换产生太赫兹辐射源的分析

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1、华中科技大学硕士学位论文(4)脉宽窄。利用超快激光激发半导体产生的THz脉冲一般为亚皮秒量级。THz时域光谱仪采用取样测量技术，可以有效地抑制背景辐射噪声，与远红外光谱仪相比[1][2]具有更高的信噪比，很适合用于成像。(5)较高的时间和空间相干性。常用的THz辐射一般由相干电流驱动偶极子振荡或者相干的脉冲激光泵浦非线性光学晶体产生，具有较高的时间和空间相干性。(6)宽带性。THz脉宽非常窄，单个脉冲只包含几个周期的电磁振荡，包含的频谱范围非常宽，从GHz到几十个THz。1.2太赫兹波的应用THz波光子能量低，对很多物质具有良好的穿透性，具有较高的时间和空间相干性及宽带性，这决定

2、了它可广泛地应用于生物医学，安全检测等诸多领域。(1)成像与生物医学测量物质在THz波段的透射或反射光谱可以得到THz光谱图像，与普通光学成像不同的是THz光谱信息除了振幅信息还有相位信息。根据光谱相位信息可以测量材料的厚度，可用于钱币，书页等数量计量。THz光子低能量性使它用于生物医学检测时不会破坏分子结构，是理想的检测光源。THz波还可用于皮肤癌诊断，通过THz波成[4]像可以观察到表皮下的癌变组织，确定区域，大小和深度，为医疗诊断提供依据。(2)安全检查THz波对很多物质具有较强的穿透性，可用来探测隐藏在纸盒，塑料箱，衣物下的各种危险物品如刀具，枪支等。在安全形式日益复杂的

3、今天，各种形式的炸药层出不穷，对安全检查的要求越来越高，利用THz波光谱成像可以识别炸药成分，实现各种爆炸物的检测，具有重要的应用价值。另一方面利用THz波无损探伤技术可以很好地检查泡沫中存在的缺陷，预防事故的发生。美国“哥伦比亚”号航天飞机失事，最[5]后查明就是因为外挂燃料箱上的隔热泡沫中存在缺陷所导致的。1.3太赫兹辐射源THz波的诸多应用都是基于THz辐射源实现的，THz辐射源对THz技术的发展和2华中科技大学硕士学位论文应用至关重要。性能优良的THz辐射源一般具有高的输出功率，调谐方便，室温运转等优点。根据太赫兹波所处频谱位置，可将产生THz辐射的方法分为两类：电子学和

4、光子学方法。1.3.1电子学方法产生太赫兹辐射利用电子学方法产生THz辐射，相比传统的微波就是往高频方向延伸。产生THz辐射的电子学方法主要有以下几种。(1)量子级联激光器THz量子级联激光器(Quantum-cascadelasers_QCL)的基本原理是利用电子在不同[6][7]能级子带间跃迁辐射能量产生THz光子。1971年，Kazarinor和Suris首次提出QCL[8]的概念，1994年贝尔实验室研究出了世界上第一台GaInAs/AlInAsQCL。2002年[9]RudegerKohler等人利用异质结半导体GaAs/AlGaAs得到了频率为4.4THz的单模THz

5、波输出，功率超过2mW，第一次实现了THz波段的QCL。随后LassaadAjili等人[10]利用QCL在2.3THz和3.4THz处得到的峰值功率分别为50mW和56mW的THz波[11]输出。ChristophWalther等人则利用两种GaAs/Al0.1Ga0.9As异质结QCL产生了频率范围分别为1.2-1.34THz和1.34-1.58THz的THz波调谐输出。在运转温度方面，Benjamin[12]S等人利用铜-铜热压片粘合制作波导的方式，在3.0THz附近实现了运转温度分别为164K和117K的脉冲和连续THz波输出，大大提高了QCL的热性质。QCL的优点是体积

6、小便于集成，缺点是功耗高且需要在低温下运行。(2)自由电子激光器自由电子激光器(FreeElectronLaser_FEL)基本原理是利用高速运功的电子在周期[13]性磁场中加速运动产生THz辐射。它的输出功率非常高，通常比光电导天线高六个数量级，频率调谐范围宽而且可连续调谐。缺点是功耗高，结构复杂，体积十分庞大而且造价昂贵。我国工程物理研究院在2005年研制成功了国内第一台基于射频直线加[14]速器技术的远红外自由电子激光器。除上述方法外，还可以利用反波管，耿式二极管振荡器和倍频器等产生THz辐射。3华中科技大学硕士学位论文1.3.2光子学方法产生太赫兹辐射利用光子学方法产生T

7、Hz辐射，相比传统的光波就是往低频方向延伸，产生THz的光子学方法主要有以下几种。(1)太赫兹气体激光器很多气体分子的振动转动能级偶极跃迁都处于THz频段，利用CO2激光器输出激光泵浦气体分子，电子从振动能级基态的转动能级跃迁到高振动态的转动能级，实现粒子数反转，当电子往回跃迁时会辐射出光子，达到一定增益便会形成THz激光输出。[15]最早利用这种方法产生远红外辐射的是T.Y.Chang和T.J.Bridges，他们利用CO2激光器输出激光泵浦CH3F气体得到了波长分别为452μ