浅谈太赫兹科学与技

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1、浅谈太赫兹科学与技术人类对太赫兹(THz)辐射的认识可以追溯到20世纪初天体物理学家开始进行红外天文学的研究，远处天体上的简单分子如一氧化碳等的振动和转动特征光谱会在太赫兹波段上留下印迹。吋至今日，红外天文学仍是天体物理研究的一个热点领域。但是直到过去的二十年时间里，伴随着更人功率的太赫兹辐射源和更加灵敏的探测装置的发展，太赫兹研究才得以快速的发展。太赫兹辐射可定义为0.1〜10太赫波段的电磁波振荡。太赫兹波段在电磁波谱上处在红外辐射和微波之间，比太赫兹频率更高的红外波段以及更低的微波波段分别属于已经发展得非常成熟的光学和电子学的研究范畴。相比较而言，材

2、料在太赫兹波段的性质则尚未被深入研究人们对太赫兹波段的认识首先得益于过去二十年中超快光电子学的发展。从1980年代利用飞秒激光脉冲在半导体表面实现太赫兹脉冲的发射和探测开始，物理学家在发展和使用太赫兹技术方面已经取得了很多研究成果。例如，发明太赫兹量子级联激光器，利用太赫兹技术检测飞摩尔含量的无标记DNA单碱基对的差异，研究多粒子电荷体系与太赫兹光谱和互作用，利用太赫兹技术对航天飞机隔热材料的无损探伤和近场的太赫兹显微技术等。太赫兹技术正从实验室走向实际应用太赫兹辐射光源及探测技术制约太赫兹科学发展的主要因素是缺乏高功率并可在室温下稳定工作的太赫兹辐射源

3、。当今高速电子学和激光科学的发展提供了一啄列已有的和有潜力的太赫兹光源。这些太赫兹光源可以被分为非相于的热辐射源、宽波段太赫兹脉冲和窄波段的连续波太赫兹辐射。热辐射太赫兹源自然界中存在着丰富的太赫兹辐射，比如宇宙大爆炸背景辐射的一半能量集中在太赫兹波段，宗温物体热辐射的峰值频率则处于6太赫左右。实际应用中使用的非相干的太赫兹热辐射源利用太赫兹波段的黑体辐射作为太赫兹光源。这一光源通常与红外傅里叶变换光谱仪(FTIR)配合使用,FTIR是化学研究中最常见的用来研究分子共振的手段之一，其优越性是具有很宽的光谱波段，可以用来研究材料从太赫兹到近红外波段的光谱性

4、质在FTIR的实验屮，宽波段的辐射源通常由电弧灯或加热的SIC棒担任，样品被置于一个光学干涉仪系统屮，通过改变干涉仪的一个臂的行程，并利用一个直接的强度测量装置，如液氨冷却的热辐射测量仪(bololleter)來测量于涉信号。FTIR系统的缺点是其有限的光谱分辨率和在低频(小于3太赫)较低的灵敏度。脉冲太赫兹源通过超快激光脉冲（飞秒激光脉冲）对物质的激发可以得到宽波段的脉冲太赫兹辐射。这里的所谓超快激光脉冲激发实际上包含了多种物理机制，如光生载流子的加速，电光晶体屮的二阶非线性效应等.光电导天线是常用的太赫兹脉冲发射器它是由一块半绝缘的半导体材料及其表面

5、互相平行的一对电极构成的。超快激光脉冲为高速的光电导材料提供瞬态光生自由载流子（光子的能量大于该种材料的能隙宽度），如果同时在电极上设置偏置电场，产生的光生载流子随即被偏置电场加速。根据经典的电磁理论，这种瞬变的光电流会辐射电磁波。光电导材料的一些物理性质会影响产生的太赫兹的辐射的频谱宽度和强度等。除了外加的偏置电场，其他的瞬态载流子加速机制,比如半导体的内建电场加速和光致登伯（photo-Dember）效应等都会产生太赫兹辐射。以半导体材料InAs为例，当超快的E秒激光脉冲照射在InAs半导体品片表面，产生的光生载流子（包括电子和空穴）由于体密度分布梯

6、度会向半导体的内部扩散。因为电了和空穴有着不同迁移率，它们会具有不同的扩散速率，从而形成净的电荷移动，称为登伯效应。电子和空穴之间的空间位移可以形成一个瞬时的垂直半导体表面的偶极子振荡，这个偶极子振荡将以太赫兹辐射的形式向外辐射能量。半导休材料GAas的情况和InAs不同，GaAs中能带在材料表面的弯曲在发射太赫兹辐射屮扮演了主要角色。光生电子一空穴对在表面电场的作用下反向加速，从而发射太赫兹辐射.光整流是太赫兹脉冲产生的另一种机制，它是电光效应的逆过程。飞秒激光脉冲实际包含一定频谱宽度，它在非线性晶体中通过二阶非线性过程可以实现激光频率的下转换，从而产

7、生太赫兹波段的辐射。这一过程好像对激光脉冲进行整流，因此称为光整流过程。光整流过程屮激光能量向太赫兹能量的转换效率主耍依赖于材料的非线性系数和相位匹配条件.常用的两种相干测量的方法是光电导取样和自由空间的电光取样。自由空间电光取样利用的电光效应是低频电场（太赫兹脉冲）和激光束（光学脉冲）在探测晶体屮的祸合。太赫兹的屯场调制探测晶体的双i）f射,进而调制了通过探测晶体的探测光束的椭圆偏振度。测量探测光朿被调制的椭偏度可以得到包括所施加的太赫兹电场的强度和相位等信息。窄波段太赫兹光源窄波段发射的太赫兹光源对于要求高频谱分辨率的应用是必需的同时由于差频测量的需

8、要，窄波段发射在极宽频带卫星通信上也有广泛的应用前景。很多新的技术H前仍在发展中