姚建銓

天津大學精密儀器與光電子工程學院激光與光電子研究所

太赫茲波(Tera-Hertz Wave，頻率在0.1—10THz范圍)是光子學技術(shù)與電子學技術(shù)、宏觀與微觀的過渡區(qū)域，是一個具有科學研究價值但尚未開發(fā)的電磁輻射區(qū)域。如何有效的產(chǎn)生高功率(高能量)、高效率且能在室溫下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、寬帶可調(diào)的THz輻射源，已經(jīng)成為科研工作者追求的目標。根據(jù)THz輻射產(chǎn)生的機理，可以將其輻射源分為兩大類：一類是利用電子學的方法，另一類是利用光學的方法產(chǎn)生THz波輻射。目前光學方法產(chǎn)生THz輻射的主要有以下幾種：

l、TlHz氣體激光器
利用一個C0₂．激光抽運一個充有甲烷(CH₄)、氰化氫(HCN)或是甲醇(CH₃0H)等的低氣壓腔，由于這些氣體分子的轉(zhuǎn)動能級間的躍遷頻率處于THz波段范圍，可以形成THz波受激發(fā)射。這種方法可以得到上百毫瓦的輸出功率，且已實現(xiàn)產(chǎn)品化，且已被美國國家航天局(NASA)應(yīng)用于衛(wèi)星大氣觀測。

2、利用超短激光脈沖產(chǎn)生rHz輻射，有兩種方案：光電導和光整流
在光電導半導體材料表面淀積金屬制成偶極天線電極結(jié)構(gòu)，用光子能量大于半導體禁帶寬度的超短脈沖激光照射半導體材料(hv≥Eg)，使半導體材料中產(chǎn)生電子-空穴對，在外加偏置電場中產(chǎn)生的載流子的瞬態(tài)輸運，這種隨時間變化的瞬態(tài)光電流的變化，便會發(fā)射太赫茲電磁輻射。光學整流方法利用電光晶體作為非線性介質(zhì)，使超短激光脈沖進行二階非線性光學過程(差頻產(chǎn)生)或高階非線性光學過程來產(chǎn)生THz電磁脈沖。利用飛秒激光脈沖激發(fā)半導體晶體的方法產(chǎn)生的THz波具有超寬帶、脈寬窄及峰值功率高等特點，可應(yīng)用于THz時域光譜成像與精密時間分辨光譜等研究。

3、利用非線性差頻過程(DFG)和參量過程產(chǎn)生THz波
利用非線性差頻過程獲得THz波的最大優(yōu)點是沒有閾值，且設(shè)備容易搭建，通過選擇合適的差頻晶體以及所需的不同波長，可以得到大的調(diào)諧范圍。其技術(shù)關(guān)鍵是差頻光源的兩個波長應(yīng)該比較接近，相差一般不大于10nm。

在LiNbO₃等晶體中利用共線和非共線相位匹配，均實現(xiàn)了0.6～5.7THz連續(xù)可調(diào)遠紅外輻射，并在非共線相位匹配中峰值功率達到了200 mw。利用一臺BBO參量振蕩器和YAG激光器(輸出1064nm)分別作為泵浦源和信號光，通過改變這兩束光的夾角，利用非共線相位匹配，在GaP晶體進行差頻，實現(xiàn)了0.5 to 3THz的太赫茲波連續(xù)輸出，其峰值功率達到數(shù)百毫瓦的量級。使用兩塊KTP晶體組成雙參量振蕩器，其中一塊晶體產(chǎn)生一系列固定頻率的閑頻光，而另一塊晶體在相同閑頻光附近產(chǎn)生連續(xù)調(diào)諧的閑頻光，利用DAS'I晶體進行差頻轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了2～20 THz的大范圍THz波輻射的調(diào)諧范圍。而用GaP晶體作為差頻晶體，實現(xiàn)了0.5～4.5THz的調(diào)諧范圍。利用一塊雙周期級聯(lián)的PPIN晶體組成一雙信號光振蕩的參量振蕩器，輸出的信號通過晶體差頻得到THz波。通過改變晶體溫度或者選擇合適的極化周期搭配，可以實現(xiàn)100～700 u m (0.4～3THz)較寬范圍的THz波輸出。利用光學參量方法可研制出在室溫下運轉(zhuǎn)、寬帶可調(diào)諧、結(jié)構(gòu)緊湊及易于操作的全固態(tài)THz波輻射源：太赫茲波參量發(fā)生器(THz-wave Parametric Generation—TPG)和太赫茲波參量振蕩器(THz-wave Parametric Oscillator－TPO)。

光學方法產(chǎn)生THz輻射以其卓越的特性和顯著的優(yōu)點擠身于目前各種太赫茲輻射源技術(shù)行列之中，在各種科學研究中具有舉足輕重的地位。正朝著實現(xiàn)高效率、室溫運轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)緊湊、高且穩(wěn)定的輸出及便捷調(diào)諧的研究方向發(fā)展。