基于光学及光子学的太赫兹(THz)辐射源

姚建铨

天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所

太赫兹波(Tera-Hertz Wave，频率在0.1—10THz范围)是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域，是一个具有科学研究价值但尚未开发的电磁辐射区域。如何有效的产生高功率(高能量)、高效率且能在室温下稳定运转、宽带可调的THz辐射源，已经成为科研工作者追求的目标。根据THz辐射产生的机理，可以将其辐射源分为两大类：一类是利用电子学的方法，另一类是利用光学的方法产生THz波辐射。目前光学方法产生THz辐射的主要有以下几种：

l、TlHz气体激光器
利用一个C0₂．激光抽运一个充有甲烷(CH₄)、氰化氢(HCN)或是甲醇(CH₃0H)等的低气压腔，由于这些气体分子的转动能级间的跃迁频率处于THz波段范围，可以形成THz波受激发射。这种方法可以得到上百毫瓦的输出功率，且已实现产品化，且已被美国国家航天局(NASA)应用于卫星大气观测。

2、利用超短激光脉冲产生rHz辐射，有两种方案：光电导和光整流
在光电导半导体材料表面淀积金属制成偶极天线电极结构，用光子能量大于半导体禁带宽度的超短脉冲激光照射半导体材料(hv≥Eg)，使半导体材料中产生电子-空穴对，在外加偏置电场中产生的载流子的瞬态输运，这种随时间变化的瞬态光电流的变化，便会发射太赫兹电磁辐射。光学整流方法利用电光晶体作为非线性介质，使超短激光脉冲进行二阶非线性光学过程(差频产生)或高阶非线性光学过程来产生THz电磁脉冲。利用飞秒激光脉冲激发半导体晶体的方法产生的THz波具有超宽带、脉宽窄及峰值功率高等特点，可应用于THz时域光谱成像与精密时间分辨光谱等研究。

3、利用非线性差频过程(DFG)和参量过程产生THz波
利用非线性差频过程获得THz波的最大优点是没有阈值，且设备容易搭建，通过选择合适的差频晶体以及所需的不同波长，可以得到大的调谐范围。其技术关键是差频光源的两个波长应该比较接近，相差一般不大于10nm。

在LiNbO₃等晶体中利用共线和非共线相位匹配，均实现了0.6～5.7THz连续可调远红外辐射，并在非共线相位匹配中峰值功率达到了200 mw。利用一台BBO参量振荡器和YAG激光器(输出1064nm)分别作为泵浦源和信号光，通过改变这两束光的夹角，利用非共线相位匹配，在GaP晶体进行差频，实现了0.5 to 3THz的太赫兹波连续输出，其峰值功率达到数百毫瓦的量级。使用两块KTP晶体组成双参量振荡器，其中一块晶体产生一系列固定频率的闲频光，而另一块晶体在相同闲频光附近产生连续调谐的闲频光，利用DAS'I晶体进行差频转换，实现了2～20 THz的大范围THz波辐射的调谐范围。而用GaP晶体作为差频晶体，实现了0.5～4.5THz的调谐范围。利用一块双周期级联的PPIN晶体组成一双信号光振荡的参量振荡器，输出的信号通过晶体差频得到THz波。通过改变晶体温度或者选择合适的极化周期搭配，可以实现100～700 u m (0.4～3THz)较宽范围的THz波输出。利用光学参量方法可研制出在室温下运转、宽带可调谐、结构紧凑及易于操作的全固态THz波辐射源：太赫兹波参量发生器(THz-wave Parametric Generation—TPG)和太赫兹波参量振荡器(THz-wave Parametric Oscillator－TPO)。

光学方法产生THz辐射以其卓越的特性和显著的优点挤身于目前各种太赫兹辐射源技术行列之中，在各种科学研究中具有举足轻重的地位。正朝着实现高效率、室温运转、结构紧凑、高且稳定的输出及便捷调谐的研究方向发展。