太赫兹科学技术的新发展

D、THz科学技术是新一代IT产业的基础

（1）科学家们预计，一旦THz辐射源、THz检测技术等发展以后，THz可以在现代IT科学技术和工业领域有极强的竞争力。下面将要说明这种竞争实际上已经开始。

（2）随着THz科学技术的发展，很多高科技公司相继诞生，例如：英国Rultherford国家实验室(Rutherford Appleton Lab（RAL）)及欧洲航天局(ESA)于2002年起，执行Star Ti ger 计划成功后，建立了一个公司ThruVision公司，专门从事有关THz成像的商品化工作，开发出被动式THz成像仪，有以下特点：  a．被动式不需要THz源；b．可实时成像。英国剑桥大学孵化出(Spinoff)一个高科技公司一TeraView Ltd．从事THz摄像机的开发；

（3）美国Michigen大学及Stanford大学孵化出Picometrix；Physicalscience Inc．；Calabazas Creek Res．Inc．等公司。基地设在加州的Picometrix公司的任务是“将THz科学技术交给政府及大学实验室手中，以便他们用于各项研究工作”。

（4）日本也有很多公司，它们已经在从事包括高功率THz源在内的有关THz科学技术的研究、开发及成果的商业化等工作。可见，以THz科学技术为基础的新一代IT产业已开始逐步形成。

E．研究THz技术本身就是一门重要的学科

如各种THz辐射的产生机制、超短脉冲THz的传播和传输、THz与物质的相互作用等。

下面给出几幅THz成像及THz波谱的结构框图。其中，有一幅是JPL研制的150微米的THz成像框图。由这些框图可以看到THz成像和THz波谱的发展和应用。

同时也可以看到为了建立THz成像和THz波谱需要研究哪些THz器件和元件，如：THz源，THz检测，混频，THz传输、谐振等，以构成一个完整的THz成像和THz波谱系统。从下节起，我们将讨论这些器件和元件。

四、太赫兹辐射源

有很多方法都可以产生THz辐射。

（1） 半导体THz源（包括THz量子级联激光器等）。
（2） 基于光子学的THz发生器。
（3） 利用自由电子的THz辐射源（包括THz真空器件，电子回旋脉塞和自由电子激光）。
（4） 基于高能加速器的THz辐射源

不同的用途对THz源可能提出不同的要求。有点要求输出功率较大，有的要求有较合适的频率。
2002年在Nature上发表了两篇THz源的重要文章。这两篇文章对THz源的发展起到了很大的推动作用。

（1）“Terahertz  semiconductor  heterostructure  laser”，Nature417，156－159，2002．By Italian and UK Scientists，Radiomen Kiblen etc，It is considered as a breakthrough in the Quantum cascade lasers．
（2）“High  power  Terahertz  Radiation  From  RelativisticElectronics”，Nature 420，153—156，2002，这篇文章被Nature编辑部确定为“研究亮点(Research highlights)”．这项工作是由以下三个美国国家实验室：Lawrence Livermoe，Brookhaven and Jeffersan NationalLabs完成的。

两篇文章中一篇是有关量子级联激光的突破，这是一种非常重要的半导体THz辐射源。另一篇是基于自由电子的有关高功率THz辐射的，结合了光子学和电子学技术。

1、半导体太赫兹源

固态THz源具有小巧、价格低廉和频率可调的特点，是人们希望的一种THz源。但半导体器件的工作频率难于达到1THz以上，而半导体THz激光器，特别是THz量子级联激光器是目前的发展重点之一。第一篇关于量子级联激光的文章有Melvin Lax等发表于1960年，其后于1994年起，Bell实验室的J．Faist做了很多有益的工作（Science，264，22，1994)。在俄国这方面的工作也做了不少(Kazarinov，Sov．Phys．Semi．5，207，1971)，但实验长期没有突破。朗讯曾把QCL作为一个研发重点，但没有结果。直至2002年由英国和意大利科学家获得突破（Nature 417，156－159，2002）。

量子级联激光器(QCL)是以异结构半导体（GaAs／AIGaAs）的导带中的次能级间的跃迁为基础的一种激光器。利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转。

2002年的结果是频率4.4THz，温度50K，脉冲功率20mW。

此后，很多国家都积极开展QCL的研究工作，采用了不同的材料。

到2004年，美国MIT最新的结果是：2.1 THz，CW功率lmW(温度93K)，脉冲功率为20mW（温度137K）。

到2005年，MIT  QCL已经用于THz成像，可见THz技术发展的速度比我们想象的要快得多。

在我国，中国电子集团南京55所，渡越雪崩二极管可以做到0.1THz。中国科学院上海微系统研究所和中国科学院半导体研究所，已开展QCL的研究工作并已作出一定的成果。

半导体THz辐射源已安排了一个专题报告进行详细论述。

2、基于光子学的太赫兹辐射源

飞秒激光脉冲的发展给THz源带来了很大的机遇。已经发展了很多基于飞秒激光脉冲和非线性光学晶体的THz激光源。

如THz光导天线、光整流、非线性差频、THz参量振荡器和放大器（TPG，TPO，TPA）和光学Cherenkov辐射等等。

这种方法产生的THz辐射，可以是脉冲的，也可以是连续波的。

下图表示光脉冲通过非线性光学晶体产生THz辐射的典型情况。差频发生器（DEG），是一个三波混频非线性过程。

这方面的研究工作，我国天津大学等单位，也已开展了研究工作，并作出了一定的成果。详细内容将在专题报告中给出。

3、基于真空电子学的太赫兹源

近儿年来，随着THz科学技术的迅速发展，利用真空电子学产生THz辐射的研究工作取得了很大的进步，其中包括真空电子器件、电子回旋脉塞、自由电子激光、Cherenkov辐射，甚至使用储存环加速器来产生高亮度THz辐射。

某些真空电子器件如返波管（BWO）、扩展互作用振荡器（E1O）、绕射辐射器件(Orotron)等的工作频率己接近或达到1THz。

回旋管可望在1THz产生千瓦级的脉冲输出，平均功率可达几十瓦以上。

特别是由CIT的JPL实验室等研究的“纳米速调管”可望在1—3THz频率上工作。纳米速调管结合了电子学、光子学和微加工技术，是很有创新意义的一种新器件。

纳米速调管由于使用微加工技术，所以保证每个纳米速调管频率和相位的一致性，因此可以组成纳米速调管阵列，以大大提高输出功率。利用构成THz阵列辐射源是提高THz辐射功率的一个重要途径。

自由电子激光可工作于THz。自由电子激光的波长主要取决于摇摆器的周期和电子束的能量：
λ≈λ_ω／4γ² γ＝（1－β²）^-1  β＝v/c
其中λ_w是摇摆器周期，γ是相对论因子。

今年1月13一14日，在美国Honolulu召开的THz辐射源研讨会上，报告了一篇用lMeV静电加速器的FEI，可以在2mm到500微米，（0.15—6）THz，产生lkW的准连续波输出，这一结果被认为是迄今为止最重要的成果之一。

2002年，在Nature上发表的另一篇论文体现了电子学和光子学相结合的方法。利用飞秒激光照射GaAs光学晶体，发射出电子束，再用加速器将电子束加速到40MeV。电子在磁场作用下作旋转运动从而发射出THz辐射，由于电子束的尺度远小于波长，所以辐射是相干的。实验结果可以得到20w连续波的THz辐射。所以，如前所述，Nature编辑部将这篇文章定为研究亮点。

我国真空电子器件已有相当好的基础，回旋管的研究工作已在电子科技大学和中科院电子所进行，在0.1THz已作出近100KW脉冲输出的回旋管。FEL己在中科院高能物理所、中国工程物理研究院、北京大学和电子科技大学进行，并取得一定的成果。

利用自由电子产生THz辐射的详细论述将在另一专题报告中给出。