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基于光学及光子学的太赫兹(THz)辐射源

2020.10.13

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)。