太赫兹波的产生及探测方法综述.pdf

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太赫兹波的产生及探测方法综述张洪英（济南大学物理科学与技术学院山东济南250022）摘要：

太赫兹产生与探测技术是太赫兹研究领域的重要部分之一，本文介绍了太赫兹波的性质，综述了目前已知的多种产生与探测太赫兹波的方法及太赫兹波产生与探测方法的原理，并针对光学混频产生太赫兹波进行了理论分析。

关键词：

太赫兹太赫兹波性质太赫兹产生太赫兹检测一、引言太赫兹波（THz）是频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射，通常是指频率位于0.1THz10THz之间的电磁波，它在电磁波谱中位于微波与红外之间，因此也称为“太赫兹波间隙”。

是电磁波谱上，由电子学向光子学过渡的特殊区域，如图一所示。

图一太赫兹波在电磁波谱中的位置二、太赫兹波的性质太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域,由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波段具有很多独特的性质：

（1）宽带性：

一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱性质。

（2）瞬态性：

太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背景辐射噪音的干扰。

（3）低能性：

太赫兹波的光子能量很低。

1THz的光子能量通常只有4meV，一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的电离，便于对生物体进行活体检验。

（4）相干性：

太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的，它具有非常高的空间和时间相干性。

它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问题有很大的优势。

（5）透射性：

除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。

（6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广阔的应用前景。

三、太赫兹波的产生太赫兹波的产生方法有多种，据目前的研究阶段，太赫兹波可分为宽带太赫兹及窄带太赫兹，下面介绍几种不同类型的太赫兹波的产生方法：

1、宽带太赫兹的产生方法A）光整流法产生太赫兹光整流是一种非线性效应，是光电效应的逆过程，光整流过程也称为光致直流电场过程，是一个二阶非线性过程。

一般来说，两束光束在线性介质中可以独立传播，且不改变各自的振荡频率。

然而在非线性介质中，它们将会发生混合，会产生和频振荡和差频振荡现象。

如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则根据傅里叶变换理论，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，这些单色光将会在非线性介质中发生混合。

其中，由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。

这个电极化场就可以辐射出太赫兹波。

这与所辐射出的电磁波的频率上限与入射激光的脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐射出的电磁波频率的上限就会在太赫兹量级，这种效应被称为太赫兹光整流效应。

图二所示为光整流法产生太赫兹波示意图。

图二光整流法产生太赫兹波B）光电导天线产生太赫兹光电导天线是产生和探测太赫兹波过程中使用最广泛的器件之一，它可以看作一个光电开关。

它是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐射太赫兹。

图三为光电导天线产生太赫兹波示意图。

在这些光电导半导体材料表面上淀积着金属电极制成的偶极天线结构。

金属电极的作用是对这些光电导半导体施加偏压，当超快激光打在两电极的光电导材料上时，会在其表面瞬间产生大量的电子空穴对。

这些光电自由载流子会在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电半导体材料的表面形成瞬变的光，最终这种快速、随时间变化的电流会向外辐射出脉冲。

为了有效产生和探测太赫兹波，光电导天线对光电流的开关作用时间必须在亚皮秒量级。

光电导天线“打开”的时间由激光脉冲周期决定，而“关闭”的时间由天线衬底中的光生载流子寿命决定。

图三光电导天线产生太赫兹波C）激光气体等离子体产生太赫兹波实验中发现，强激光与气体靶、固体靶相互作用都可以产生太赫兹波辐射，通过将能量为几十微焦的飞秒激光脉冲在空气中聚焦，当激光功率密度达到一定阈值后，空气分子被强激光迅速电离，电离区域内的气体分子对激光进一步强烈吸收，气体温度快速升高，导致气体完全电离形成高度电离的空气团（等离子云）作为辐射源向外辐射太赫兹脉冲。

激光直接诱导等离子体辐射太赫兹波的原理是有质动力作用于等离子体产生瞬变的空间电场，这一过程可以看成频率“下转换”机制，即高频的激光（800nm）经过等离子体后辐射低频的太赫兹波（sub-mm），相当于“高频”能量转移到“低频”能量。

图四为等离子体有质动力产生太赫兹波示意图。

图四等离子体有质动力产生太赫兹波另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫兹。

将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是一个三阶的非线性四波整流（混频）过程，称之为FourWaveRectification-FWR（或FourWaveMixing-FWM）。

图五为四波混频辐射太赫兹示意图。

图五四波混频辐射太赫兹这种用激光诱导气体等离子体产生太赫兹波源方法不但提供了强太赫兹波辐射，对于揭示深层的激光场相干控制电子轨迹、微观光离化电流的形成都有重要意义。

2、窄带太赫兹的产生方法A）太赫兹激光器当用二氧化碳激光照射谐振腔内的低压气体时，如果气体的共振频率处于太赫兹波段，就会产生激光，此种方法产生的辐射频率一般情况下是不可调的，而且通常需要一个较大的激光腔，泵浦功率一般超过千瓦。

B）光学混频产生太赫兹辐射用可调谐的激光器产生两束频率有微小差别的激光束，把它们进行混频，同时将它们的拍频调整到波段，把经过混频的激光信号照射进光电导体，光电导体产生的电子空穴对在电场作用下发生定向移动，形成光电流，用天线结构将这种受拍频信号调制的光电流进行数尺，就可产生太赫兹辐射。

C）加速电子产生太赫兹辐射在众多产生太赫兹辐射的方法中，利用加速电子产生的太赫兹辐射的功率是最高的。

例如用相对论电子产生太赫兹辐射：

利用激光照射GaAs，可产生一束自由电子，用直线加速器将自由电子加速到相对论速度，再使电子进入到一个横向磁场，在磁场的作用下，高速运动的电子将获得法向加速度，并由此产生太赫兹辐射，该方法的原理比较类似于同步辐射加速器的工作原理。

D）光参量转换产生太赫兹辐射在非线性晶体中由受激极化散射产生的参量光散射可得到连续可调谐的CW-THz辐射。

例如用非线性晶体铌酸锂，在近红外区被较强的纳秒脉冲激光泵浦时，频率为p的泵浦光由受激极化散射效应产生一个频率为l的闲置光。

根据THzlp，当闲置光l被泵浦光p差频时，就可以产生THz辐射。

四、太赫兹波的探测太赫兹探测技术是太赫兹的另一个关键技术，从原理上可分为相干探测技术和非相干探测技术两类。

传统的太赫兹波探测技术为非相干直接探测技术，常用的探测器件为液氦冷却的热辐射测量仪以及热释电探测器等，这些装置使用方便，但只能做非相干测量，不能提供信号的相位信息，且其灵敏度受到背景辐射的限制。

只有全面探测到太赫兹波的振幅和相位，才可以充分取得它的信息，因此现代实验中一般采用相干探测的方法。

相干探测方法有自由空间电光取样探测、光电导天线探测、空气探测、单发探测技术以及傅立叶变换红外光谱。

这五种相干探测方法都可以探测到太赫兹波的频谱，而前四种可以探测到太赫兹波的时域波形，即包含振幅和相位；后最后一种方法只能探测到太赫兹波的频谱无法得到相位信息。

本文中只详述相干探测方法，不对非相干探测方法进行分析。

1、自由空间电光取样探测方法自由空间电光取样技术的原理是利用线性电光效应普克尔效应，即当THz脉冲通过电光晶体时，会发生电光效应，电光晶体的折射率将会出现随外加电场成比例改变的现象。

当THz脉冲和探测光脉冲共线的入射到晶体上时，入射脉冲将导致晶体的折射率发生各向异性的改变，引起晶体的双折射，在晶体中产生的双折射使得探测光脉冲的偏振方向发生偏转。

调整探测脉冲和THz脉冲之间的时间延迟，检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到THz脉冲电场的时域波形。

该方法能相干的探测到太赫兹波脉冲的振幅和相位，这取决于电光晶体和太赫兹波源，用这种方法能探测到宽达10THz的太赫兹波脉冲。

此外，由于激光和太赫兹波脉冲在电光晶体中的传播速度不同，因此用电光取样探测方法时，还需要考虑二者的相位匹配效应对探测结果的影响。

图六所示是自由空间电光取样示意图。

图六自由空间电光取样示意图2、光电导天线探测方法光电导天线取样是常用探测辐射的一种方法，材料科学和半导体技术的发展使得大面积光电导材料（如砷化镓GaAs）成为可能，而其经过加工成为光导天线、光开关，结合超短激光脉冲即可用来产生和探测太赫兹波脉冲。

光电导天线采样是基于光电导天线产生辐射的逆过程：

光电导天线用于探测时，电极之间没有外加偏置电压，而是连接一个微电流放大器以测量由THz电场驱动的微弱电流信号。

探测光脉冲激发光电导衬底材料产生自由载流子，太赫兹脉冲传输到探测天线电极之间，相当于给光电导天线施加了一个偏置电压，促使载流子加速运动产生正比于THz脉冲电场瞬时值的电流。

通过改变探测器波束和太赫兹脉冲的时间延迟，可以得到整个太赫兹电场随时间的变化情况。

其中，实现光电导天线探测的一个重要环节是光生瞬态电流的探测，典型的光生电流幅值一般为几个纳安，因此必须使用微电流放大器实现微弱电流信号的测量。

图七所示是光电导天线采样原理示意图。

图七光电导天线采样原理示意图3、空气探测方法空气探测法是一种新的THz探测方法，该种方法利用飞秒激光与空气等离子体相互作用产生较强的太赫兹波脉冲辐射的原理，从而探测到太赫兹波的时域波形。

2006年，JiangmingDai和X.-C.Zhang等人，根据THz辐射的产生和探测是互逆过程这一理论，利用三阶非线性性质实现了空气等离子体探测THz电场。

该方法利用空气做介质，在外加偏置电场下利用探测光离化空气产生等离子体并辐射激光脉冲的二次谐波，相干探测太赫兹波脉冲，因此也称为Air-Biased-Coherent-Detection，即ABCD。

在太赫兹波辐射源较宽的情况下，空气探测方法不受晶体声子吸收的影响，因此它所探测到的谱能够覆盖整个“太赫兹波间隙”，目前报道的利用该方法探测已经可以得到30THz的谱，因此这种方法大大拓展了太赫兹波TDS应用。

图八所示是空气探测法采样太赫兹波实验原理图。

图八空气探测法采样太赫兹波实验原理图4、傅立叶变换红外光谱傅立叶变换红外光谱即FourierTransformInfraredSpectroscopy（FTIR），是一种相干的、利用麦克尔逊干涉方法来测量红外光谱的技术。

它可以直接推广到远红外波段，因此可以测量太赫兹波。

图九是FTIR的实验原理图。

高阻硅片用作太赫兹波分光镜，其中一路太赫兹波光束固定光程，另外一束用电动平移台来微调其光程，使两束太赫兹波发生干涉。

太赫兹波干涉结果由热释电探测器来探测。

因此该实验得到的数据是两束太赫兹波干涉的结果，经过傅立叶变换即可得到太赫兹波频谱分布，而太赫兹波相位信息不能得到。

图九傅立叶变换红外光谱探测太赫兹波实验原理图5、单发探测方法A）“光谱编码”技术“光谱编码”（Spectral-encoding）方法中首先需要把飞秒级探测光脉冲经过啁啾使得脉宽延长到皮秒级，让其与太赫兹波脉冲同时通过电光晶体，由于太赫兹波对晶体的电光效应改变了晶体的光学性质，从而能够改变探测光的偏振。

而后用光谱仪测得探测光的光谱分布，与没有太赫兹波通过的背景光谱进行比较，两者相减，即可得到太赫兹波脉冲的时域波形。

改变探测光与太赫兹波的延迟，测得新的光谱。

由于时间延长不同，前后两次的光谱差值略有不同，光谱的间距即可定标出时间的长度。

从而可以由光谱分布得到时域波形。

利用“频谱编码”得到的太赫兹波脉冲时间分辨率受到谱宽、脉宽不确定性的影响，因此这种方法难以测量高频太赫兹波脉冲。

但是在实验上比较容易实现。

在对太赫兹波频谱分辨率要求不高的情况下，该方法是一种较为常用的太赫兹波单发探测方法。

B）“空间编码”技术从同一束激光分出的两束激光倾斜入射到非线性晶体上，二者与法线的夹角为a，光束空间宽度为x。

在这种光路中，两束光必须在时间上同步。

经过非线性晶体后，会产生二者的和频信号，改变其中一个光束的延迟，可以逐步扫描出这个和频信号随时间的强度变化，即脉冲的自相关信号。

JieShan等人用这种结构把探测光和THz波同时经过电光晶体，由于电光调制探测光强的空间分布在有和无THz波的时候不同，由其空间距离的分布可以换算为时间的分布，从而可以由二者的差值得到THz波时域波形。

这种方法充分利用了空间和时间的换算，称为“空间编码”（spatial-coding）。

图十所示是“空间编码”探测太赫兹波原理图。

图十“空间编码”探测太赫兹波原理图C）互相关测量技术S.Jamiso和N.Matlis等人分别提出根据互相关信号来探测THz波的方法。

这种方法把光束分为三束，一束去泵浦太赫兹波源，一束进行展宽后通过被太赫兹波调制的电光晶体，而后与第三束光束进行和频，得到互相关信号。

由互相关信号即可得到太赫兹波的信息。

其基本原理如图十一所示。

图十一利用互相关信号单发探测太赫兹波脉冲五、由光学混频产生太赫兹波的个人推导图十二光学混频法产生太赫兹示意图光学混频法是将传播方向相同、振动方向相同、频率不同的两束激光叠加在一起后形成强度周期分布的方法。

图十二为光学波混频法产生太赫兹的原理示意图，两束激光耦合后入射到在混频器上产生载流子，载流子在偏置电压作用下形成光电流，电流通过天线发射THz信号。

首先从麦克斯韦方程组出发推导波动方程，有麦克斯韦方程组：

0tBE

（1）JtDH

（2）D（3）0B（4）假定电荷密度和电流密度J都为零，运用物质方程ED和HB,麦克斯韦方程的前两个可以写成0tHE（5）0tEH（6）对（5）式取旋度运算并利用等式（6）消去H，得到0）（22tEE（7）上式中的第一项可以展开为EEE2）（）（8）由（3）式及ED可知，均匀的各项同性介质中，（8）式右边第一项是0，因此（7）式变为0-222tEE（9）（9）式即为均匀各项通信介质中电场强度矢量E的波动方程。

同理磁场强度矢量H可以得到类似方程0-222tHH（10）（9）（10）式为标准的辩词波动方程，它们有单色平面波解）（ierktA（11）其中，A是一个常数，成为振幅，由（9）（10）（11）式可得角频率和波矢k之间的关系为k（12）可以是E和H的任何笛卡尔坐标系中的分量。

表达式（11）把场分量表示成时间和空间的函数，在空间的任一点，场是时间的正弦函数，另外，在任意给定时刻，场也是空间的正弦函数。

所以，当坐标r和时间t满足trktcot（13）时，各个场具有相同的值，这里的常数是任意值，决定了场的值。

上面的方程决定了在任何时刻一个正交于波矢k的平面，这个平面称为等相位面。

又由方程（13）很容易看出等相位面沿波矢k方向传播的速度是kv（14）这是波的相速度。

相速度的值是介质的一个属性，可以用介电常数和磁导率表示，由式（12）（14）可以得到1v（15）在介质中的相速度是ncv（16）式中）1（00c为自由空间中光速，）（0n为假定0时的折射率，0，0分别为自由空间中的介电常数和磁导率。

由电磁场的矢量他行和满足麦克斯韦方程组所需要的条件，采用复数形式，单色平面波的电磁场可以写成）（i01erktEE（17）（i02erktHH（18）这里1和2是两个常量单位矢量，0E和0H是复振幅，在空间和时间上是常量。

要用光学混频产生太赫兹波需要两束频率不同的激光，设两束入射光的电场强度分别为：

）2（11111）（tzkieAtE（19））2（22222）（tzkieAtE（20）其中1A，2A分别为两束入射光的振幅，1k，2k分贝为两束入射光的传播常数，1，2分别是两束入射光的频率，1，2分别为两束入射光的相位。

混频叠加后光的总电场强度为：

）2

（2）2（121222111）（）（）（tzkitzkieAeAtEtEtE总（21）总的光强为：

）2cos

（2）

（2）cos

（2）（）（）（2122212121212221tzkAAAAtzkkAAAAtEtEtPbb总总总（22）其中为两束光的相位差，作为混频的两束光的相位差是恒定的。

混频后的输出信号的频率为b，21b。

从式（22）中可以看出合成光是空间和时间的余波数。

六、总结太赫兹科学作为一门跨学科的新型交叉科学，衔接了宏观经典电磁波理论与微观量子理论。

目前，国内外太赫兹研究者主要致力于探究太赫兹的产生和探测技术，并在一些领域内取得了一定的成果，但就整体水平而言，太赫兹技术仍然处于研究和发展阶段。

目前太赫兹的产生和探测方法效率还比较低，此外太赫兹的检测方法虽然多样，但大多采取间接的方法，检测的准确度、稳定性存在一定的问题。

尽管太赫兹技术发展还不够成熟，但太赫兹的独有特性已经向世人展示了诱人前景，使得国内外众多的科研机构和学者投入到太赫兹技术的研究中，并不断取得新的进展，不断探索出更加先进、有效的太赫兹产生与探测的新方式。

相信在不远的将来，太赫兹技术会更加的成熟、完善，给科学技术产业带来深远的影响。

参考文献：

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