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1、 太赫兹及其产生方法摘要： 太赫兹技术是 20 世纪 80 年代末产生的一种高新技术，近年来颇受关注。它在基础研究、生物科学等众多领域都有非常重要的应用前景。THz 波具有很多的优越性，具有重要的研究价值。本文简要的介绍了 THz 波及其在公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信方面的应用，然后深入的阐述了 THz 波的产生方法。关键词：THz 波的应用 THz 波产生方法1. 引言随着现代科学技术的发展、国际竞争的加剧以及社会信息化进程不断加快，各种各样的新技术、新思想大量涌现出来。从云计算到物联网，从激光到太赫兹技术的出现都给了我们很大的机遇，同时也存在一定的挑战。为在国际竞争中
2、立于不败之地，我们国家在“十二五”战略新兴产业发展重点中提出了应大力发展信息产业、生物产业、航空航天产业、新能源产业、新材料产业、节能环保产业、新能源汽车产等新型产业，另外国家还确定了五项科技领域，而太赫兹技术在这些领域的探索及应用中起着举足轻重的作用。2. 太赫兹简介及其应用2.1 太赫兹简介太赫兹通常是指频率在 0.110THz 的电磁波，是上个世纪八十年代中后期才被正式命名的，在此之前科学家们称其为远红外射线。实际上早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。随着 80 年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲 THz 源成为一种准常规技术，THz 技
3、术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股 THz 研究热潮。2004 年，美国政府将 THz 科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，而日本于 2005 年 1 月 8 日更是将 THz 技术列为“ 国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府在 2005 年 11 月专门召开了“香山科技会议” ，邀请国内多位在 THz 研究领域有影响的院士专门讨论我国 THz 事业的发展方向，并制定了我国THz 技术的发展规划。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到 THz 的研发热潮之中。 2.2 THz 的应用由于太赫兹的频率很高，所以其
4、空间分辨率也很，又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。由此，太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹的独特性能给公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信等领域带来了深远的影响。 2.2.1 公共安全THz 的强透射能力和低辐射能量以及国家在公共安全检测方面的重大需求, 比如检测毒品，以及在要害部门、场所的安全监控，如机场安检，使得 THz 辐射有望成为一种新的公共安全监控技术。由于 THz 既可以用于成像，又可以用于波谱分析，且其穿透能力极强，所以可以用其来实现非接触、非破坏性的探测。通过 THz 我们不仅能够检测出携带有武器的乘机者，还可以检
5、测旅客携带的特殊物品。科学家们曾预测，在不久的将来，THz 成像技术将成为机场、车站及海关等公共场所安全检查的新手段。2.2.2 环境探测THz 技术能够对固体、气体、液体及火焰等介质的电学、声学性质及化学成分进行研究。科研人员可利用 THz 穿透烟雾来检测出大气中的有毒或有害分子 , 因此可用于环境的污染检测。由于 THz 波同样能够被大气层中的水、氧气、氮化物等物质所吸收 , 我们可以通过卫星携带的 THz 探测器实现对大气中气体含量及分布进行检测，然后通过大气微量分子变化来监测全球气候变暖问题。2004 年美国国防部 DARPA 投入大量的资金，研制 THz成像阵列技术,并最终研制出便携
6、式、远距离 THz 成像雷达，它可以在沙尘暴、浓烟及海上浓雾中寻找目标并清晰成像。2.2.3 生物医学生物体对 THz 波具有独特的响应，而且很多生物大分子如 DNA 分子的旋转及振动能级多处于 THz 波段，所以 THz 在蛋白质等生物大分子无标志识别应用中有着举足轻重的作用。由于 THz 具有类似 X 射线的穿透能力，且其光子能量小，不会引起生物组织的光离化，所以在生物医学成像方面非常安全，适合于生物医学成像。THz 辐射不仅在皮肤癌检测上得到应用，而且还在生物芯片和生物传感器方面发展迅速。另外由于大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在 THz 范围，所以 THz 有助于“指
7、纹”识别、结构表征及分子生物信息应用的发展，如果通过 THz 来分析药物的物理、化学及生物成分、波谱特性、分子、量子相互作用过程等重要信息来对药物生产质量进行控制。2.2.4 天文观测THz 在天文学上占有极为重要的地位，是射电天文学上极重要的波段，它可以结合卫星实现空间成像。我们还可以根据星际、星系际大气分子特征谱及行星小星体的大气动力学原理，通过 THz 来完成许多天文方面的应用。此外，利用 THz 望远镜可观察到很多重要的新星体，这对于研究宇宙的起源和星体的形成起到了不可估量的作用。2.2.5 军事及通信 除了生物医学、天文观测和安全领域，太赫兹在军事、无线通信以及制造业方面也具有巨大的
8、市场潜力。太赫兹技术在军事应用和无线通信技术，特别是高带宽、安全的校园通讯系统方面也有其广阔的应用前景。THz 具有非常宽的频谱 ,可工作在目前隐身技术所能对抗的波段之外，因此它能探测隐身目标，以其作为辐射源的超宽带雷达能够获得隐身飞机的图像。由于 THz 通信具有大气不透明、带宽宽、天线小、定向性好、安全性高和散射小等特点，决定了其应用领域非常广泛, 包括卫星间星际通信、同温层内空对空通信、短程地面无线局域网、短程安全大气通信以及发展 THz 通信理论。3. 太赫兹波的产生方法目前，常用的电子学产生法有加速电子产生法等，而常用的光子学产生方法主要有超短激光脉冲有关、能产生宽带亚皮秒 THz
9、辐射的光整流、光电导和非线性光学差额等方法。此外，利用热辐射、高能加速器等产生 THz 的研究也在发展中。3.1 半导体瞬间电流产生半导体瞬间电流产生方法的原理是利用载流子的加速运动效应产生 THz 辐射，功率低，需要入射光具有较高的峰值功率才能获得宽带 THz 输出。半导体瞬间电流产生法具有的优点是设备小乔、价格低廉且频率可调。气不足之处在于半导体器件的工作频率很难达到 1T以上。对于采用半导体瞬间电流产生 THz 波，2004 年， MIT 在频率 2.1T 分别获得连续波功率 1mW(温度 93K)和脉冲峰值功率 200mW 的稳定输出。在国内，中国电子集团南京 55所运用雪崩二极管实现
10、了 0.1T 的稳定输出。3.2 加速电子产生目前加速电子产生的 THz 辐射的功率是所有 THz 发射源中最高的。加速电子产生THz 的方法主要有以下三种：(a) 相对论电子产生 THz 辐射。它的主要原理是当激光照射到GaAs 上，可产生一束自由电子，然后用直线加速器将自有电子加速至相对论速度，此时使电子进入横向电场，运动的电子获得法向加速度，由此产生 THz 辐射。(b) 自由电子激光产生 THz 辐射。它是目前性能最好的电磁波辐射源。用一束接近光速的超短电子流通过空间变化的强磁场，磁场自发辐射电磁波，直接将电子流动能转化为光能。只要调节入射电子的能量，就可以得到从 X 射线到远红外的超
11、强辐射。 (c)后向波振荡器产生 THz 辐射。它的工作原理和自由电子激光器相似，是由加热的阴极管辐射出电子，电子在磁场中被聚焦，以摇摆的方式运动至正极，这些电子在反向运动过程中发出电磁辐射。通过改变加载正负极上的电压可以调整辐射频率频率，这是另一种高效的 THz 辐射源。3.3 光整流产生 光整流是一种非线性效应，它是利用飞秒激光脉冲和非线性介质相互作用而产生低频电极化场，超短激光脉冲进行二阶非线性光学过程或高阶非线性过程，在晶体表面辐射出THz 电磁波。实验表明，如果在电场垂直方向加上磁场，还可以大大提高 THz 辐射的输出功率。光整流发射出的 THz 光束的能量直接来源于激光脉冲的能量，
12、它的转换效率主要依赖于材料的非线性系数和相位匹配条件。3.4 光电导产生光电导天线又叫光电导开关。光电导天线是通过在半导体材料表面沉积金属制成的。以 GaAs 为例， GaAs 在常温下呈现高阻态。当激光脉冲泵浦直流偏置下的半导体材料，若入射光子能领大于半导体的禁带宽度，光子被吸收，半导体表面瞬时产生大量的自由电子-空穴对。GaAs 的高阻使偏置场在半导体内不会产生任何电流。而泵浦脉冲产生的载流子会集聚到偏置场并在半导体表面产生变化极快的电流，从而产生向外辐射的 THz 辐射脉冲。泵浦脉冲在整个过程中就像一个开关，负责打开电流。光电导产生的 THz 辐射具有较高的增益。其能量主要来自天线上所加
13、的偏置电场。通过调节外加电场，只需中等强度的激光输入便可获得很强的 THz 输出。3.5 非线性差频产生非线性差频产生法师很有潜力的一种 THz 产生技术。当满足准相位匹配条件的频率很接近的两束光混合，可产生两个不同频率激光的拍频。将这个拍频设置在 THz 波段，之后将混频好的激光照射光导体，光导体中产生的电子-空穴对在电场作用下发生定向移动。只要将这种调制电流输入天线，即可产生 THz 辐射。这种方法可产生连续的 THz 波，并且能得到较宽的谐调范围。它最大的优点是无阈值，可工作在常温条件下，实验设备容易搭建，相比光电导和光整流的方法可以产生较高功率的 THz 波辐射，且不需要价格昂贵的泵浦
14、装置。它的最大缺点是转换率低。非线性差频方法产生 THz 波的技术关键是要获得功率较高、波长比较接近的泵浦光和信号光，以及具有较大的二阶非线性系数，并在 THz 范围内吸收系数小的非线性差频晶体。3.6 其他产生方法其它产生 THz 波的方法还有热辐射产生、高能加速器产生等。热辐射产生方法及傅里叶变换红外光谱利用非相干热源产生 THz 光谱。这一方法的缺点是非相干光源不能提供精确的相位测量，而且功率和灵敏度很低。4. 结束语 THz 技术的研究在国外开展已经近 20 年，太赫兹的研究取得了迅速的发展。但目前，THz 辐射源的制造成本非常昂贵，体积也很大。相信随着太赫兹技术研究的不断深入，小型化
15、、大功率的 THz 源将会问世。经过近 20 多年的研究，国际公认太赫兹技术是一个非常有战略意义的前沿领域。相信在未来，太赫兹技术必将为人类认识物质世界和改造世界提供新的知识和手段。参考文献：1 姚建铨.太赫兹技术及其应用J.重庆邮电大学学报，2010,22(6):703-707.2 谢春燕.THz波产生技术J.激光，2010,31(1)：7-9.3 李春华，周薇，徐士林，梁敏.THz波的产生及探测技术 J.物理与工程，2007,17(6)：34-37.4 Zhang Xi-Cheng.Introduction toThz Wave Photonics.M.Springer press:2009.
