基于光學及光子學的太赫茲(THz)輻射源

太赫茲波(Tera-Hertz Wave，頻率在0.1—10THz范圍)是光子學技術與電子學技術、宏觀與微觀的過渡區域，是一個具有科學研究價值但尚未開發的電磁輻射區域。如何有效的產生高功率(高能量)、高效率且能在室溫下穩定運轉、寬帶可調的THz輻射源，已經成為科研工作者追求的目標。根據THz輻射產生的機理，可以將其輻射源分為兩大類：一類是利用電子學的方法，另一類是利用光學的方法產生THz波輻射。目前光學方法產生THz輻射的主要有以下幾種：

l、TlHz氣體激光器
利用一個C0₂．激光抽運一個充有甲烷(CH₄)、氰化氫(HCN)或是甲醇(CH₃0H)等的低氣壓腔，由于這些氣體分子的轉動能級間的躍遷頻率處于THz波段范圍，可以形成THz波受激發射。這種方法可以得到上百毫瓦的輸出功率，且已實現產品化，且已被美國國家航天局(NASA)應用于衛星大氣觀測。

2、利用超短激光脈沖產生rHz輻射，有兩種方案：光電導和光整流
在光電導半導體材料表面淀積金屬制成偶極天線電極結構，用光子能量大于半導體禁帶寬度的超短脈沖激光照射半導體材料(hv≥Eg)，使半導體材料中產生電子-空穴對，在外加偏置電場中產生的載流子的瞬態輸運，這種隨時間變化的瞬態光電流的變化，便會發射太赫茲電磁輻射。光學整流方法利用電光晶體作為非線性介質，使超短激光脈沖進行二階非線性光學過程(差頻產生)或高階非線性光學過程來產生THz電磁脈沖。利用飛秒激光脈沖激發半導體晶體的方法產生的THz波具有超寬帶、脈寬窄及峰值功率高等特點，可應用于THz時域光譜成像與精密時間分辨光譜等研究。

3、利用非線性差頻過程(DFG)和參量過程產生THz波
利用非線性差頻過程獲得THz波的最大優點是沒有閾值，且設備容易搭建，通過選擇合適的差頻晶體以及所需的不同波長，可以得到大的調諧范圍。其技術關鍵是差頻光源的兩個波長應該比較接近，相差一般不大于10nm。

在LiNbO₃等晶體中利用共線和非共線相位匹配，均實現了0.6～5.7THz連續可調遠紅外輻射，并在非共線相位匹配中峰值功率達到了200 mw。利用一臺BBO參量振蕩器和YAG激光器(輸出1064nm)分別作為泵浦源和信號光，通過改變這兩束光的夾角，利用非共線相位匹配，在GaP晶體進行差頻，實現了0.5 to 3THz的太赫茲波連續輸出，其峰值功率達到數百毫瓦的量級。使用兩塊KTP晶體組成雙參量振蕩器，其中一塊晶體產生一系列固定頻率的閑頻光，而另一塊晶體在相同閑頻光附近產生連續調諧的閑頻光，利用DAS'I晶體進行差頻轉換，實現了2～20 THz的大范圍THz波輻射的調諧范圍。而用GaP晶體作為差頻晶體，實現了0.5～4.5THz的調諧范圍。利用一塊雙周期級聯的PPIN晶體組成一雙信號光振蕩的參量振蕩器，輸出的信號通過晶體差頻得到THz波。通過改變晶體溫度或者選擇合適的極化周期搭配，可以實現100～700 u m (0.4～3THz)較寬范圍的THz波輸出。利用光學參量方法可研制出在室溫下運轉、寬帶可調諧、結構緊湊及易于操作的全固態THz波輻射源：太赫茲波參量發生器(THz-wave Parametric Generation—TPG)和太赫茲波參量振蕩器(THz-wave Parametric Oscillator－TPO)。

光學方法產生THz輻射以其卓越的特性和顯著的優點擠身于目前各種太赫茲輻射源技術行列之中，在各種科學研究中具有舉足輕重的地位。正朝著實現高效率、室溫運轉、結構緊湊、高且穩定的輸出及便捷調諧的研究方向發展。