第二章 太赫茲波的產生

1、/75電子科學與技術1/75什么是太赫茲波？1THz=_Hz？THz波的基本性質有哪些？THz波光子能量比X射線光子能量小幾個數量級？THz波對什么材料具有透視性？什么是太赫茲波的波粒二象性？2/75太赫茲波是指頻率處于0.1THz-10THz的電磁波，對應的波長范圍是3mm-0.03mm。1THz=1012Hz。太赫茲波頻率的數量級是1012，x射線頻率的數量級是1017，依據e=hv，可以得到太赫茲波光子能量比x射線光子能量小5個數量級。太赫茲波具有瞬態(tài)瞬態(tài)性性，寬帶性寬帶性，相干性相干性，低能低能性性，透視性透視性，特殊光譜范圍特殊光譜范圍，成像分辨率高、景深大成像分辨率高、景深大。3/

2、75太赫茲波對非極性材料非極性材料具有透視性，而極性材料對太赫茲波具有強烈地吸收。太赫茲波的波粒二象性是指太赫茲波在傳輸過程中在傳輸過程中表現為波動性表現為波動性，在與物質相互作用時表現為粒子性在與物質相互作用時表現為粒子性。4/755THz輻射源概述THz輻射源的分類基于光學效應的THz輻射源基于電子學的THz輻射源/756THz輻射源概述THz輻射源的分類基于光學效應的THz輻射源基于電子學的THz輻射源/75THz波（太赫茲波）或稱為THz射線（太赫茲射線）是從19世紀80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學家們將統(tǒng)稱為遠紅外射線。之后的近百年時間，遠紅外技術取得了許多成果，并且已經

3、產業(yè)化。但是涉及太赫茲波段的研究結果和數據非常少，主要是受到有效太赫茲產生源和靈敏探測器的限制，因此這一波段也被稱為THz間隙間隙。THz輻射源是THz技術能否轉化為現實生產力的關關鍵鍵環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)。7/75隨著20世紀80年代一系列新技術、新材料的發(fā)展，特別是超快技術超快技術的發(fā)展，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖THz源成為一種準常規(guī)技術，THz技術得以迅速發(fā)展，并在實際范圍內掀起一股THz研究熱潮。但是，目前尚缺少高功率、低成本、便攜式、常溫尚缺少高功率、低成本、便攜式、常溫工作條件下的工作條件下的THz輻射源輻射源，這已經成為21世紀THz領域迫切需要解決的實際問題。8/75世界各國主要沿著三條途徑

4、開發(fā)太赫茲輻射源。其一是以太赫茲激光器為代表的激光光學技術激光光學技術，包括氣體激光器、半導體激光器以及自由電子激光器等，這類技術來自于激光技術向長波方向的發(fā)展；其二是以微波元件為代表的真空電子技術真空電子技術，包括微波管、固體微波源以及耿氏二極管等，這類技術來自于微波技術向短波方向的發(fā)展；其三是超快激光技術超快激光技術，這類技術是從1 THz向低頻和高頻兩個方向同時發(fā)展。9/7510短波方向短波方向/7511長波長波方向方向/7512從從1THz1THz向兩邊向兩邊/7513THz輻射源概述THz輻射源的分類基于光學效應的THz輻射源基于電子學的THz輻射源/7514/75光學效應多普勒效應

5、聲光效應磁光效應電光效應彈光效應非線性效應等等電學效應電磁振蕩電泵浦15/75基于光學效應光學效應的THz輻射源光電導天線光整流空氣產生太赫茲氣體激光器基于電子學電子學的THz輻射源真空電子器件相對論性電子器件半導體激光器16/7517THz輻射源概述THz輻射源的分類基于光學效應的THz輻射源基于電子學的THz輻射源/75光電導天線光整流空氣產生太赫茲氣體激光器18/75光電導天線的結構19常用的半導體襯底：砷化鎵(GaAs),磷化銦(InP)，用放射法制作的有缺陷的硅晶片。/7520/75光電導天線是目前眾多THz 產生技術中應用最廣泛的方法之一；它是由美國貝爾實驗室的Auston研究小組

6、在1984年首先提出并初步試驗成功；21/7522當超快超快激光激光(光子的能量要大于或等于該種材料的能隙)打在兩電極之間的光電導材料上時，會在其表面瞬間（10-14s 量級）產生大量的電大量的電子空穴對子空穴對。這些光生自由載流子會在外加偏置電場和內建電場的作用下作加速運動加速運動，從而在光電導半導體材料的表面形成瞬變的光電流光電流。這種快速隨時快速隨時間變化的電流會向外輻射間變化的電流會向外輻射出太出太赫茲脈沖赫茲脈沖。/7523E入射光子THz脈沖電子-空穴對在電場中加速的載流子/7524由高阻硅構成的球面聚焦透鏡，作用主要有兩個：一是一是準直準直THzTHz波，二是消除衍射效應和截面反

7、射。波，二是消除衍射效應和截面反射。/7525/75頻率范圍0.1THz-5THz功率范圍納瓦到微瓦量級26/75這種太赫茲輻射系統(tǒng)的性能取決于三個因素：光導光導體體、天線天線的幾何結構的幾何結構和泵浦激光的脈沖寬度泵浦激光的脈沖寬度。光導體是產生太赫茲輻射的關鍵部件，對于性能良好的光導體來說，它應該具有載流子壽命極短、載具有載流子壽命極短、載流子遷移率高和介質流子遷移率高和介質耐擊穿強度耐擊穿強度大等特點大等特點。27/75光整流是產生太赫茲脈沖的一種常用機制，它是一種非線性效應非線性效應，是電光效應的逆過程電光效應的逆過程；這種模型是由S. L. Chuang等人在1992年提出的。28/

8、7529/75如果入射到非線性介質中的是超短激光脈沖，則根據傅立葉變換理論可知，一個脈沖光束可以分解成一系列單色光束的疊加，這些單色光將會在非線性介質中發(fā)生混合。其中，由差頻振蕩效應會產生一個低頻振蕩的時變電極化場。這個時變電極化場可以輻射出太赫茲波。光整流的物理過程是一個瞬間完成瞬間完成的過程。30/7531/75非線性介質的非線性系數非線性系數對所產生的太赫茲脈沖的振幅強度、頻率分布以及光整流的轉換效率。常用的非線性介質有LiNbO3(鈮酸鋰)、LiTaO3 (鉭酸鋰) 、有機晶體DAST(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶對甲基苯磺酸鹽 ) 、半導體GaAs(砷化鎵)、ZnTe(碲化

9、鋅)、InP(磷化銦)、InTe(碲化銦)等。用得最多的是ZnTe 和GaAs。32/7533/75頻率范圍太赫茲輻射的帶寬上限由泵浦激光脈沖的寬度決定，最高頻率可以達到50THz，甚至可以達到100THz功率范圍納瓦量級34/75空氣產生太赫茲，是將超將超短強激光脈沖聚焦在周圍短強激光脈沖聚焦在周圍空氣中直接產生太赫茲的空氣中直接產生太赫茲的技術技術。優(yōu)點：該方法可在遠處（可在幾公里遠）產生太赫茲波，所以應用前景十分美好。缺點：輻射機理沒有被完全解開。35/7536/75當高能量的超短激光脈沖聚焦在空氣中超短激光脈沖聚焦在空氣中時，焦點處的空氣會發(fā)生電離現象形成等離子體等離子體。由此所形成的

10、有質動力會使離子電荷和電子電荷之間形成大的密度差，而且這種電荷分離過程會導致強有力的電電荷分離過程會導致強有力的電磁瞬變現象磁瞬變現象的發(fā)生，從而輻射出太赫茲波。37/75當前對空氣等離子體產生太赫茲的機制解釋還沒有完全的定論；現有許多模型如有質動力模型有質動力模型、輻射壓力模型輻射壓力模型、四四波混頻模型波混頻模型和量子模型量子模型等，都在試圖對其進行解釋，但都只能對該部分該現象給予正確解釋。其中四波混頻模型四波混頻模型是在文獻中應用比較多的解釋之一。38/75實驗裝置主要有以下三種：39/75將波長為800nm或400nm，持續(xù)時間為100fs的激光脈沖聚焦到空氣中產生等離子體從而輻射太赫

11、茲波。40/75利用分色鏡將波長為800nm和400nm（基頻波與二次諧波）的兩束光混合在一起，通過干涉相長或干涉相消對太赫茲輻射進行相干控制。41/75是將波長為800nm或400nm，持續(xù)時間為100fs的激光脈沖聚焦到空氣中產生等離子體從而輻射太赫茲波，只是在聚焦透鏡后添加一塊了BBO晶體，其作用是用來倍頻其作用是用來倍頻。42/75產生太赫茲波的主要機制是在空氣等離子體中混合的與2光束發(fā)生的三階非線性光學效應，即四波四波混頻過程混頻過程。太赫茲場的極性和強度完全由與2光束間的相對位相控制。在四波混頻過程中，當所有光波（、2及THz）的偏振態(tài)均相同時產生的太赫茲效果最佳。43/75四波混

12、頻：兩個特定頻率的光波在非線性材料中交會時，有可能產生另外兩個頻率的電磁波，四種頻率的電磁波相互作用所引起的非線性光學效應。它起因于介質的三階非線性極化。44/75頻率范圍頻率0.1THz-10THz功率范圍納瓦到微瓦量級45/75激光器是利用受激輻射原理受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質中放大或振蕩發(fā)射的器件。46/75除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產生激光的必不可少的條件是粒子數反轉產生激光的必不可少的條件是粒子數反轉和增益大過損耗和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵源激勵源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作工作物質物質兩個部分。激勵方式：光學激勵光

13、學激勵，氣體放電激勵氣體放電激勵，化學激勵化學激勵，核能激勵核能激勵。工作物質：晶體和玻璃，氣體，溶液，半導體，在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束。47/75分類標準：工作物質的不同工作物質的不同固體激光器氣體激光器液體激光器半導體激光器自由電子激光器48/75利用一臺CO2 激光器輸出的遠紅外光激光器輸出的遠紅外光來泵浦一個充有甲烷（甲烷（CH4）、氨氣（）、氨氣（NH3）、氫化）、氫化氰（氰（HCN）或是甲醇（或是甲醇（CH3OH）等物質）等物質的低壓真空腔，由于這些氣體分子的轉動和振動能級間的躍遷頻率正好處于太赫茲頻段，所以可以形成太赫茲受激輻射，從而在光泵浦太赫茲激光器中直接

14、輻射出太赫茲波。甲醇分子氣體激光器甲醇分子氣體激光器是最常見的光泵浦太赫茲激光器之一。它已經在美國國家航空航天管理局（NASA）所命名的“先兆”（AURA）衛(wèi)星上投入了實用。以此來觀測大氣。49/75泵浦源：CO2 激光器輸出的遠紅外激光器輸出的遠紅外光。光。工作物質：甲烷（甲烷（CH4）、氨氣（）、氨氣（NH3）、氫化氰（）、氫化氰（HCN）或是甲）或是甲醇（醇（CH3OH）等氣體物質。等氣體物質。躍遷能級：氣體分子的轉動和振動能級。氣體分子的轉動和振動能級。50/7551/75甲醇分子氣體激光器是由一個光柵調諧的CO2激光器泵浦源和太赫茲激光器單元組成的。太赫茲激光器單元是由一個充滿甲醇分

15、子氣體的低壓真空腔、光學反饋系統(tǒng)（腔鏡）、泵浦輸入系統(tǒng)，及輻射輸出系統(tǒng)組成。甲醇分子氣體激光器利用甲醇分子的轉動甲醇分子的轉動躍遷躍遷來實現太赫茲輻射。52/75當泵浦源所發(fā)出的紅外光（9-11m，31THz附近）的光子能量接近于甲醇分子從基態(tài)的轉動能級躍遷到激發(fā)態(tài)的轉動能級所需的能量時，這些紅外光子會被甲醇分子吸收；然后在一定的條件下形成轉動能級反轉，即粒子數反轉，由此向外輻射出太赫茲（118.83m，約為2.5THz）。高頻泵浦低頻高頻泵浦低頻的過程。53/75頻率范圍0.1-10THz范圍內的單頻輸出功率范圍百毫瓦量級54/7555THz輻射源概述THz輻射源的分類基于光學效應的THz輻

16、射源基于電子學的THz輻射源/75真空電子器件半導體激光器56/75真空電子器件是指借助電子在真空或者氣體中與電電子在真空或者氣體中與電磁場發(fā)生相互作用磁場發(fā)生相互作用，將一種形式電磁能量轉換為另將一種形式電磁能量轉換為另一種形式電磁能量的器件一種形式電磁能量的器件。具有真空密封管殼和若干電極，管內抽成真空，殘余氣體壓力為10-410-8帕。有些在抽出管內氣體后，再充入所需成分和壓強的氣體。廣泛用于廣播、通信、電視、雷達、導航、自動控制、電子對抗、計算機終端顯示、醫(yī)學診斷治療等領域。57/75靜電控制電子管靜電控制電子管：實現直流電能和電磁振蕩能量之間轉換；微波電子管微波電子管：將直流能量轉換

17、成頻率為300MHz3000GHz電磁振蕩能量；真空量子電子器件真空量子電子器件：以真空和氣體中粒子受激輻射為工作機理，將電磁波加以放大的器件；電子束管電子束管：利用聚焦電子束實現光、電信號的記錄、存儲、轉換和顯示的；光電管光電管：利用光電子發(fā)射現象實現光電轉換； X射線管射線管：產生X射線；充氣管充氣管：管內充有氣體并產生氣體放電。58/75工作于微波波段的真空電子器件。用來把直流能量用來把直流能量轉換成頻率為轉換成頻率為300MHz到到 3000GHz的的電磁振蕩能量電磁振蕩能量，包括M型返波管、直射速調管、反射速調管、O型返波管和回旋管等。通常將微波氣體放電管也劃歸微波電子管一類。微波電

18、子管主要用于雷達、電視、微波通信、導航、電子對抗、遙控遙測、工業(yè)加熱及粒子加速器等。59/7560/75微波武器又叫射頻武器或電磁脈沖武器，它是利用高能量的電磁波輻射去攻擊和毀傷目標的。微波武器一般由微波發(fā)生器、定向發(fā)射天線以及伺服控制系統(tǒng)等組成。微波發(fā)生器用于發(fā)射微波電磁脈沖，定向發(fā)射天線將微波能量幾乎全部聚集到某個方向，伺服控制系統(tǒng)將天線指向某個需要的方向。工作機理：是基于微波與被照射物之間的分子相互作用，將電磁能轉變?yōu)闊崮?。其特點是不需要傳熱過程，一下子就可讓被照射材料中的很多分子運動起來，使之內外同時受熱，產生高溫燒毀材料高溫燒毀材料。61/75以真空為其工作條件的量子電子器件以真空為

19、其工作條件的量子電子器件。在這類器件中，受激粒子在與電磁波相互作用時，產生受激輻射，將電磁波加以放大。主要包括自由電子微波激射器、分子微波激射器、量子頻率標準器件。62/75行波管是靠連續(xù)調制電子注的速度調制電子注的速度來實現放大功能的微波電子管。1943年，美國物理學家R.康夫納在英國制出世界上第一只行波管。1947年，美國物理學家J.皮爾斯發(fā)表對行波管的理論分析。63/75在行波管中，電子注同慢波電路中行進的微波場發(fā)生相互作用在長達640個波長的慢波電路中電子注連續(xù)不斷地把動能交給微波信號場從而使信使信號得到放大號得到放大。64/75包括電子槍慢波電路集中衰減器聚焦系統(tǒng)和收集極等部分。65

20、/75電子槍：形成符合設計要求的電子注。慢波電路：電子注的直流速度決定于行波管的工作電壓。行波管工作電壓為2.5千伏時電子注直流速度約為自由空間電磁波速度(即光速)的10%工作電壓為50千伏時電子注直流速度約為自由空間電磁波速度的40%。為了使電子注同微波場產生有效的相互作用微波場的相速應略低于上述電子注的直流速度。因此行波管中微波場的相速應顯著低于自由空間中電磁波傳播速度。慢波電路就是減小慢波電路就是減小微波場相速的裝置微波場相速的裝置。66/75集中衰減器：輸入輸出能量耦合器與慢波電路之間和慢波電路各部分之間都應有良好的阻抗匹配。若阻抗匹配不佳，會造成電磁波反射，反射波引起反饋，會導致行波

21、管內出現寄生振蕩。為避免振蕩需在慢波電路的一定位置上設置集中衰減器。集中衰減器由損耗涂層或損耗陶瓷片構成。在集中衰減器處在集中衰減器處反射波被吸收反射波被吸收可達到消除反饋抑制振湯的目的可達到消除反饋抑制振湯的目的。聚焦系統(tǒng)：使電子注保持所需形狀使電子注保持所需形狀保證電子注順利穿過慢波電路并與微波場發(fā)生有效的相互作用最后由收集極接收電子注。收集極：電子注在完成同微波場的相互作用后從慢波電路射出最后打在收集極上。67/75返波管是行波管的一種變體，它是一種利用電子注與慢波線中的返波相互作用產生振蕩的微波電子管。行波管：電磁波傳播方向與電子流方向相同電磁波傳播方向與電子流方向相同。返波管：電磁波傳播方向與電子流電磁波傳播方向與電子流方向方向相反相反。68/75頻率范圍0.1THz-1.0THz范圍之內的單頻輸出功率范圍千瓦量級69/75自由電子激光器，是一種利用自由電子的受激輻射，把相對論電子束的能量轉換成相干輻射的激光器件-自由電子的動能躍遷。自由電子激光器，是一種特殊類型的新型激光器，工作物質為在空間周期變化磁場中高速運動的定向工作物質為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束自由電子束，只要