基于光学方法的太赫兹辐射源(1)(2)

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波辐射源与传统光源相比，具有相干性、低能性、高穿透性等独特、优异的特性，与太赫兹辐射相关的太赫兹波技术逐渐成为国际研究的热点。它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。目前，包括美国、西欧和日本等发达国家在内的世界各国都对太赫兹波技术的研究给予高度的重视，投入了大量的人力和物力，陆续开展了与各自领域相关的太赫兹波技术的研究［３］。研制出高功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运转、宽带可调的太赫兹辐射源，并能将其方便、灵活地运用于科研工作和实际生活中，已经成为２１世纪科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。

根据太赫兹波产生的方式以及它所处电磁波谱中的位置，太赫兹波辐射可以利用光学技术和电子学技术两种方法来产生。目前，常见的电子技术产生太赫兹波的方法有反向波振荡器（ＢｗＯ），它可以在亚太赫兹区域产生频率连续调谐的相干输出，但当频率超过１ＴＨｚ时，输出功率和工作效率急剧下降，并且使用寿命短，仍需进一步提高［４］。其他基于电子学振荡的太赫兹辐射源还有耿氏（Ｇｕｎｎ）振荡器、布洛赫（Ｂｌｏｃｈ）振荡器等，它们与反向波振荡器一样，都具有体积小、结构紧凑等优点，但都尚未实用化、商业化。而基于半导体技术的太赫兹激光器是目前发展较为迅速、且被认为是较为有发展前途的太赫兹相干辐射源，但仍有一些技术瓶颈有待解决。以浅掺杂的Ｐ型锗半导体激光器为例，它的转换效率和输出功率都较低，需要在超低温、大电流、强磁场情况下运转［５’６１；而近些年来被誉为中远红外波段激光技术革命、具有量子阱结构的量子级联激光器，通过能带设计，其输出范围逐渐进入了太赫兹波段。太赫兹量子级联激光器可以通过适当增加

万　

方数据激光

有源区的串联级数来获得较大的光功率输出（已经达到毫瓦量级），并且工作温度相对较高（已经达到液氮温区）。但其自身结构和生长技术都较为复杂，工作阈值电流密度较大，而且由于太赫兹波辐射的波长较长，导致大的光学模式，结果使小的增益介质和光场之问的耦合作用很弱；并且由于材料中自由电子的作用，存在较大的光学损耗∞’７’８］。而属于真

空电子学范畴的自由电子激光器，理论上可以产生从远红外到硬Ｘ射线全波段的相干辐射，具有频谱范围广、峰值功率和平均功率高、可连续调谐以及相干性好等优点，但它体积过于巨大、能耗高、运行和维护费用较为昂贵，难以在科研工作中广泛普及［３ｊ。

产生太赫兹辐射的光学方法最早是利用高压汞灯。高压汞灯全波段一般输出总功率为１００ｗ左右，由于它的输出光谱分布形状与温度为４０００Ｋ的黑体辐射的辐射光谱形状相似，因此在ｏ～２

ＴＨｚ

范围内的输出功率大概为７０ｐＷ［９’１…。而在一般傅里叶变换红外线光谱技术中所常用的１６００～

２０００

Ｋ的黑体辐射源，可在近红外至远红外范围内

提供足够的信号强度，但信号的相干性则不甚理想，且通常难以覆盖１．２ＴＨｚ以下至毫米波段的频谱。目前，利用光学方法产生太赫兹辐射主要有太赫兹波气体激光器，与超短激光脉冲有关、能产生宽带亚皮秒太赫兹辐射的光整流、光电导和等离子体四波混频等方法，还有在这里着重要讨论的非线性光学差频方法，以及与晶格振动有关的太赫兹波参量振荡方法。后两种方法可以产生连续可调谐的单频太赫兹波辐射，且均具有较高的输出功率。

２光抽运太赫兹波气体激光器

直接产生太赫兹波辐射的激光器，是利用一台ＣＯ：激光器的远红外输出光抽运一个充有甲烷（ＣＨ。）、氨气（ＮＨ。）、氰化氢（ＨＣＮ）或是甲醇（ＣＨ。０Ｈ）等物质的低气压腔，由于这些气体分子转动能级问的跃迁频率处于太赫兹波段范围，所以可以形成太赫兹波受激辐射，如图２所示。通过选择合适的工作介质、寻找新的能级跃迁谱线，就可以基本覆盖整个太赫兹波段。这种方法可以得到高达上百毫瓦的输出功率，且已实现商业产品化，并被美国国家航天局应用于卫星大气观测［１川。虽然这种技术被证实切实可行，但这种辐射源不是连续可调的，而且通常需要大的气体腔和数百瓦的能量输入，在体积、重量、效率、可靠性、维护性、运行寿命，以及频