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太赫兹波及其产生方法的研究


DOI 10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.015 :

太赫兹波及其产生方法的研究
王磊 李飙  国防科学技术大学电子科学与工程学院 ATR 实验室,长沙 410073 Research on THz wave and its generation method Wang Lei  Li Biao College of electronic Science and Engineering, ATR Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha, 410073

摘 要 阐述了太赫兹波的主要特征、太赫兹辐射 产生的各种方法及其探测方法,重点介绍 了产生THz辐射的光学方法和电子学方法。 光学方法包括远红外光泵浦、利用超短激 光脉冲产生 THz 辐射以及利用非线性频率 变换过程产生 THz 辐射;电子学方法包括 THz 量子级连激光器、利用自由电子的 THz 辐射源、基于高能加速器的 THz 辐射源和 电子学振荡器频率转换。 关键词 太赫兹波;远红外光泵浦;非线性频率变 换;THz量子级连激光器;振荡器频率转换 Abstract The mainly characteristic, generation method and detecting means of THz wave are introduced. The optical technique and electronical technique to generate THz wave is emphasized. The optical technique includes far infrared pumped, using ultrashort light laser pulse and nonlinear frequency transform; while the electronical technique includes THz quantum cascade lasers, using free electron, high power accelerator and oscillator frequency transform. Key words THz wave; far infrared pumped; nonlinear frequency transform; THz quantum cascade lasers; oscillator frequency transform

引言
THz(1012)波的发现,填补了现有物 理学电磁波谱中毫米波和红外线波段之间 的一段空白[1]。 太赫兹、 亚太赫兹波段的频 率为 0.1~10 THz,波长为 3mm~30 μ m 。其相对位置是低端连接毫米波,高端 接远红外区,即位于半导体电子器件和光 子器件之间的波段。若以应用频率范围的 载体为坐标,则太赫兹波“空隙”的位置 位于“雷达”与“人”之间。 由于技术上的原因,这段介于毫米波 和远红外光线之间的波段长时间没有被人 涉足。 近年来, 随着飞秒(10-15s)激光技术 的发展和成熟,为发展太赫兹波的研究提 供了有效的驱动力。这段位于毫米波和红 外之间太赫兹波光谱具有极大的吸引力, 其研究领域涉及物理、化学、生物、材料 科学和药学的边缘科学。太赫兹波兼有连 续波(CW)和脉冲两种形式,其脉冲周期数 可减少至1周期,峰值功率可高达 10MW。 在太赫兹波领域中存在着无限的机 会,例如在太赫兹波的电磁波频率范围 内, 其基本周期约为1ps, 尤其适合许多重 要领域的研究:完全受激态原子的里德伯 (Rydberg)态轨道的电子频率是太赫兹波 ; 小分子的旋转频率是太赫兹波;室温下气 态分子的碰撞时间约 1ps 等。因此,人们 正在努力降低进入研究太赫兹波的门槛。

秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究,还 可以通过取样测量技术有效地抑制背景辐 射噪音的干扰。 (3)许多物质大分子,如生 物大分子的振动和旋转频率都在 T H z 波 段,所以在 THz 频段表现出很强的吸收和 谐振。不同分子对于 THz 波的吸收和色散 特性是与分子的振动和转动能级有关的偶 极跃迁相联系的,而分子的偶极跃迁犹如 人的指纹千差万别。物质的 THz 光谱包含 丰富的物理和化学信息,使得 THz 波具有 类似指纹的唯一性。因此可通过光谱分析 实现对分子的识别。 (4)THz 波是具有量子 特性的电磁波,具有类似微波的穿透能 力,同时也具有类似光波的方向性。T H z 波能以很小的衰减穿透很多对于可见光和 红外线不透明的物质,如陶瓷、脂肪、布 料、木材、纸张、碳板等材料。 (5)与传统 的光学方法仅仅测量出某一频率光的强度 不同,T H z 波的时域光谱技术直接测量 THz 波的时域电场。时域数据的傅立叶变 换给出了 THz 波的大小和相位。因此,无 需使用Kramers.Kronig色散关系, 就可以 提供介电常数的实部和虚部。这使测量的 与 THz 波相互作用的介质折射率和吸收系 数变得更精确。 (6)THz 脉冲通常只包含若 干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频率可 以覆盖从 GHz 到几十 THz 的范围,便于在 大范围里分析物质的光谱特性。

2.太赫兹波产生的方法
根据太赫兹辐射产生的机理,可以将 其辐射源分为光学方法和电子学方法两大 类 。 2.1 光学方法产生 THz 辐射 2.1.1 基于远红外光泵浦产生 THz 辐 射 1 9 7 0 年,美籍华裔学者张道源等人 第一次报道了光泵亚毫米波激光器,其 激光介质采用的是甲基氟 C H 3 F ,泵浦光 源为连续可调谐的 C o 2 激光器[ 2 ] 。随后, 人们相继发现了许多新的激射分子和新的 谱线。据 Douglas 于 1989 年的统计,仅 连续波工作的光泵亚毫米波激光谱线就有 4 2 1 8 条,包括 9 5 种分子,波长从 3 0 ~

1.太赫兹波的主要特征
THz 波的频率范围处于电子学向光子 学的过渡区域,在长波方向,它与毫米波 有重叠;在短波方向, 它与红外线有重叠。 在频率上,THz 波处于宏观经典理论向微 观量子理论的过渡区。由于所处位置特 殊,THz 波表现出许多不同于其他电磁辐 射的性质 (1)THz光子具有较低的能量(4. : 1 m e V @ 1 THz) ,比 X 射线的光子弱 1 0 7~ 105 倍,不会在生物组织中引起光损伤及 光化电离。  (2)THz脉冲的典型脉宽在亚皮 秒量级,可以对包括液体、半导体、超导 体、生物样品等在内的各种材料进行亚皮

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基础及前沿研究

中国科技信息 2011 年第 7 期    CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2011

3 0 3 0 μ m ,覆盖了整个 T H z 波段。1 9 9 9 年,E.M.Telles 等人报道了 Co 2 激光泵浦 C H 3 o H ,又发现了 8 条新 T H z 谱线,波 长范围 48.8~453.7 μ m[3] 。2004 年,L. F.L.Costa 等人用 Co 2 激光泵浦 CH 3oD 分 子,发现了 17 条新 THz 激光谱线[4]。2005 年,T.J.Garrod 等人对光泵 CHD20H 辐 射的 11 条激光谱线进行了精确测量[5]。光 泵 THz 激光器已成为目前比较成熟的 THz 信号源之一,并且实现了商业化。 2.1.2 利用超短激光脉冲产生 THz 辐 射 大多数宽带蝴射源都是基于不同材料 的超短激光脉冲受激发射原理,如光电导 偶极天线技术、光学整流效应、半导体表 面技术、等离子体振荡、非线性传输线 等。 2.1.2.1光导天线技术 20 世纪 90 年代初,D.H.Auston 和 D Griscbkogsky等人用光电导偶极天线技术 产生了 THz 辐射[6]。该方法是目前产生和 探测 THz 波最常用的方法之一。它利用光 子能量大于半导体材料禁带宽度的超短脉 冲激光泵浦半导体材料( 如低温生长的 GaAs等), 使其内部产生电子一空穴对, 这 些载流予在外加偏置电场作用下做加速运 动形成一个瞬态光电流,从而辐射出低频 T H z 脉冲。 2.1.2.2光整流技术 1992 年,S.L.Chuang 等人和 X.C. Zhang 等人分别报道了半导体表面的光整 流效应,并研究了光整流过程的空间对 [7] 称” 。 光整流技术是利用电光晶体作为非 线性介质.使皮秒量级的超短激光脉冲通 过 Z n T e 电光晶体等非线性介质进行二阶 非线性光学过程或高阶非线性光学过程来 产生低频电极化场,由此电极化场辐射出 THz 波,如图 1 所示。其中激光脉冲特征 和非线性介质特性决定了 THz 波的振幅强 度和频率分布。

图 1   光整流效应

2.1.2.3半导体表面技术 半导体表面技术,其基本原理是当一 个光子能量大于半导体带隙的超短光脉冲 照射半导体表面时,入射的光载流于在半 导体表面耗尽并被表面电场加速,从而产 生超短瞬态电流,进而辐射出 THz 频率的

电磁波。产生的 T H z 波频率可通过改变 激发脉冲的入射角进行调整。 1990 年,X.C.Zhang 等报道了由飞 秒激光脉冲激发的光生自由载流子被半导 体表面电场加速而产生 THz 辐射[8],这是 除了光电导天线之外的另一种由瞬态光电 流产生脉冲 THz 辐射的方式。这种方法需 要入射光有较高的峰值功率.可获得宽带 的 THz波输出。 目前, 很多半导体, 如InP、 GaAs、G a S b、InSb、C d T e,CdSe、Ge 等都可以通过此技术产生 T H z 辐射。 2.1.3 利用非线性频率变换过程产生 T H z 辐射 THz 参量振荡器的原理是基于铌酸锂 (LiNbo 3)晶体同时具有红外和拉曼活性的 A1 最低对称光学软模的色散特性,近红外 的泵浦光子激发出一个频率相近的近红外 Stokes光子, 此Stokes光子的频率为泵浦 光子与振动模之间的差频。同时,由于物 质电子和振动的共同作用结果,导致非线 性参量过程产生了 T H z 辐射。日本 K . Kawase 领导的科研小组从上个世纪 90 年 代中期开始,在前人研究的基础上,对此 项技术进行了深入系统的研究。1996 年, K . K a w a s e 等人利用调 Q   N d :Y A G 激光 器泵浦 L i N b 0 3 晶体参量振荡器,并在 LiNb03 晶体侧面刻光栅,其耦合效率比使 用切角耦合方法提高了250倍[9]。 为了进一 步提高耦合效率,改善 T H z 波的光束质 量,提高输出稳定性,他们还分别采用单 Si 棱镜和阵列棱镜耦合输出 THz 波,耦合 效率提高了 8 倍。为了提高 THz 波频率的 调谐速度,他们将以往旋转非线性晶体的 角度发展为改变泵浦光的入射角度,这样 在较短的时间内能够获得 1~2THz 的 THz 波连续调谐输出。 2.2 电子学方法产生 THz 辐射 2.2.1THz 量子级连激光器 THz 量子级连激光器体积小、能耗低、 便于集成,是人们希望的一种 THz 波辐射 源。1994 年,美国贝尔实验室发明的量子 级连激光器(QCL) 将固体半导体激光器技 术延伸到 THz 波段。量子级连激光器是只 有电子参与的单极型激光器。电子从较高 的能量状态跃迁到较低的能量状态,发射 出光子,其激射波长取决于由量子限制效 应决定的量子阱两个激发态之间的能量 差,与半导体材料的能隙无关。一般使用 的材料体系是 GaAs/AIGaAs 和 InGaAs/ InAIAs/InP。但长期以来,THz 量子级连 激光器在实验方面都没有获得实质性突 破。直到 2002 年,意大利 NEST-INFM 和 英国剑桥大学在 N a t u r e 上报道了 T H z Q C L 的实验结果,其中 T H z 波频率 4 . 4THz、温度 50K、脉冲功率 20mW [10] 。此

后,很多国家采用不同的半导体材料相 继开展了 THz QCL 的研究工作。2004 年, 美国 M I T 研制的 T H z   Q C L 的工作频率为 2 . 1 T H z ,连续波功率 l m W ,温度 9 3 K , 脉冲功率 2 0 m W ,温度 1 3 7 K [ 1 1 ] 。近几年 来,中国科学院上海微系统研究所和中 国科学院半导体研究所也已经开展了此方 面的研究,并取得了一定的成果。 2.2.2 利用自由电子的 THz 辐射源 近几年来,利用真空电子学方法产生 THz 辐射的研究取得了很大的进展,其中 包括真空电子器件、电子迪旋脉塞以及自 由电子激光器等。真空电子器件如返波管 ( B W O ) 、耿氏( G u n n ) 振荡器、布洛赫 (Bloch)振荡器、 扩展互作用振荡器(EIO)、 绕射辐射器件(Orotron)等的工作频率已接 近或达到 1THz 。电子遛旋管有望在 1THz 以上产生千瓦级的脉冲输出,平均功率可 达几十瓦以上。自由电子激光器( F r e e electron laser, FEL)是一种传统的 THz 辐射源。由粒子加速器提供的高速电子流 通过偏转磁铁导入一个扭摆磁场,电子在 洛伦兹力作用下加速运动,通过自发辐射 产生 T H z 电磁波。 2 0 0 2 年,N a t u r e 上报道了由美国 Brookhaven、Lawrence Berkeley 国家实 验室以及Jefferson实验室提出的一种电子 学和光子学相结合产生 THz 的新方法[12] 。 该方法利用飞秒激光照射 G a A s 晶体,发 射出电子束,再用加速器将电子束加速到 40MeV,电子在磁场作用下做旋转运动从 而发射出相干 THz 辐射。采用该方法可以 获得 2 0 W 的连续 T H z 辐射。 2005 年 4 月 7 日,中国工程物理研究 院宣布我国首台基于自由电子激光的 THz 辐射源建成并出光,THz 辐射波长为 1 1 5 μ m(2.6THz), 谱宽 l%[13]。 该成果标志着 我国第一台可调谐相干 T H z 光源建成出 光,填补了国内空白。 2.2.3 基于高能加速器的 THz 辐射源 2005 年,在美国 Honolulu 召开的 THz 辐射源研讨会上报道了用静电加速器的 FEL ,可以在 0.15~6THz 产生 1kW 的准 连续波输出[14]。这一研究结果是迄今为止 最重要的成果之一。 2.2.4电子学振荡器频率转换(倍频) 频率上转换可以通过一系列的平面 G a A s 肖特基二极管倍增器来实现。该方 法是一种能够产生低功率(<100 μ W)连续 波 T H z 辐射源的方法。第一台工作在 1 T H z 以上的平面肖特基倍增器通过使用 薄膜技术实现的,在室温下能产生 80 μ W 的 1.2THz 辐射。使用同样的技术还制成 了三倍增器,在 2.7THz 时输出功率为 l μ W 。T H z 倍增器结构紧凑并且高度集成,

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是一种非常有发展潜力的小型化、高效 率的 T H z 辐射源。

3.THz波的探测
THz 探测器主要分为四大类: (1)辐射 量热计(Bolometer)和热释电探测器。 该装 置使用方便,但只能做非相干检测,不能 获得相干波的相位信息,响应速度一般比 较慢。 (2)电子探测器,包括混频器和差频 检测。该装置能进行相干检测,获得相位 信息,其特点是成本较低,结构紧凑。 (3) 光电导偶极天线及其阵列,特点是其暗流 和噪声较低。 (4)用飞秒激光取样的电光晶 体,其特点是具有极宽的频谱响应和非常 高的测量信噪比。如,在 ZnTe 晶体中很容 易实现 THz 波与探测光(λ =800nm) 的相 互匹配,使探测光的群速度与 THz 波的相 速度相等,是目前使用最多的一种电光晶 体 。

4.结论
THz 波辐射是介于可见光和毫米波之 间、辐射频率在 10 [12]Hz 附近的一种电磁 辐射。凝聚态物质的声子频率、大分子的 振荡频率又正好落在 THz 波段,在很多相 关的特征谱中,包含着非常丰富的物理和 化学信息。人们在物理、材料、生物、信 息等领域,采用 THz 波辐射对研究对象进 行扫描成像和光谱检测等的应用研究,并 对 T H z 波及其相关技术、T H z 波主要特 征、THz 波辐射产生的方法和 THz 波的探 测方法等进行了大量有意义的工作。

[6] J.T.Darrow, X.C.Zhang, D.H.Auston etal. Saturation properties of large-aperture photoconducting antennas [J], IEEE J.Quantum Electron., 1992, 28:1607-1616. [7] X.C.Zhang, Y Jin, K.Yang etal. Resonant nonlinear susceptibility near the GaAs band gap [J], Phys. Rev. Lett., 1992, 69:2303- 2306. [8] X.C.Zhang, B.B.Hu, J.T.Dallrow etal. Generation of femtosecond electromagnetic pulses from semiconductor surfaces [J], Appl. Phys. Lett., 1990, 56:1011-1013. [9] K.Kawase, M.Sato, T.Taniuchi etal. Coherent tunable THz wave generation from LiNb03 with monolithic grating coupler[J], Appl. Phys. Lett. 1996, 68:2483-2485. [10] R.Kohler, A.Tredicucci, F.Beltram etal. Terahertz semiconductor-heterostructure laser [J], Nature,2002, 417:156-159. [11] S.Kumar, B.S.Williams, S.Kohen etal. Continuous-wave operation of terahertz quantum-cascade lasers above liquid-nitrogen temperature [J],Appl. Phys. Lett., 2004, 84:2494-2496. [12] G.L.Carr, M.C.Martin, W.R.McKinney etal. High-power terahertz radiation from relativistic electrons [J], Nature, 2002, 420:153-156. [13] http://www.stdaily.com/gb/faxian/ 2006-02/24/content_491555.htm. [14] 刘盛纲. 太赫兹科学技术的新发展 [J],  中国基础科学科学前沿.2006, 1: 7-12
作者简介 王磊( 1 9 8 4 - ) ,男,汉族,陕西西安人, 国防科学技术大学电子科学与工程学院, 工程硕士,主要从事 T H z 产生和探测技术 的研究。

上接第 44 页 度。本文中就利用这两个指标,将其应 用 于 阈 值 选 取 ,具 体 如 下 : T =avr +k × std 式中 T 表示所选取的阈值,avr 和 std 分别表示梯度均值和标准差,k 为经验常 数(一般 k=0.5)。若想得到较多的边缘细 节,k 可取较小的值,若只想得到图像中 的主要边缘,则 k 可取较大的值。令图像 尺寸为 R   × C ,则:

 

式中, grad (i, j)为图像在点(i, j)处 的梯度。将梯度大于阈值 T 的点作为初步 选定的边缘点。实现初步的边缘检测。 2.2 图像边缘的增强 利用阈值 T 得到了图像的边缘初选 点,但这样的边缘较厚,不满足单边缘响 应准则。为了得到具有单像素宽度的边 缘,需要对上面得到的初始边缘进行细 化,我们采用非极大值抑制技术。 前面已经得到各像素点的梯度值,若 该点的梯度值大于其相邻点的梯度值,则 认为该点为边缘点,否则认为是非边缘 点。

3.结论
本文首先介绍了图像的平滑方法,可 以用高斯模板卷积的方法去除高斯噪声, 用开关中值滤波法去除脉冲噪声;在去除 噪声的基础上,利用梯度直方图选取分割 阈值,提取出边缘点,再利用非极大值抑 制法,增强图像边缘。通过该方法分割出 来的图像边缘更加精准,效果更好。

参考文献 [1]CHUSSEAU L., LAMPIN J F., BOLLAERT S. THz active devices and applications:a survey of recent researches, 2005. [2]T.Y Chang, T.J.Bridge. Laser action at 452, 496 and 541μ m in optically pumped CH3F [J], Opt. Commun. 1970, 1: 423-426. [3]E.M.Telles, H.Odashima, L.R.Zink etal. Optically pumped FIR laser lines from CH30H: New laser lines, frequency measurements and assignments [J], J. Mol. Spectrosc., 1999, 195:360-366. [4] L.F.L.Costa, F.C.Cruz, J.C.S.Moraes etal. New far-infrared laser lines from CH30D methanol deuterated isotope[J], IEEE J.Quantum Electron., 2004,40:946-948. [5] T.J.Garrod, S.Petersen, A.Stokes etal. Measurement of far-infraredlaser frequencies from optically pumped CHD20H [J], IEEE J. Quantum Electron., 2005, 41:224-226.

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作者简介 甄丽平,硕士,讲师,研究方向:数字 图像处理。

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