第二章 太赫兹波的产生

第二章 太赫兹波的产生

太赫兹辐射源是太赫兹技术能否转化为现实生产力的关键环节，而大功率、高效率的THz发射源则是THz时域光谱技术、THz诊断和成像技术以及THz雷达和通信能否成为投入实际应用的决定性因素。如何才能有效地产生出大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的、宽带可调的太赫兹辐射源，以及如何将其方便、灵活地应用于日常的科研工作和实际生活之中，已经成为21世纪太赫兹领域的科技工作者所追求的目标，以及他们迫切所要解决的实际问题。

虽然说现在依然缺少高功率、低造价和便携式的低温太赫兹光源，从而也就限制了太赫兹在实际中的应用，但是，仍有许多种光源可能成为其潜在的候选者。在快速电子学、激光和材料的研究之中，每种都有其特有的方面，而这些光源可以被粗略地分为以下几类：不相干地热发射源、宽频带的太赫兹脉冲源以及窄频带的太赫兹连续波源等。当然也可以有其他的分类方式，如根据其应用范围或产生机理等。接下来就根据不同的产生机理来逐一介绍几种常见的太赫兹源。

2.1 基于光学效应的太赫兹辐射源

本节主要讨论产生太赫兹脉冲的几种常用的光学方法：与超短激光脉冲有关的能产生宽带亚皮秒太赫兹辐射的光电导、光整流、等离子体四波混频（即空气产生太赫兹），以及与晶格振动有关的太赫兹波参量源、太赫兹气体激光器等。

2.1.1 光电导天线

光电导方法就是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐射太赫兹，如图2-1（a）所示。而常用的光电导材料有：高电阻率的砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），以及用放射法制作的有缺陷的硅（Si）晶片。光电导天线的基本原理是：在这些光电导半导体材料表面淀积上金属电极制成偶极天线结构，如图2-1（b）所示。 金属电极在这里的作用是对这些光电导半导体施加偏压。当超快激光(光子的能量要大于或等于该种材料的能隙，即hv≥Eg)打在两电极之间的光电导材料上时，会在其表面瞬间（10-14s量级）产生大量的电子－空穴对。这些光生自由载流子会在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电导半导体

材料的表面形成瞬变的光电流。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。

图2-1 （a）光导天线受激辐射示意图，（b）光电导天线，也称偶极天线、Grischkowsky天线

由图2-1（a）可知，此种太赫兹辐射系统的性能取决于三个因素：光导体、天线的几何结构和泵浦激光的脉冲宽度。光导体是产生太赫兹辐射的关键部件，对于性能良好的光导体来说，它应该具有载流子寿命极短、载流子迁移率高和介质耐击穿强度大等特点。目前应用于太赫兹技术中最多的光导体材料是Si和低温生长的GaAs（LT-GaAs）材料。而天线结构通常有赫兹偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线以及大孔径光导天线等。由于偶极子天线的结构相对简单，所以在大多数实验当中都是采用这种结构的天线。这种天线结构由3部分组成：平面偶极子，产生光电流的光导开关，用作欧姆接触的两条共面传输线，如图2-1（b）所示。

另外，材料的一些参数特性也会影响到最终所产生的太赫兹辐射的能量和频谱宽度。如若要有效的辐射出太赫兹，光电流的快速增大和衰减是必需的。所以，电子有效质量较小的半导体材料，如砷化铟（InAs）和InP是用来产生太赫兹很好的材料。材料的最大迁移率也是一个重要的参数，但带内散射率或直接带隙半导体（如GaAs）的谷间散射对它限制很大。此外，由于辐射能量主要是来源于以偏置静电场形式储存的表面能，所以偏置电场、激发光强的大小也能影响到太赫兹辐射的能量。如果增大外加电场，就可以得到更强的太赫兹辐射脉冲，由此可以采用大孔径光导天线。此外，如果要增大太赫兹信号功率，也可采用天线阵列来实现。另

一个重要的参数就是材料的击穿电场，这是因为击穿电场决定了可施加的最大电场。利用光电导发射装置可以产生相对较大的（大约40μW）太赫兹辐射功率和相当宽的辐射带宽(4 THz)。

2.1.2 光整流

光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制，它是一种非线性效应，是电光效应的逆过程。众所知道，两束光束在线性介质中可以独立传播，且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中，它们将会发生混和，从而能产生和频振荡及差频振荡现象。由此在出射光中，除了和入射光具有相同频率的光波以外还有其他频率（例如和频）的光波。而且当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通过差频振荡效应激发出一个恒定（不随时间变化）的电极化场。这个电极化场不会向外辐射电磁波，它只是会在介质内部建起一个直流电场。我们就把这种现象称为光学整流效应。

如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则根据傅立叶变换理论可知，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，这些单色光将会在非线性介质中发生混合。其中，由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。这个电极化场就可以辐射出太赫兹波来。这是因为所辐射出的电磁波的频率上限与入射激光的脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐射出的电磁波的频率上限就会在太赫兹量级，由此这种光整流效应被称作为亚皮秒光整流效应，或太赫兹光整流效应，如图2-2所示。

光整流的物理过程是一个瞬间完成的过程，而产生的太赫兹辐射强度与非线性介质的极化电场强度P(t)的低频部分对时间的二阶偏导数成正比。光整流的关键问题是位相匹配，它可以放大激光和太赫兹脉冲在非线性介质中的相互作用，并且能增强光整流的产生效果。另外，非线性介质的非线性系数对所产生的太赫兹脉冲的振幅强度、频率分布以及光整流的转换效率，如图2-2（a）所示。常用的非线性介质由LiNbO3、LiTaO3、有机晶体DAST、半导体GaAs、ZnTe、InP、InTe等。用得最多的是ZnTe和GaAs，而DAST则是很有潜力得有机介质，它是目前非线性效应最强的物质之一。

图2-2 （a）利用光整流产生太赫兹，（b）太赫兹光整流效应的原理

比较光电导和光整流这两种产生太赫兹脉冲的机制可知：（1）用光导天线辐射的太赫兹脉冲能量通常要比用光整流效应所产生的太赫兹脉冲的能量强。这是因为光整流效应产生的太赫兹波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量，而光导天线辐射的太赫兹波的能量则主要来自天线上所加的偏置电场，如果要想获得能量较强的太赫兹脉冲，则可以通过调节外加电场的大小来实现。（2）光导天线产生的太赫兹电磁波的频率较低，而光整流产生的太赫兹电磁波的频率较高。（3）光导天线产生的太赫兹脉冲频谱宽度较窄，而光整流产生的太赫兹脉冲的频谱宽度较宽。

2.1.3 空气产生太赫兹

将超短强激光脉冲聚焦在周围空气中直接产生太赫兹的技术，近年来引起了人们的广泛关注。该方法可在远处（可在几公里远）产生太赫兹波，所以应用前景十分美好。

当前对空气等离子体产生太赫兹的机制解释还没有完全的定论，现有许多模型如有质动力模型、辐射压力模型、四波混频模型和量子模型等，都在试图对其进行解释，但都只能对该部分该现象给予正确解释。在此只介绍四波混频模型，该模型是文献中应用比较多的解释之一。

当高能量的超短激光脉冲聚焦在空气中时，焦点处的空气会发生电离现象形成等离子体。由此所形成的有质动力（Ponderomotive Forces）会使离子电荷和电子电荷之间形成大的密度差，而且这种电荷分离过程会导致强有力的电磁瞬变现象的

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