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太赫兹检测技术1 太赫兹波简介电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式 移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量电磁辐射可以 按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、 X 射线和伽马射线等等 太赫兹波(Terahert 或称太赫兹辐射、T-射线、亚毫米波、远红外，简称 THz) 通常指 频率在 0.1~10THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射若以应用频率范围的载体为坐标，则 太赫兹波位于“雷达”与“人”之间是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域， 也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域图 1 电磁波谱图Fig1 Electromagnetic spectrumTHz 波在无线电物理领域称为亚毫米波，在光学领域则习惯称之为远红外辐射；从能 量辐射上看，其大小在电子和光子之间 在电磁频谱上，THz 波段两侧的红外和微波技术 已经很成熟，但是 THz 技术还不完善究其原因是因为此频段既不完全适和用光学理论来 处理，也不完全适合用微波理论来研究，缺乏有效的产生和检测 THz 波的手段，从而形成 了所说的“THz 空隙” 。

2 THz 辐射研究的发展历史与现状上世纪九十年代以后,超快激光技术的迅速发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可 靠的激发光源太赫兹波段各种技术的研究才蓬勃发展起来与此同时，半导体物理的研 究和材料加工工艺的改进也日趋完善，人们在选择与太赫兹辐射研究相关的半导体材料过 程中发现半导体材料有着尤为重要的研究价值，且它们都是常用的半导体材料；同时通过 掺杂工艺，改善半导体材料的性质，如载流子迁移率、寿命和阻抗都可以控制调整以适应 光电器件的要求，这些半导体制作工艺上的发展促进了相关科学技术的发展 2.1 THz 辐射的特点 THz 技术之所以引起人们广泛的关注，主要是由于太赫兹电磁波独有的特点，各种物质在这一频段的独特响应及其在特定领域中的不可替代性[1]与其他波段的电磁波相比， 脉冲宽带 THz 电磁波具有如下特点： （1）高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明 物体进行透视成像,是 X 射线成像和超声波成像技术的有效互补,可用于安检或质检过程中 的无损检测 （2）低能量性：太赫兹光子能量为 4.1meV(毫电子伏特),只是 X 射线光子能量的 108 分之一。

太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质,非常适用于针对人体或其他生物样 品的活体检查进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息 （3）吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性,因为肿瘤组织中水分含量与正常组织 明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置 （4）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、 气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术， 能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰 （5）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制太赫兹相干测量技术能够直接测 量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等 光学参数 （6）指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息大多数极性分子和生物大 分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段,所以根据这些指纹谱,太赫兹光谱成像技术能 够分辨物体的形貌,分析物体的物理化学性质,为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据 和探测技术 2.2 太赫兹的研究现状 THz 波现象其实早已为人们所发现，然而早期因缺乏有效的 THz 波产生和探测技术， 使得相关研究进展极其缓慢[2]。

进入 20 世纪 80 年代后，激光技术的迅速发展为研究有效 THz 波的产生和探测技术孕育了基础据文献报道，1983 年 D.H.Anston[3]首次利用光学技 术，通过超短激光脉冲激发光电导天线产生了相干脉冲宽带 THz 辐射鉴于 D.H.Auston 做 出的巨大贡献，光导天线后来常被称为“Auston switeh” 紧接着，D.Grischkowsky 和 D.H.Auston 等又开发出了基于超短激光脉冲激发光电导天线的 THz 时域光谱探测技术这 种基于基于超短激光脉冲激发光电导天线的 THz 波产生和探测技术至今仍然是实验设备应 用的主流1990-1992 年，X.C.zhang 和 D.H.Auston[4]等又提出了原理上完全不同的 THz 波产生与探测方法一基于瞬态电光取样及其逆过程的 THz 产生与探测技术 至此，THz 波的产生与探测技术虽然还不成熟，但已经能够用于相关仪器的制造与生 产，为科研人员研究 THz 波与物质相互作用提供了必备的实验手段太赫兹科学和技术有 极大的应用潜力，但目前还受太赫兹辐射源的限制，比如：产生的太赫兹辐射强度不高、 带宽不够宽、能量转化效率低等因素，所以太赫兹领域的发展还需更大的努力。

3 太赫兹的产生和检测3.1太赫兹波的产生 THz波的产生分为连续波的THz产生和THz脉冲的产生产生连续THz波的方法主要有4种： (1)通过FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer)使用热辐射源产生，如汞灯和 SiC棒；(2)是通过非线性光混频产生；(3)是通过电子振荡辐射产生，如反波管、耿式振荡 器及肖特基二极管产生；(4)是通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等THz激 光器直接产生目前产生THz脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、THz参量振荡器法、 空气等离子体法等，其中空气等离子体能产生相对较高强度的THz波而备受关注，此外，还 可以用半导体表面产生THz波3.1.1 光导天线(PCA)产生THz脉冲 光导天线辐射机制是利用超快激光脉冲泵浦光导材料，在其内部产生电子空穴对，这 些载流子在外加偏置电场作用下，做加速运动形成瞬态光电流，从而辐射出低频THz脉冲 PCA由两个距离在um量级电极组成，此种THz辐射系统的性能取决于3个因素：光导体、天线 的几何结构和泵浦激光的脉冲宽度，如图所示光导是产生THz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THz技术中最多的光导体材料是si和低温生长的GaAs(LT．GaAs)材料图2 光电导天线图Fig2 Schematic diagram of photoconductive antenna3.1.2 光整流产生THz脉冲 光整流方法是利用电光晶体作为非线性介质，使超快激光通过非线性节点材料进行二 阶非线性光学过程或高阶非线性光学过程产生THz脉冲光整流的物理过程是一个瞬间完成 的过程，而产生的THz辐射强度与非线性介质的极化电场强度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THz脉冲在非线性介质中的相 互作用，并且能影响光整流的产生效果 3.1．3 空气等离子体产生THz脉冲 Cook和Hochstrasser等人最早发现将频率为60的飞秒脉冲和频率为2o9的倍频光聚焦在 空气中，将空气电离可产生THz[5]该方法与之前的在晶体中进行光整流产生THz波相比， 不存在损伤阈值的问题，即对激光的强度没有限制空气中产生THz波有3种结构，如图所 示图(a)是将波长为800 RE或400nm，脉宽为100fs的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体， 从而辐射THz波；而图(b)较之于图(a)则是在聚焦透镜后添加了一块BBO晶体用于倍频；图 (c)是利用分色镜将波长为800nm和400nm(基频波与二次谐波)的两束光混合在一起，通过干 涉相长或干涉相消对THz辐射进行相干控制。

图3 空气产生Thz结构图Fig3 Terahertz pulse generated in air plasma3.1．4 参量振荡器产生频率可调的THz波 光学参量振荡是产生THz辐射的另一机制，是基于光学参量效应的一种技术THz参量 源通常有THz参量发生器和THz参量振荡器两种，二者之问的区别在于TPO有谐振腔，而TPG 没有这样的选频结构THz参量源具有很高的非线性转换效率，其结构简单、易于小型化、 工作可靠、便于操作、相干性好，并且能够实现单频、宽带、可调谐、可在室温下稳定运 转的全固态THz辐射源 2008年，Koji Suizu[6]等人利用KTP-OPO(双波长输出KTP光学参量振荡器)产生的两束 波长相差不大的平行泵浦光在铌酸锂晶体中差频产生出THz波，在THz波的输出上利用了切 伦科夫辐射的原理，如图所示图4 参量振荡产生频率可调的THz波装置图Fig4 Frequency-tunable THz wave generated by parametric generator众所周知，当晶体中极化波的速度大于辐射出的射线波的速度时就可以说其满足了切 伦科夫的相位匹配条件。

在铌酸锂晶体中，由两束泵浦光差频产生的THz波的波速(发出的 瞬间具有泵浦光的速度)大于由THz引起的介质极化产生的次波辐射的波速(等于THz的速度)， 满足了切伦科夫辐射的相位匹配条件 ，从而以一定角度辐射出THz波同时，因为聚乙烯 膜很薄，可以和THz波的波长相比，所以可在聚乙烯膜上使用一组硅棱镜阵列来耦合THz波 的输出，然后用硅测辐射热计来探测产生的连续宽频范围的THz波 3.1.5 几种发射源的比较 目前，THz波发射源可以大致分为以下几类：非相干的热辐射源，电子学的高频微波辐 射源，THz激光器，光电子辐射源，这些THz波光源都有自己的特点及局限性[7]自由电子 激光和气体激光可以发射相对较强的THz辐射，并可以覆盖较宽的频率范围，但它们的体积 较大，功耗较高；量子级联激光器可以输出10mW数量级的THz辐射，但它需要工作在低温环 境下，而且目前的量子级联激光器只能工作在THz的高频波段，第一台工作在THz波段的量 子级联激光器的标准发射波长为4.4THz[8]电子学方法可以获得较高的输出功率，但只能 发射低频THz波脉冲的THz发射源几乎覆盖了整个THz波段，且常温下可获得较高的信噪比， 然而需要昂贵的飞秒脉冲激光器，且平均功率较低。

3.2 太赫兹波的检测3.2.1 电光取样 电光取样测量技术基于线性电光效应：当THz脉冲通过电光晶体时，会发生电光效应，从而影响探测(取样)脉冲在晶体中的传播当探测脉冲和THz脉冲同时通过电光晶体时， THz脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性的改变，致使探测脉冲的偏振态发生变化 调整探测脉冲和THz脉冲之问的时间延迟，检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到 THz脉冲电场的时域波形 自由空间电光取样THz探测原理如图所示图中的激光器为飞秒激光器，它所发出的飞 秒激光脉冲经分束器之后，分为泵浦脉冲和探测脉冲泵浦脉冲用来激发THz发射极使其产 生THz脉冲，然后该脉冲被离轴抛物面镜准直聚焦，经半透镜照射到电光晶体之上，由此改 变电光晶体的折射率椭球当线偏振的探测脉冲在晶体内与THz光束共线传播时，其相位会 被调制图5 电光探测原理图Fig5 Schematic diagram of electro-optical sampling3.2.2空气探测 2006年，戴建明和张希成等人根据THz辐射的产生和探测是互逆过程这一理论，利用 三阶非线性性质实现了空气等离子体探测THz电场。

图是利用空气产生并探测THz的装置图 在探测THz辐射时，将800 nm的探测激光与THz脉冲同时聚焦在空气中，在四波混频的过程 中，THz辐射与800 nm激光可以产生400 nm波长的光Esignal 2w，其中Esignal 2w是THz波场诱导 产生二次谐波信号的电场分量，可见二倍频光的电场强度正比于THz在特定延迟时刻的电。