基于光学效应的太赫兹辐射源文件.PDF

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 -14 材料上时，会在其表面瞬间（10 s 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