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/75电子科学与技术1/75什么是太赫兹波？1THz=____Hz？THz波的基本性质有哪些？THz波光子能量比X射线光子能量小几个数量级？THz波对什么材料具有透视性？什么是太赫兹波的波粒二象性？2/75太赫兹波是指频率处于0.1THz-10THz的电磁波，对应的波长范围是3mm-0.03mm。1THz=1012Hz。太赫兹波频率的数量级是1012，x射线频率的数量级是1017，依据e=hv，可以得到太赫兹波光子能量比x射线光子能量小5个数量级。太赫兹波具有瞬态性，宽带性，相干性，低能性，透视性，特殊光谱范围，成像分辨率高、景深大。3/75太赫兹波对非极性材料具有透视性，而极性材料对太赫兹波具有强烈地吸收。太赫兹波的波粒二象性是指太赫兹波在传输过程中表现为波动性，在与物质相互作用时表现为粒子性。4/755•THz辐射源概述•THz辐射源的分类•基于光学效应的THz辐射源•基于电子学的THz辐射源/756•THz辐射源概述•THz辐射源的分类•基于光学效应的THz辐射源•基于电子学的THz辐射源/75THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线）是从19世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。THz辐射源是THz技术能否转化为现实生产力的关键环节。7/75随着20世纪80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。但是，目前尚缺少高功率、低成本、便携式、常温工作条件下的THz辐射源，这已经成为21世纪THz领域迫切需要解决的实际问题。8/75世界各国主要沿着三条途径开发太赫兹辐射源。其一是以太赫兹激光器为代表的激光光学技术，包括气体激光器、半导体激光器以及自由电子激光器等，这类技术来自于激光技术向长波方向的发展；其二是以微波元件为代表的真空电子技术，包括微波管、固体微波源以及耿氏二极管等，这类技术来自于微波技术向短波方向的发展；其三是超快激光技术，这类技术是从1THz向低频和高频两个方向同时发展。9/7510真空电子技术短波方向/7511激光光学技术长波方向/7512超快激光技术从1THz向两边/7513•THz辐射源概述•THz辐射源的分类•基于光学效应的THz辐射源•基于电子学的THz辐射源/7514/75光学效应•多普勒效应•声光效应•磁光效应•电光效应•弹光效应•非线性效应等等电学效应•电磁振荡•电泵浦15/75基于光学效应的THz辐射源•光电导天线•光整流•空气产生太赫兹•气体激光器基于电子学的THz辐射源•真空电子器件•相对论性电子器件•半导体激光器16/7517•THz辐射源概述•THz辐射源的分类•基于光学效应的THz辐射源•基于电子学的THz辐射源/75光电导天线光整流空气产生太赫兹气体激光器18/75光电导天线的结构19常用的半导体衬底：砷化镓(GaAs),磷化铟(InP)，用放射法制作的有缺陷的硅晶片。/7520/75光电导天线是目前众多THz产生技术中应用最广泛的方法之一；它是由美国贝尔实验室的Auston研究小组在1984年首先提出并初步试验成功；21/7522当超快激光(光子的能量要大于或等于该种材料的能隙)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。这种快速随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。/7523E入射光子THz脉冲电子-空穴对在电场中加速的载流子/7524由高阻硅构成的球面聚焦透镜，作用主要有两个：一是准直THz波，二是消除衍射效应和截面反射。/7525/75频率范围•0.1THz-5THz功率范围•纳瓦到微瓦量级26/75这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。27/75光整流是产生太赫兹脉冲的一种常用机制，它是一种非线性效应，是电光效应的逆过程；这种模型是由S.L.Chuang等人在1992年提出的。28/75线性介质：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；非线性介质：两束光束在非线性介质中传播时，将会发生和频（ν=𝜈1+𝜈2）振荡及差频（ν=𝜈1−𝜈2）振荡现象，因此在出射光中，除了和入射光具有相同频率的光波以外还有其他频率的光波；光整流：是指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（ν=𝜈1−𝜈2=0）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，这种现象称为光学整流效应。29/75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。这个时变电极化场可以辐射出太赫兹波。光整流的物理过程是一个瞬间完成的过程。30/7531/75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。常用的非线性介质有LiNbO3(铌酸锂)、LiTaO3(钽酸锂)、有机晶体DAST(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐)、半导体GaAs(砷化镓)、ZnTe(碲化锌)、InP(磷化铟)、InTe(碲化铟)等。用得最多的是ZnTe和GaAs。32/7533/75频率范围•太赫兹辐射的带宽上限由泵浦激光脉冲的宽度决定，最高频率可以达到50THz，甚至可以达到100THz功率范围•纳瓦量级34/75空气产生太赫兹，是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。优点：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。缺点：辐射机理没有被完全解开。35/7536/75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发生，从而辐射出太赫兹波。37/75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。其中四波混频模型是在文献中应用比较多的解释之一。38/75实验装置主要有以下三种：39/75将波长为800nm或400nm，持续时间为100fs的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体从而辐射太赫兹波。40/75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太赫兹辐射进行相干控制。41/75是将波长为800nm或400nm，持续时间为100fs的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体从而辐射太赫兹波，只是在聚焦透镜后添加一块了BBO晶体，其作用是用来倍频。42/75产生太赫兹波的主要机制是在空气等离子体中混合的ω与2ω光束发生的三阶非线性光学效应，即四波混频过程。太赫兹场的极性和强度完全由ω与2ω光束间的相对位相控制。在四波混频过程中，当所有光波（ω、2ω及THz）的偏振态均相同时产生的太赫兹效果最佳。43/75四波混频：两个特定频率的光波在非线性材料中交会时，有可能产生另外两个频率的电磁波，四种频率的电磁波相互作用所引起的非线性光学效应。它起因于介质的三阶非线性极化。44/75频率范围•频率0.1THz-10THz功率范围•纳瓦到微瓦量级45/75激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。46/75除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励源、具有亚稳态能级的工作物质两个部分。激励方式：光学激励，气体放电激励，化学激励，核能激励。工作物质：晶体和玻璃，气体，溶液，半导体，在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束。47/75分类标准：工作物质的不同固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器自由电子激光器48/75利用一台CO2激光器输出的远红外光来泵浦一个充有甲烷（CH4）、氨气（NH3）、氢化氰（HCN）或是甲醇（CH3OH）等物质的低压真空腔，由于这些气体分子的转动和振动能级间的跃迁频率正好处于太赫兹频段，所以可以形成太赫兹受激辐射，从而在光泵浦太赫兹激光器中直接辐射出太赫兹波。甲醇分子气体激光器是最常见的光泵浦太赫兹激光器之一。它已经在美国国家航空航天管理局（NASA）所命名的“先兆”（AURA）卫星上投入了实用。以此来观测大气。49/75泵浦源：•CO2激光器输出的远红外光。工作物质：•甲烷（CH4）、氨气（NH3）、氢化氰（HCN）或是甲醇（CH3OH）等气体物质。跃迁能级：•气体分子的转动和振动能级。50/7551/75甲醇分子气体激光器是由一个光栅调谐的CO2激光器泵浦源和太赫兹激光器单元组成的。太赫兹激光器单元是由一个充满甲醇分子气体的低压真空腔、光学反馈系统（腔镜）、泵浦输入系统，及辐射输出系统组成。甲醇分子气体激光器利用甲醇分子的转动跃迁来实现太赫兹辐射。52/75当泵浦源所发出的红外光（9-11μm，31THz附近）的光子能量接近于甲醇分子从基态的转动能级跃迁到激发态的转动能级所需的能量时，这些红外光子会被甲醇分子吸收；然后在一定的条件下形成转动能级反转，即粒子数反转，由此向外辐射出太赫兹（118.83μm，约为2.5THz）。高频泵浦低频的过程。53/75频率范围•0.1-10THz范围内的单频输出功率范围•百毫瓦量级54/7555•THz辐射源概述•THz辐射源的分类•基于光学效应的THz辐射源•基于电子学的THz辐射源/75真空电子器件半导体激光器56/75真空电子器件是指借助电子在真空或者气体中与电磁场发生相互作用，将一种形式电磁能量转换为另一种形式电磁能量的器件。具有真空密封管壳和若干电极，管内抽成真空，残余气体压力为10-4～10-8帕。有些在抽出管内气体后，再充入所需成分和压强的气体。广泛用于广播、通信、电视、雷达、导航、自动控制、电子对抗、计算机终端显示、医学诊断治疗等领域。57/75静电控制电子管：实现直流电能和电磁振荡能量之间转换；微波电子管：将直流能量转换成频率为300MHz～3000GHz电磁振荡能量；真空量子电子器件：以真空和气体中粒子受激辐射为工作机理，将电磁波加以放大的器件；电子束管：利用聚焦电子束实现光、电信号的记录、存储、转换和显示的；光电管：利用光电子发射现象实现光电转换；X射线管：产生X射线；充气管：管内充有气体并产生气体放电。58/75工作于微波波段的真空电子器件。用来把直流能量转换成频率为300MHz到3000GHz的电磁振荡能量，包括M型返波管、直射速调管、反射速调管、O型返波管和回旋管等。通常将微波气体放电管也划归微波电子管一类。微波电子管主要用于雷达、电视、微波通信、导航、电子对抗、遥控遥测、工业加热及粒子加速器等。59/7560/75微波武器又叫射频武器或电磁脉冲武器，它是利用高能量的电磁波辐射去攻击和毁伤目标的。微波武器一般由微波发生器、定向发射天线以及伺服控制系统等组成。微波发生器用于