光整流产生泰赫兹辐射的原理及研究进展.pdf

1、2006 年 12 月第 21 卷 第 4 期山 东 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )Journal of Shandong Normal University(Natural Science)Dec. 2006Vol. 21 No. 4光 整 流 产 生 泰 赫 兹 辐 射 的 原 理 及 研 究 进 展 3李 德 华 周 薇( 山 东 科 技 大 学 理 学 院 ,266510 ,山 东 青 岛 第 一 作 者 43 岁 ,男 ,副 教 授 )摘 要 泰 赫 兹 辐 射 是 电 磁 波 谱 中 很 窄 的 一 部 分 ,随 着 飞 秒 激 光 技 术 的 成 熟 和 自 由

2、 电 子 激 光 器 的 发 展 ,对 产 生 泰 赫 兹 辐 射 的辐 射 源 以 及 泰 赫 兹 波 的 性 质 的 研 究 越 来 越 深 入 . 本 文 着 重 介 绍 近 几 年 发 展 起 来 的 几 种 用 非 线 性 光 学 方 法 产 生 泰 赫 兹 辐 射 的 基 本原 理 .关 键 词 泰 赫 兹 波 ; 非 线 性 光 学 ; 光 整 流中 图 分 类 号 O 432. 1泰 赫 兹 波 是 电 磁 波 谱 中 频 率 介 于 0. 1 10 THz 的 一 部 分 ,它 在 电 磁 波 谱 中 处 于 红 外 线 和 毫 米 波 之 间 ,是 目 前 我 们 了 解

3、较少 的 一 种 电 磁 辐 射 ,原 因 主 要 在 于 至 今 还 无 法 获 得 足 够 强 的 泰 赫 兹 辐 射 .泰 赫 兹 辐 射 在 医 学 成 像 ,凝 聚 态 物 理 ,天 文 等 研 究 领 域 有 广 泛 的 应 用 前 景 . 然 而 获 得 稳 定 的 、 可 利 用 的 泰 赫 兹 波 并 非 易事 .一 般 毫 米 波 可 以 用 无 线 电 方 法 获 得 ,用 这 一 方 法 产 生 的 电 磁 波 扩 展 不 到 泰 赫 兹 波 段 ;红 外 线 可 用 光 学 方 法 产 生 ,但 随 着 频率 的 降 低 ,光 辐 射 现 象 逐 渐 消 失 . 迄

4、今 为 止 ,产 生 泰 赫 兹 辐 射 的 方 式 可 分 为 两 类 ,一 类 是 用 电 子 学 方 法 产 生 泰 赫 兹 辐 射 ,如 后向 波 振 荡 (Backward Wave Oscillator)和 自 由 电 子 激 光 (Free Electronics Lasers) ,用 自 由 电 子 激 光 方 法 已 经 获 得 了 接 近 20W 的 泰 赫兹 辐 射 1 ,是 目 前 获 得 的 最 大 功 率 的 泰 赫 兹 辐 射 . 另 一 类 是 用 非 线 性 光 学 办 法 产 生 泰 赫 滋 辐 射 . 本 文 主 要 介 绍 用 非 线 性 光 学方 法

5、产 生 泰 赫 兹 辐 射 的 基 本 原 理 及 其 进 展 情 况 .1 泰 赫 兹 辐 射 源第 一 个 相 干 泰 赫 兹 辐 射 源 是 用 100 飞 秒 的 激 光 脉 冲 触 发 光 导 开 关 产 生 的 2 . 光 导 开 关 有 时 也 称 为 振 荡 光 整 流 ,其 基 本 原理 是 ,利 用 入 射 激 光 诱 发 的 载 流 子 ,在 外 加 偏 置 电 场 或 表 面 电 场 作 用 下 载 流 子 加 速 运 动 并 产 生 泰 赫 兹 辐 射 . 另 外 一 类 产 生 泰赫 兹 辐 射 的 光 学 方 法 称 为 光 整 流 ,它 利 用 入 射 光 脉

6、冲 在 晶 体 内 的 二 阶 非 线 性 效 应 产 生 泰 赫 兹 的 辐 射 . 光 整 流 法 是 产 生 泰 赫 兹辐 射 的 一 种 非 常 有 效 的 方 法 3 . 目 前 ,大 多 数 的 泰 赫 兹 辐 射 都 是 基 于 超 短 激 光 脉 冲 触 发 原 理 产 生 的 . 用 光 整 流 产 生 泰 赫 兹 辐射 的 波 谱 范 围 可 以 从 100 GHz 到 70 THz4 . 其 它 非 线 性 光 学 方 法 ,如 泰 赫 兹 参 量 振 荡 ,简 称 TPO (Terahertz Parameter Oscillator) ,和 差 频 法 ,简 称 DF

7、G(Difference Frequency Generation) ,其 产 生 泰 赫 兹 辐 射 的 原 理 与 光 整 流 方 法 本 质 上 相 似 ,本 文 也 将 给 予 介 绍 .1. 1 光 导 开 关 光 导 开 关 产 生 泰 赫 兹 辐 射 的 原 理 如 图 1 所示 . 当 入 射 光 脉 冲 的 光 子 能 量 高 于 被 入 射 物 质 能 级 带 宽 ,载 流子 被 激 发 到 导 带 ,这 些 载 流 子 在 外 加 电 场 作 用 下 加 速 运 动 ,电流 密 度 迅 速 增 加 并 产 生 辐 射 . 这 种 辐 射 的 机 理 可 以 用 电 偶 极

8、子 模 型 来 近 似 描 述 ,在 距 离 电 偶 极 子 距 离 为 r ,与 电 偶 极 子 轴向 夹 角 为 的 场 点 ,电 场 强 度 可 以 表 示 为E( t) = 14 0 n2p( t)r3 +ncr25 p( t)5 t +n2c2 r52 p ( t)5 t2 sin . (1) 图 1 振 荡 光 整 流式 中 c 是 光 速 , 0 是 真 空 中 介 电 常 数 , n 是 介 质 折 射 率 . 其 中 第 一 项 可 以 认 为 是 电 偶 极 子 产 生 的 准 静 电 场 ,第 二 项 是 近 场 电场 ,第 三 项 是 远 场 电 场 ,因 此 ,远 离

9、 偶 极 子 处 轴 向 电 场 可 表 示 为E( t) = 04 052 p( t)5 t2 或 E( t) = - 0 e4 05 I ( t)5 t , (2)实 际 上 ,由 于 光 脉 冲 所 激 发 的 各 点 均 产 生 泰 赫 兹 辐 射 ,最 后 产 生 的 电 磁 场 辐 射 是 各 电 偶 极 子 产 生 的 电 磁 场 辐 射 的 叠 加 ,它 具有 较 高 的 发 散 性 ,通 常 用 透 镜 来 汇 聚 辐 射 源 发 出 的 辐 射 5 . 随 着 超 短 激 光 脉 冲 技 术 的 发 展 ,这 种 办 法 产 生 的 泰 赫 兹 辐 射 功 射更 大 ,发

10、散 角 更 小 ,而 且 仍 然 可 以 看 作 是 不 同 电 偶 极 子 产 生 的 电 磁 场 的 叠 加 ,公 式 (2)仍 然 成 立 6 .用 光 导 开 关 产 生 泰 赫 兹 辐 射 ,强 度 通 常 与 入 射 光 脉 冲 的 强 度 成 正 比 ,随 着 入 射 脉 冲 强 度 的 增 加 ,辐 射 会 出 现 饱 和 现 象 7 .另 外 ,产 生 泰 赫 兹 辐 射 的 强 度 和 偏 置 电 场 关 系 基 本 上 也 是 线 性 的 8 ,但 如 果 偏 置 电 压 太 高 则 会 出 现 击 穿 现 象 . 通 常 用 做 光 电导 的 材 料 有 掺 Cr 的

11、砷 化 钙 9 ,低 温 生 长 的 砷 化 钙 等 等 10 .3 山 东 省 教 育 厅 科 技 计 划 基 金 资 助 项 目 (J04A06)收 稿 日 期 :2006 - 07 - 161. 2 光 整 流 法 用 光 电 晶 体 通 过 光 整 流 产 生 泰 赫 兹 脉 冲 的 原 理 11 可 用 下 面 麦 克 斯 韦 方 程 描 述 ,泰 赫 兹 波 的 电 场 强 度 正 比 于光 整 流 引 起 的 电 极 化 强 度 的 二 阶 时 间 导 数 currency12 E - 1c2 52 D (1)5 t2 =4c252 P(2)5 t2 . (3)式 中 P(2)

12、是 二 阶 非 线 性 系 数 x (2) 和 激 光 脉 冲 频 域 强 度 之 积 . 假 设 激 光 沿 z 轴 方 向 传 播 ,脉 冲 宽 度 为 G ,如 果 激 光 脉 冲 时 域 分 布为 高 斯 型 分 布 ,即 I ( ) = I0 ( ) exp ( - ( G ) 2 / 2) ,由 此 可 得 P(2) ( z , ) = x (2) ( ) I ( ) exp ( i zPvg ) . (4)式 中 vg 是 光 脉 冲 的 群 速 度 ,方 程 (3)产 生 的 泰 赫 兹 波 电 场 强 度 为 ETHz ( z , ) = 2 x (2) ( ) I ( )

13、zsin c ( kTHz z2 ) . (5)式 中 kTHz = k - Pvg 是 产 生 的 泰 赫 兹 脉 冲 和 入 射 光 脉 冲 之 间 的 动 量 差 12 . 最 终 产 生 的 泰 赫 兹 脉 冲 应 该 是 空 间 各 点 所 产 生 泰赫 兹 波 的 叠 加 . 如 果 不 存 在 动 量 不 匹 配 ,泰 赫 兹 脉 冲 与 入 射 光 脉 冲 应 该 有 相 同 的 强 度 波 形 . 入 射 光 脉 冲 宽 度 一 般 为 100 飞 秒 左右 ,因 此 ,所 产 生 的 泰 赫 兹 波 的 频 谱 宽 度 一 般 只 有 几 个 泰 赫 兹 . 图 2 所 示

14、 为 一 个 泰 赫 兹 脉 冲 波 形 和 它 的 频 谱 .图 2 (a) 时 域 THz 脉 冲 图 2 (b) THz 脉 冲 付 立 叶 频 谱由 式 (5)可 以 看 出 ,当 介 质 对 泰 赫 兹 波 段 的 折 射 率 等 于 入 射 光 脉 冲 的 折 射 率 时 ,产 生 的 泰 赫 兹 波 强 度 达 到 最 大 值 . 当 两 种波 同 时 在 介 质 中 传 播 距 离 l = c G/ ( nTHz - nopt )时 ,光 脉 冲 超 前 泰 赫 兹 脉 冲 G ,因 此 ,光 脉 冲 在 不 同 位 置 产 生 的 泰 赫 兹 波 相 位也 不 同 ,最 后

15、由 晶 体 发 出 的 泰 赫 兹 波 只 是 晶 体 表 面 产 生 的 泰 赫 兹 波 .用 光 整 流 法 产 生 泰 赫 兹 辐 射 存 在 的 主 要 问 题 是 ,在 晶 体 内 部 光 脉 冲 传 播 速 度 总 是 比 泰 赫 兹 脉 冲 传 播 速 度 快 ,因 此 ,在 很多 非 线 性 晶 体 内 部 很 难 获 得 速 度 匹 配 ,例 如 LiNbO3 . 目 前 ,在 实 验 室 中 ZnTe 晶 体 可 以 获 得 较 好 的 速 度 匹 配 ,但 ZnTe 晶 体 对3. 7 THz13 和 800 nm 的 光 有 很 强 的 吸 收 ; ZnSe 晶 体 中

16、 在 电 子 跃 迁 频 率 附 近 有 较 强 的 色 散 ,因 此 ,ZnSe 晶 体 中 有 较 好 的 速 度 匹配 . 类 似 的 晶 体 还 有 GeSe 和 DAST. 在 这 些 晶 体 中 只 有 对 某 些 特 色 的 泵 浦 光 频 率 和 某 些 特 定 的 泰 赫 兹 频 率 可 以 获 得 速 度 匹 配 .用 周 期 极 化 铌 酸 锂 晶 体 进 行 光 整 流 14 可 产 生 窄 波 段 可 调 谐 泰 赫 兹 辐 射 ,它 的 基 本 原 理 是 用 超 短 光 脉 冲 产 生 宽 带 的 泰 赫兹 辐 射 ,使 周 期 性 极 化 晶 体 的 极 化 周

17、 期 满 足 这 些 宽 带 辐 射 准 相 位 匹 配 条 件 ,如 果 晶 体 极 化 周 期 ld = l ,则 在 晶 体 内 产 生 NP2个 周 期 的 泰 赫 兹 辐 射 , N 是 晶 体 样 品 内 极 化 周 期 的 个 数 ,如 果 晶 体 极 化 周 期 是 严 格 的 周 期 性 的 ,则 产 生 的 泰 赫 兹 辐 射 周 期 可以 达 到 tf = 2 ld ( nTHz - nopt ) / c ,所 产 生 的 泰 赫 兹 的 频 率 可 以 通 过 改 变 晶 体 极 化 周 期 的 长 度 来 调 节 .1. 3 TPO 和 DFG方 法 TPO 和 DF

18、G方 法 原 理 基 本 相 同 ,这 种方 法 是 用 纳 秒 激 光 器 或 连 续 激 光 器 ,用 参 量 振 荡 位 相 匹 配 差频 的 办 法 产 生 泰 赫 兹 辐 射 . 泰 赫 兹 波 段 的 参 量 振 荡 ( TPO) ,类似 于 光 学 参 量 振 荡 (OPO) ,用 重 复 频 率 50 Hz 的 调 Q Nd : YAG激 光 泵 浦 LiNbO3 晶 体 ,实 验 装 置 如 图 3 所 示 ,LiNbO3 晶 体 置 于平 面 镜 M1 ,M2 构 成 的 法 布 里 - 波 罗 腔 内 ,M1 ,M2 可 以 反 射1. 07 m的 闲 频 光 ,使 泵

19、浦 光 通 过 ,泰 赫 兹 波 通 过 阵 列 硅 棱 镜偶 合 出 来 ,输 出 的 泰 赫 兹 波 线 宽 在 100 GHz ,而 调 谐 的 范 围 在kHz 范 围 . TPO 的 优 点 是 实 验 设 计 简 单 ,可 以 室 温 运 行 ,调 谐 范围 从 1 THz - 3 THz. 但 是 TPO 的 腔 必 须 可 旋 转 以 满 足 位 相 偶合 条 件 ,这 会 影 响 了 调 谐 的 速 度 . 目 前 ,在 GaSe 晶 体 中 已 获 得了 连 续 可 调 谐 的 相 干 泰 赫 兹 辐 射 15 . GaSe 在 泰 赫 兹 波 段 吸 收效 率 低 ,转

20、换 效 率 高 ,可 以 获 得 较 大 的 功 率 输 出 ,这 种 方 法 产生 的 泰 赫 兹 辐 射 ,由 GaSe 的 能 带 所 决 定 ,目 前 限 制 在 0. 185. 27 THz 范 围 内 .图 3 1 064 nm 泵 浦 LiNbO3 泰 赫 兹 参 量 振 荡 实 验 原 理84 山 东 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 21 卷2 结 论目 前 ,关 于 泰 赫 兹 辐 射 的 研 究 基 本 上 限 于 实 验 室 阶 段 ,研 究 的 方 向 不 外 乎 以 下 几 个 方 面 : 增 加 输 出 功 率 , 扩 展 光 谱 范围 , 输

21、 出 光 谱 的 可 调 谐 性 . 前 面 介 绍 的 几 种 方 法 各 有 优 劣 . 光 整 流 法 产 生 泰 赫 兹 辐 射 具 有 较 高 的 时 间 分 辨 率 ,较 宽 的 波 谱 范围 ,波 形 可 以 合 成 ,而 且 试 验 调 整 简 单 ,但 是 很 难 获 得 相 位 匹 配 ,输 出 功 率 有 限 ,而 且 需 要 飞 秒 激 光 器 ,其 价 格 昂 贵 ;用 差 额 法产 生 泰 赫 兹 辐 射 可 以 产 生 较 窄 的 输 出 线 宽 ,可 以 实 现 连 续 输 出 ,而 且 只 需 要 纳 秒 激 光 器 ,但 调 整 困 难 ,并 且 需 要 两

22、 台 激 光 器 ;参 量 振 荡 法 可 以 实 现 频 率 调 谐 ,但 输 出 功 率 有 限 . 理 想 的 泰 赫 兹 源 应 该 具 有 小 型 化 ,宽 调 谐 范 围 ,易 调 整 ,输 出 稳 定 等 特 点 . 另外 ,基 于 能 级 间 跃 迁 的 相 干 泰 赫 兹 辐 射 还 没 有 研 制 出 来 ,在 这 领 域 还 有 很 多 工 作 要 做 .3 参 考 文 献 1 Carr GL ,Martin M C ,McKinney W R ,et al. High2power terahertz radiation from relativistic electro

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