本文簡(jiǎn)單介紹了三種太赫茲波的產(chǎn)生方式。

太赫茲波（THz）是一種電磁波，在電磁波譜上位于紅外與微波之間。太赫茲光子能量在1-10 meV范圍之間，在光譜分析、醫(yī)療成像、移動(dòng)通信方面都有非常廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。THz產(chǎn)生通常基于瞬態(tài)電流輻射，本文將介紹3種常見的THz產(chǎn)生方式。

第一種方式為光整流。光整流效應(yīng)類似于差頻，其原理如圖1所示，若脈沖自差頻的頻率落在THz范圍內(nèi)，則可產(chǎn)生不同頻率的THz。典型的飛秒激光脈寬在10 fs - 10 ps，其對(duì)應(yīng)的頻譜內(nèi)的頻率差剛好覆蓋0.1 - 100 THz。光整流可選擇的晶體分為有機(jī)晶體及無(wú)機(jī)晶體兩大類，無(wú)機(jī)晶體相位匹配帶寬窄，但是損傷閾值高，目前取得的研究結(jié)果功率集中在100 mW - 1 W，小于5 THz這個(gè)范圍；而有機(jī)晶體帶寬寬，損傷閾值低，其功率在1 - 10 mW，但產(chǎn)生的THz頻率可以覆蓋到10 THz。

圖1 差頻產(chǎn)生THz原理［1］

選擇晶體時(shí)，較大的非線性系數(shù)、較厚的晶體、較低的太赫茲吸收系數(shù)以及適當(dāng)?shù)?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/4854/" target="_blank">光學(xué)和太赫茲頻率折射率有助于提高THz產(chǎn)生效率。但是實(shí)際材料往往難以滿足上述所有條件，圖2列舉了6種晶體的相位匹配情況。GAP吸收系數(shù)小，損傷閾值高，但是非線性系數(shù)小，效率僅為0.001%；LiNbO?可以做到比較高的效率，但是需要波前傾斜，實(shí)際裝置需要配合光柵等復(fù)雜度比較高；有機(jī)晶體非線性系數(shù)大，如BNA，效率可達(dá)0.1%，但是對(duì)溫度敏感，損傷閾值低，承受功率一般小于2 W［2］。

圖2 6種不同晶體激發(fā)THz時(shí)相位匹配條件［3］

第二種常用的產(chǎn)生THz的方式是光導(dǎo)天線，工作原理如圖3所示。其基本結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體襯底上加工兩個(gè)金屬電極，當(dāng)飛秒激光照射到電極之間的襯底材料時(shí)，半導(dǎo)體表面產(chǎn)生瞬態(tài)光生載流子，這些載流子在外加偏置電場(chǎng)作用下形成瞬態(tài)光電流，輻射太赫茲電磁波脈沖。較大的偏置電壓、交叉電極陣列的方式可以增強(qiáng)該方式的THz產(chǎn)生效率（如圖3）。

圖3 光導(dǎo)天線產(chǎn)生THz原理

第三種產(chǎn)生THz的方式是激光產(chǎn)生等離子體。其最大的優(yōu)勢(shì)是不受介質(zhì)損傷閾值的限制，可借助高功率激光來(lái)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)太赫茲輻射。1993 年，Hamster 等人用TW級(jí)的高功率激光使氣體電離產(chǎn)生等離子體，從而輻射太赫茲波。2000 年，雙色場(chǎng)理論的提出大大提高了太赫茲波的輻射效率。進(jìn)一步研究表明，稀有氣體中太赫茲產(chǎn)生效率更高，可達(dá)到到 。

激光與等離子體相互作用的太赫茲輻射源可根據(jù)產(chǎn)生等離子體的物質(zhì)狀態(tài)來(lái)區(qū)分，主要包括固態(tài)、液體、氣體。等離子體產(chǎn)生THz強(qiáng)度和等離子體密度相關(guān)，其中氣體等離子體密度最弱，目前輻射THz能量最高為0.185 mJ；固體產(chǎn)生等離子體密度最強(qiáng)，研究人員用60 J 的超強(qiáng)激光泵浦金屬薄膜，獲得了55 mJ的太赫茲。但強(qiáng)激光照射會(huì)破壞固體靶體，導(dǎo)致等離子體狀態(tài)不穩(wěn)定，從而阻礙了穩(wěn)定的太赫茲產(chǎn)生。相比之下，氣體靶提供較低的等離子體密度，但氣體可持續(xù)補(bǔ)充，確保了太赫茲輻射的穩(wěn)定性。作為氣體和固體靶的折中，具有更高密度和潛在改善等離子體穩(wěn)定性的液體靶已被研究。目前液體產(chǎn)生太赫茲的能量?jī)H有0.08 mJ，提升液體靶的效率是之后的工作重點(diǎn)。

圖4 不同技術(shù)產(chǎn)生THz結(jié)果［1］

隨著高功率飛秒激光技術(shù)的快速發(fā)展，基于飛秒激光泵浦的太赫茲輸出能量也在逐年提升（如圖4），從單脈沖能量nJ 到μJ 再發(fā)展到目前mJ 量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了6個(gè)數(shù)量級(jí)的跨域，功率也從mW 跨越到W 級(jí)。這些技術(shù)極大促進(jìn)了太赫茲光源的應(yīng)用。

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