（物理学专业论文）gase晶体太赫兹时域光谱及差频产生太赫兹辐射源研究.pdf

围防科学技术大学研究牛院博士学位论文 摘要 太赫兹辐射源和太赫兹时域光谱，是太赫兹技术研究领域的两个重要方向。 本文搭建了一套太赫兹时域光谱系统，结合密度泛函微扰理论研究了g a s e 晶体的 吸收光谱，并在g a s e 晶体中光学差频产生窄带可调谐的太赫兹辐射。主要研究内 容包括： 1 、搭建了一套太赫兹时域光谱系统。通过实验比较飞秒激光产生太赫兹辐射的 多种方法，建立了一套基于z n t e ( 1 1 0 ) 晶体光整流产生和电光采样探测的 太赫兹时域光谱系统，用l m m 厚的z n t e 晶体产生和探测太赫兹辐射，通 过几何优化，系统的信噪比大于1 0 0 0 ，光谱范围为o 1 2 5 t h z ，光谱分辨 率5 0 g h z ，为研究样品在太赫兹波段的光学性质提供了一个很好的平台。 2 、实验验证了太赫兹时域光谱系统的优化方案。通过求解非线性耦合波方程分 析了太赫兹辐射的波形，比较了群速失配对发射晶体和探测晶体的不同影 响，在实验上验证用l m m 厚z n t e 晶体产生太赫兹辐射，3 5 m m 厚z n t e 晶 体探测太赫兹辐射，可以实现谱宽和灵敏度的最优组合。通过噪声分析，提 出了电光采样的平衡正交探测模式，并实验证实在同样的条件下，使用平衡 正交探测模式可以将信噪比提高2 5 倍。 3 、研究了g a s e 晶体在太赫兹波段的吸收结构。实验测量了室温下g a s e 晶体 的傅立叶变换红外吸收光谱，发现g a s e 晶体在剩余射线带两侧存在很多吸 收结构。测量了g a s e 晶体在低温下的太赫兹时域光谱，通过密度泛函微扰 理论计算的声子谱，指认了g a s e 在太赫兹波段的吸收峰，并推断样品中含 有堆叠缺陷。 4 、在g a s e 晶体中差频产生窄线宽可调谐的太赫兹辐射。利用n d ：y a g 激光器 和窄线宽光参量振荡器，在g a s e 晶体中共线相位匹配产生太赫兹辐射。通 过构造长脉冲法，利用热辐射计在稳态的响应度，测量了太赫兹辐射脉冲能 量。用傅立叶变换红外光谱仪的步进扫描功能测量了太赫兹辐射的频率。这 套全固态太赫兹辐射源重复频率1 0 h z ，在o 5 4 7 t h z 范围内可调谐，在3 t h z 频率的峰值功为1 7 3 w ，谱线宽度小于0 3 c m ，可用于太赫兹辐射高分辨 光谱研究。 5 、和本文相关的其它研究。在太赫兹时域光谱的基础上，研究了透射式太赫兹 扫描成像。在差频产生窄线宽可调谐的太赫兹辐射的过程中，研制了双波长 光参量振荡器，并且差频产生了可调谐的红外线。 主题词：太赫兹太赫兹光谱太赫兹成像密度泛函理论双声子吸收 差频产生傅立叶变换红外光谱 第i 页 围防科学技术大学研究牛院博士学位论文 a b s t r a c t t - e r a h e r t zs o u r c e sa n dt e r a h e r t zt i m e d o m a i ns p e c t r aa r et w oi m p o r t a n tf i e l d si n t e r a h e r t zt e c h n o l o g ya n da t t r a c tg r e a ti n t e r e s t so fr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s 。胎h a v eb u i l t u pat e r a h e r t zt i m e d o m a i ns p e c t r a ls y s t e ma n du s ei t t oi n v e s t i 。g a t et h ea b s o r p t i o n s p e c t r u mo fg a s ec r y s t a l se o m b i n e dw i t ht h e c a l c u l a t i o no fd e n s i t y - f u n c t i o n a l p e r t u r b a t i o nt h e o r y i na d d i t i o n , w eh a v er e a l i z e dat u n a b l et e r a h e r t zw a v es o u r c ew i t ha n a r r o wl i n e w i d t hb yd i f f e r e n c e f r e q u e n c yg e n e r a t i o ni ng a s ec r y s t a l s 砀em a j o r r e s u l t so ft h i st h e s i sa r eo u t l i n e da sf o l l o w i n g ： l 、w eh a v es e t u pat e r a h e r t zt i m e - d o m a i ns p e c t r a ls y s t e m a f t e re x t e n s i v e e x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o no fm a n yk i n d so ft e r a h e r t zs o u r c e sg e n e r a t e db y f e m t o s e c o n dl a s e r , t h et e r a h e r t zt i m e - d o m a i ns p e c t r a ls y s t e mi sf i n a l l yb a s e do n t h eo p t i c a lr e c t i f i c a t i o na n d e l e c t r o - o p t i cs a m p l i n go fz n l e ( 110 ) c r y s t a lw i m t h e t h i c k n e s so flm m t h eg e o m e t r i c a l l yo p t i m i z e ds y s t e mi sag o o de x p e r i m e n t a l p l a t f o r mf o rt h es t u d yo fo p t i c a lp r o p e r t i e so fm a n ys a m p l e si nt e r a h e r t zr a n g e s w i t has i g n a l t o n o i s er a t i om o r et h a n10 0 0 ，as p e c t r a lr a n g ei n0 1 2 5t h za n da s p e c t r a lr e s o l u t i o na b o u t5 0g h z 2 、w eh a v ev a l i d a t e dt h eo p t i m i z a t i o no ft h et e r a h e r t zt i m e d o m a i ns p e c t r a ls y s t e m f i r s t l y , t e r a h e r t zw a v e f o r m sw e r ea n a l y z e db ys o l v i n gn o n l i n e a r l yc o u p l e dw a v e e q u a t i o n s n l ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo fg r o u p v e l o c i t ym i s m a t c ho nt h ez n t e e m i t t e ra n dt h es e n s o rw a sp o i n t e do u ta n dt h eo p t i m a lb a l a n c eb e t w e e nb a n d w i d t ha n ds e n s i t i v i t yo ft h es y s t e mw a se x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e du s i n g1m m t h i c kz n t ea sa ne m i t t e ra n d3 5n l l nt h i c kz n t ea sas e n s o ns e c o n d l y , t h e b a l a n c e dc r o s s p o l a r i z a t i o nd e t e c t i o nm o d ew a sp r o p o s e db yt h en o i s ea n a l y s i s o ft h es y s t e ma n dt h ei m p r o v e m e n to ft h es i g n a l - t o - n o i s er a t i ow a s e x p e r i m e n t a l l yc o n f i r m e dt o2 5t i m e sh i g h e ri nt h es a m ec o n d i t i o n 3 、w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao fg a s ec r y s t a l si nt h et e r a h e r t z r a n g e a b u n d a n ta b s o r p t i o ns t r u c t u r eb e s i d et h er e s t s t r a h l e nb a n do fg a s e c r y s t a l sw a sf o u n dw h e nt h ef t i ra b s o r p t i o ns p e c t r u mw a sm e a s u r e di nt h e r o o mt e m p e r a t u r e 1 1 1 ea b s o r p t i o np e a k so fg a s ec r y s t a l si nt h et e r a h e r t zr a n g e w e r ea s s i g n e db yt i m e d o m a i ns p e c t r u ma tl o wt e m p e r a t u r e sc o m b i n e dw i t ht h e c a l c u l a t i o no fd e n s i t y - f u n c t i o n a lp e r t u r b a t i o nt h e o r ya n dt h es t a c kf a u l t si nt h e g a s es a m p l ew e r ep r e d i c t e d 4 、w bh a v ed e m o n s t r a t e dt h et u n a b l e n a r r o wl i n e w i d t ht e r a h e r t zs o u r c eb a s e do n d i f f e r e n c ef r e q u e n c ym i x i n gi ng a s e e m p l o y i n ga nn d ：y a gl a s e ra n dan a r r o w l i n e w i d t ho p o , t h et u n a b l et e r a h e r t zr a d i a t i o nw a sr e a l i z e db ye o l l i n e a r p h a s e m a t c h i n g t h ea b s o l u t ep u l s ee n e r g yw a sm e a s u r e dw i t hab o l o m e t e r a c c o r d i n gt o i t sr e s p o n s et ot h es t a b l er a d i a t i o nb yc o n s t r u c t i n go fal o n g 第i i i 页 同防科学技术大学研究牛院博士学位论文 t e r a h e r t zp u l s ef r o mi t ss i n g l er e s p o n s et oan a n o s e c o n dt e r a h e r t zp u l s e t h e f r e q u e n c yo ft e r a h e r t zr a d i a t i o ni sm e a s u r e dw i t haf t i ru s i n gt h es t e p s c a n f u n c t i o n t h ea 1 1 s o l i dt e r a h e r t zs o u r c ep r o d u c e s1 7 3w p e a kp o w e r a t3 0 7t h z a tar e p e t i t i o no f10h zi nt h et u n a b l er a n g eo f0 5 4 7t h zw i t hal i n e - w i d t hl e s s t h a n0 3c m a n dh a sap o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nh i g h r e s o l u t i o n s p e c t r a l i n v e s t i g a t i o n s 5 、w ba l s oc a r r i e do u ts o m ew o r kr e l a t e dt ot h i st h e s i s t h et r a n s m i s s i o ns c a n t e r a h e r t zi m a g i n gw a si n t r o d u c e df o l l o w i n gt h et e r a h e r t zt i m e - d o m a i ns p e c t r u m t h ed u a l w a v e l e n g t ho p ow a sd e v e l o p e da n dt h et u n a b l em i d i n f r a r e dr a d i a t i o n w a so b t a i n e di nt h eg a s eb e f o r et h et e r a h e r t zs o u r c ew a sr e a l i z e d k e y w o r d s ：t e r a h e r t zt e r a h e r t z s p e c t r u m t e r a h e r t z i m a g i n g d e n s i t y - f u n c t i o n a lt h e o r y s e c o n d - o r d e rp h o n o n a b s o r p t i o n d i f f e r e n c e f r e q u e n c yg e n e r a t i o n f t ir 第i v 页 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图目录 太赫兹波在电磁波谱中的位置1 光电导天线产生太赫兹辐射示意图一18 光电导天线中光电流密度以及太赫兹辐射随时间的变化一1 9 大孔径光电导天线产生太赫兹辐射示意图1 9 t p s1 0 0 0 系统光路图和光电导天线结构2 1 l t g a a s 光电导天线产生和探测的太赫兹辐射波形和频谱2 1 s i g a a s 大孔径光电导天线产生的太赫兹辐射波形和频谱2 2 光整流产生太赫兹辐射示意图2 3 用电光晶体产生和探测太赫兹辐射的时域光谱系统= = 2 4 g a s e 和z n t e 晶体光整流产生的太赫兹辐射频谱2 5 半导体表面产生及探测太赫兹辐射的光学几何关系2 6 半导体表面漂移电流方向示意图2 8 半导体表面扩散电流方向示意图2 9 s i g a a s 大孔径光电导天线和表面电场产生的太赫兹辐射频谱3 0 太赫兹辐射干涉仪光路图3l 太赫兹辐射干涉波形和频谱31 太赫兹时域光谱实验光路图及实物图3 5 太赫兹时域光谱系统控制界面3 6 z n t e ( 110 ) 晶面示意图3 7 太赫兹辐射随z n t e 晶体 0 0 1 】晶轴取向的变化3 7 太赫兹辐射随5 0 m m 透镜位置的变化3 8 太赫兹辐射随泵浦光功率的变化3 8 电光采样的主轴坐标系变换关系3 9 太赫兹辐射随探测光强的变化4 0 太赫兹辐射随泵浦光偏振方向的变化一4 1 空气中测量的太赫兹辐射波形和频谱4 1 空气中和真空中测量的太赫兹辐射波形和频谱4 2 太赫兹辐射波形实验数据和理论计算结果4 6 太赫兹辐射主脉冲和各个反射峰的频谱4 7 太赫兹辐射第二个反射波的波形和频谱分解4 8 太赫兹辐射主脉冲实验数据和理论计算结果4 9 z n t e 晶体厚度对太赫兹时域光谱系统的影响一4 9 第v 页 罔防科学技术大学研究牛院博士学位论文 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 b o l o m e t e r 对光整流产生太赫兹辐射的响应5 0 透射光强随光学偏置点的变化5 1 平衡探测模式和正交探测模式示意图5 2 太赫兹辐射调制深度随光学偏置的变化5 4 不同探测模式下的太赫兹辐射测量结果5 5 太赫兹辐射透过样品示意图5 8 误差函数图6 0 石英晶体非常太赫兹辐射的波形和频谱。6 2 石英晶体非常太赫兹辐射的信号分析过程6 2 石英晶体非常太赫兹辐射和寻常太赫兹辐射的光学常数。6 3 石英晶体太赫兹辐射真零级半波片的厚度和频率的关系6 4 太赫兹成像模式示意图6 4 太赫兹辐射焦斑大小和频率的关系一6 5 针孔的太赫兹扫描成像结果6 5 印刷汉字和树叶的太赫兹扫描成像结果6 6 g a s e 的单胞和第一布里渊区。7 7 g a s e 晶体晶格常数在静压力下的演化路线7 9 g a s e 晶体的m u m a g h a n 状态方程8 0 g a s e 晶体的能带结构和态密度8 1 g a s e 晶体的声子谱和声子态密度8 3 g a s e 晶体的拉曼光谱8 4 g a s e 晶体在太赫兹波段的刚性振动模式8 4 g a s e 晶体的红外吸收光谱8 5 g a s e 晶体的t d s 光谱和f t i r 光谱的比较8 6 g a s e 晶体介电函数的实部和虚部8 7 g a s e 晶体在不同温度下吸收系数和折射率随频率的变化8 8 g a s e 晶体在2 4 3 t h z 的双声子吸收系数随温度的变化8 9 光学差频产生过程中三波相互作用框图和能级图9 3 5 3 2b i n 泵浦k t p 晶体的两种i i 类匹配调谐曲线9 6 双波长正交偏振o p o 光路示意图和实物照片9 7 双波长o p o 的输出波长和线宽9 7 双波长o p o 输出能量和泵浦激光能量的关系9 8 双波长o p o 输出的光斑形状9 9 单纵模n d ：y a g 激光器光路图1 0 0 窄线宽o p o 光路图1 0 0 第v i 页 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 图6 9 图6 1 0 图6 1 l 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 1 图6 2 2 图6 图6 图6 图6 2 3 2 4 2 5 2 6 g a s e 晶体羞频产生红外线的匹配外角随o p o 波长的变化1 0 2 差频产生可调谐红外线实验装置图1 0 3 差频产生1 2 6 i x r n 红外线的测量结果1 0 3 匹配外角和中红外波长随o p o 输出波长的变化1 0 4 差频产生红外线的脉冲能量随波长的变化1 0 4 差频产生太赫兹辐射的相位匹配外角随o p o 输出波长的变化1 0 6 g a s e 晶体差频产生太赫兹辐射的走离角和容限角1 0 7 b o l o m e t e r 工作原理示意图1 0 7 差频产生窄线宽可调谐太赫兹辐射实验光路图。1 0 9 b o l o m e t e r 对纳秒太赫兹辐射脉冲的典型响应1 1 0 用构造长脉冲法测量的太赫兹辐射峰值功率1 1 0 滤波片和空气在太赫兹波段的透过率1 11 不同厚度g a s e 晶体差频产生的太赫兹辐射峰值功率1 1l 不同厚度g a s e 晶体产生的太赫兹辐射脉冲峰值功率随频率的变化1 1 2 f t i r 步进扫描测量的不同频率的太赫兹辐射频谱1 1 3 频率为3 0 7 t h z 的太赫兹辐射的谱线宽度1 1 4 太赫兹辐射的相位匹配角和波长调谐曲线。1 1 4 f t i r 步进扫描测量的太赫兹辐射调谐范围1 1 4 第v i i 页 同防科学技术大学研究牛院博士学位论文 表目录 表2 1 超快光导材料的性质1 7 表2 2 表面产生太赫兹辐射典型半导体的性质2 7 表4 1 石英晶体的基本晶格振动频率6 3 表5 1g a s c 晶体的晶格参数7 8 表5 2g a s e 晶体平衡位置附近的力学参数7 9 表5 3g a s e 晶体在不同静压力下原子位置的变化8 0 表5 4g a s e 晶体r 点的振动频率8 3 第m 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：鱼垒曼曼量篮太楚兹盟垫左道器羞频芒生态赫兹揭盟塑盟壅 学位论文作者签名：趑互聋! l 日期： 细g 年，2 月轳日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 鱼垒墨曼晶篮态赫兹吐缝当遭丞羞麴庄生太筮兹揎射婆婴究 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 猛挞l 盈耋 日期：如g 年i4 月伊 日期：加d 缉，2 月中日 望墼坠兰堡垒查茎塑垒兰坠矍圭茎些堡圣 第一章绪论 如图11 所示，存毫米波和红外光之间有一块尚未被充分利用的频谱资源， 被称为太赫兹空白。太赫兹是频率的单位1 t h z = 1 0 ”h z 。太赫兹辐射是指中心 剿率在太赫兹空白的电磁辐射。在室温f ，k r = 6 t h z ，可见太赫兹辐射的光 子能量与室温下的热噪声相当。太赫兹空白正好处在经典世界和量子世界的过渡 区。目前，学术界倾向于将太赫兹辐射的频带定义为01 i o t h z 之间，而日鼓励 他用t 射线来代替太赫兹辐射的称谓( t 射线一词由儿尔实验室创造，用来指太 赫兹辐射脉冲成像) 。因此，太赫兹辐射在低频区和毫米波有重叠，在高频区和红 外线有重叠。在历史上，由于缺乏能够在室温下工作的高功率源和灵敏的探测器， 太赫兹辐射主要被天文学家和化学家用来表征简单分子的振转动。 葺) d 额车 1 0 g i i z 】0 0 0 h zl t h z1 0 t h z0 0 r h 2 圈i1 太赫投波在电磁波谱中的位置 产生相干太赫兹辐射的方法之一是通过非线性过程进行频率转换包括电子 学频率上转换和光学频率下转换。随着檄光技术和晶体生k 工艺的不断发展，已 经可以差频产生窄带宽调谐的太赫兹辐射。 另一种产生太赫弦辐射的方法来源于赫兹发展的古老技术。根据麦克斯韦方 程，电荷的瞬对极化或电涌可以辐射出电磁脉冲。如果极化脉冲很短，辐射的电 磁频谱就很宽，而日峰值频率与脉冲的宽度成反比。随者飞秒激光的出现t 使用 相同的技术。可以得到更高的频率。 高功率( 相对于黑体辐射) 太赫兹辐射的出现为许多物理研究和商业应用 提供了可能性。来自于半导体、医药、材料、航天、国防等领域的研究兴趣，使 太赫兹技术成为最具吸引力的前沿学科之一。 本章回顾了太赫兹技术发展的历史及现状，介绍了本文铆f 究的主要内容。 1 1 太赫兹技术的研究历史和现状 由于缺乏高功率的太赫兹辐射源和灵敏的探测器，人们对于太赫兹波段的研 究- 小常有限。1 9 9 0 年代飞秒激光韵出现，能够存实验室产生出信噪比很高的太赫 兹辐射，掀起了太赫兹技术研究的热潮。太赫兹辐射存材料检测、功能成像等方 第】负 同防科学技术大学研究牛院博士学位论文 面显示出巨大的应刚潜力，引起各国政府和科研机构的高度重视。本节从太赫兹 辐射的产生和探测入手，介绍了太赫兹技术的发展过程及研究进展。 1 1 1 太赫兹辐射产生技术的发展 近年来，激光短脉冲产生技术取得了显著的进展，性能优异的飞秒激光器现 在可以商业获得。同时，半导体工业的发展可以制备出超快光电导( p c ) 薄膜， 晶体生长工艺逐步完善，能够生产出质量稳定的非线性晶体。这使人们可以利用 飞秒激光从光电导天线、非线性晶体以及半导体表面产生太赫兹辐射。这些技术 上的进步，直接推动了太赫兹技术的蓬勃发展。 一、光电导天线产生太赫兹辐射 a u s t o n 1 】和l e e 2 】开创的光电导开关奠定了利用光电导天线产生太赫兹辐射的 基础，因此光电导开关又被称为a u s t o n 开关。1 9 7 0 年代中期，他们用锁模钕玻璃 激光器输出的皮秒脉冲和高阻硅【l 】或铬掺杂的半绝缘g a a s ( s i g a a s ) 【2 】来做开关。 1 9 8 0 年，a u s t o n 等人【3 】用熔融硅衬底上的非晶硅薄膜和传输线结构演示了一种采 样技术。1 9 8 1 年，s m i t h l 4 1 等人将蓝宝石上辐射损伤的硅( r d s o s ) 用作光电导 薄膜，载流子的寿命可以通过粒子辐照剂量来控制。在以后的十几年内，r d s o s 经常被用作快速响应的光电导天线。1 9 8 4 年，a u s t o n ，c h e u n g 和s m i t h t s 能够发射 约1 6 p s 的电磁脉冲，并在自由传播后相干测量。他们将两个光电导开关对称的放 在一块介质的两个表面，辐射源是光电导开关中的瞬时电流，相干探测通过对重 复入射的电磁脉冲进行采样实现。这个实验标志着太赫兹光电子学的开始。1 9 8 8 年，s m i t h ，a u s t o n 和n u s s 6 】使用r d s o s 光电导薄膜上的偶极天线，观察到从 1 0 0 g h z 到1 t h z 的电磁辐射。这是第一次报道电磁脉冲中含有太赫兹频率的文章。 1 9 8 9 年，v a ne x t e r ，f a t t i n g e r 和g r i s c h k o w s y t 7 】用带有平面传输线的偶极天线来匹 配产生的电磁脉冲的传播模式，发射和接受的光电导天线都带有一个硅透镜，并 且使用了离轴抛物面镜。他们不仅测量到太赫兹频率成分，而且指出这套系统可 以用作光谱研究的工具。这篇文章标志着太赫兹时域光谱技术( t d s ) 的出王见【引。 1 9 9 0 年代初，随着钛宝石飞秒激光器的商业化，之前只在a t & tb e l l 实验室 和i b m 的t j w a t s o n 研究中心进行的太赫兹光电子学研究开始扩展到全世界。于 此同时，分子束外延( m b e ) 生长的低温g a a s ( l t - g a a s ) 薄膜开始使用。l t - g a a s 的载流子寿命可以在m b e 生长过程中通过基底的温度加以控制。l t - g a a s 是目前 已知的载流子寿命最短的材料，同时具有相对较高的迁移率。从此以后，用金属 气相沉积的方法在l t - g a a s 基底上微加工成的赫兹天线，经常被用作1 0 0 f s 激光泵 浦的太赫兹辐射源和太赫兹辐射探测器。丹麦k c i d i n g 小组的p e d e r s e n 等人i 州和 j e p s e n 等人【l o 】研究了半导体天线中的载流子输运过程和屏蔽效应。l u d w i g 和 第2 页 同防科学技术大学研究牛院博士学位论文 k u h l i l ，以及u 本s a k a i 小组的t a n i 等人【1 2 1 检验了光电导天线的发射特性。j e p s e n 等人f 1 3 】和r u d d 等人【“】报导了从透镜耦合输出的太赫兹辐射图案。c a i 和b r e n e r 等人f 1 5 1 展示了不同光电导偶极天线的性能。最近，d u v i l l a r e t 等人【1 6 】给出了一种复 杂的光电导天线的分析方法，可以将激光脉冲的影响考虑进来。 1 9 9 0 年前后，a u s t o n 小组的d a r r o w 等人【1 7 】、h u 等人1 8 】和x u 等人【1 9 】用结构 简单的大孔径p c 天线和大孔径硅p i n 二极管来产生太赫兹辐射脉冲。随后，d a r r o w 等人【2 0 1 以及t a y l o r 小组的b e n i c e w i c z 等人【2 l 】、r o d r i g u e z 等人【2 2 ，2 3 】给出和实验结果 一致的理论分析。1 9 9 3 年，y o u 等人【2 4 】用大孔径光导天线产生了重复频率1 0 h z ， 脉冲宽度小于5 0 0 f s ，脉冲能量高达8 0 0 r d 的太赫兹辐射。这是迄今为止，用光电 导天线产生的功率最高的太赫兹辐射。 二、光整流产生太赫兹辐射 早在1 9 7 0 年代初，y a n g 、r i c h a r d s 和沈元壤【2 5 】用2 p s 的锁模钕玻璃激光器在 l m m 厚的l i n b 0 3 晶体中通过光整流( o r ) 产生出远红外辐射。1 9 8 3 年，a u s t o n 2 6 预言，当超短光脉冲在非线性晶体中聚焦时，光整流产生的二阶非线性极化电荷 以光脉冲的速度在晶体中前进，将会产生电光c h e r e n k o v 辐射。之后不久，用飞秒 激光在l i t a 0 3 晶体中观察到宽谱带的电光c h e r e n k o v 2 7 1 。1 9 8 9 年，a u s t o n 小组的 h u 等人【2 8 】将电光c h e r e n k o v 辐射从晶体中引到自由空间，可以产生准直的太赫兹 辐射。1 9 9 5 年a u s t o n 小组的n a h a t a 等人【2 9 】在z n t e 晶体中通过光整流产生了太赫 兹辐射，并且利用自由空间电光采样( e o s ) 的探测方法建立了宽谱带的太赫兹 t d s 系统【3 0 】。 三、半导体表面产生太赫兹辐射 1 9 9 0 年，张希成等人【3 l 】从半导体表面产生太赫兹辐射。他们认为是垂直于半 导体表面的瞬时电流辐射出电磁脉冲。h u 等人【3 2 】研究了不同温度下几种半导体的 辐射特性。c h u a n g 等人【3 3 】用两能带半导体模型指出半导体表面耗尽电场产生的太 赫兹辐射来源于电场诱导的光整流，因此太赫兹辐射的强度跟晶体的取向有关。 g r e e n e 等人【3 4 】和张希成等人【3 5 】后来观察到了太赫兹辐射与晶体取向之间的依赖关 系。现在，一般认为半导体表面辐射的太赫兹辐射来源于垂直于表面的电涌【3 6 j 或 ( 和) 半导体中的二阶非线性过程【3 7 1 。与电压偏置的光导天线相比，半导体表面 产生的太赫兹辐射强度较小。但是，在1 9 9 3 年，张希成等人【3 8 】发现i n a s 表面是 高效率的太赫兹辐射源，外加磁场可以进一步提高转化效率。s a r u k u r a 等人【3 9 】将 i n a s 晶体置于l t 的磁场强度下，用1 w 的飞秒激光可以产生5 0g w 的太赫兹辐射 脉冲。之后，i n a s 表面被认为是简单高效的太赫兹辐射源，被用在t d s 和太赫兹 辐射脉冲成像( t p i ) 中。 四、半导体中太赫兹辐射的相干控制 第3 页 同防科学技术大学研究牛院博士学位论文 1 9 9 5 年，h u 等人【4 u j 用l o f s 的时间分辨观察到了电压偏置下的g a a s 晶体中载 流子输运的四个不同的阶段：电子空穴对的瞬时极化、载流子弹道输运、电子速 度过冲、以及稳态漂移。在载流子散射过程之前，通过双色场的量子干涉，有可 能实现太赫兹辐射的相干控制。1 9 9 5 年，k h u r g i n t 4 l 】在二能带模型的基础上，给出 了在半导体中通过双色场的四波光整流效应产生太赫兹辐射的理论分析。1 9 9 7 年， 加拿大的v a nd r i e l 小组【4 2 】用光参量产生器输出的1 7 5 f s 的1 5 5 0 n m 的激光，经过 b b o 晶体倍频后，共同作用在g a a s ( 1 0 0 ) 上，通过改变两束光的相对相位，实 现了光电流的相干控制。最近，他们在硅和锗中观察到了太赫兹辐射的相干控制 1 4 引。他们认为，对不具有中心反演对称性的半导体，价带的电子可以吸收一个倍 频光子跃迁到导带，也可以通过基频光的双光子吸收到达同一个末态，两条吸收 路径之间的量子干涉形成载流子的宏观移动，辐射太赫兹辐射【4 3 1 。 五、空气电离产生太赫兹辐射 近年来，利用气体介质产生高强度太赫兹辐射的研究引起了人们极大的兴趣 【柞5 3 1 。1 9 9 3 年，h a m s t e r 等人【删将1 0 0 k 的强激光( 峰值功率1 0 1 2 w ) 聚焦在气体 靶中，首次观察到有质动力驱动电子形成空间电荷场产生的太赫兹辐射。后来， c o o k 和h o c h s t r a s s e r t 4 5 】用8 0 0 n m 的飞秒激光和4 0 0 n m 的倍频光在空气中产生出太 赫兹辐射，首次用空气中的三阶非线性过程一四波光整流来解释太赫兹辐射产生 机理。x i e 等人【4 6 】进一步验证了空气中产生太赫兹辐射的四波光整流机制。但是， 后来发现，等离子体的形成在太赫兹辐射的产生过程中扮演非常重要的角色【4 m 9 1 。 2 0 0 3 年，l e e m a n s 等人【5 0 】观察到激光加速的电子穿过真空等离子体边界渡越辐射 产生太赫兹辐射。2 0 0 5 年，盛政明等人【5 l 】提出了激光尾场通过线性模式转换可以 产生等离子体振荡频率附近的太赫兹辐射的理论方案。2 0 0 7 年，法国m y s y r o w i e z 小组的a m i c o 等人【5 2 】观察到飞秒激光在空气中成丝产生的前向太赫兹辐射，他们 认为空气电离产生的空间电荷以光速在激光尾场中运动，渡越- - c h e r e n k o v 辐射产 生出太赫兹辐射。最近，通过向等离子体成丝施加1 0 k w c n n 的静电场【53 。，他们将 太赫兹辐射电场幅度提高了3 个数量级。2 0 0 6 年，i c r e p 等人i 删用载波包络相位 ( c e p ) 稳定的8 f s 激光放大器在空气中产生依赖于c e p 的空间电荷分布不对称的 等离子体，产生的太赫兹辐射可以用来探测超短超强激光脉冲的绝对相位。 六、非线性差频产生太赫兹辐射 可调谐激光器和红外非线性晶体的发展，使非线性光学差频产生可调谐太赫 兹辐射成为可能。f a r i e s 及其合作者在1 9 6 9 年报导了第一个光学差频产生太赫兹 辐射的实验【5 4 1 。他们用两台温度调谐的红宝石激光器在l i n b 0 3 晶体和石英晶体中 差频产生从1 2 c m l 到8 1 e n a 1 可调谐的太赫兹辐射。1 9 9 0 年代，利用新型的非线 性光学晶体研制的光参量振荡器( o p o ) 在宽广波长范围内可调谐，成为差频产 第4 页 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 生太赫兹辐射的新一代象浦源。最近，日本的k a w a s e 小组用调q 的n d ：y a g 纳 秒激光器去泵浦l i n b 0 3 晶体，构成太赫兹辐射参量振荡器( t p o ) t ”】。泵浦激光通 过两块m g o ：l i n b 0 3 晶体，同时利用种子注入技术，可得到傅立叶变换极限的太 赫兹辐射线宽，脉冲能量l r d ，调谐范围o 7 2 4 t h z 。n i s h i z a w a 小组用n d ：y a g 三倍频泵浦的o p o 输出光和基频光在g a p 晶体中非共线差频产生太赫兹辐射，调 谐范围0 5 3 t h z ，线宽3 2 g h z ，在1 3 t h z 处峰值功率4 8 0 m w t 矧。美国的d i n g 小组用o p o 输出的闲频光和n d ：y a g 基频光在g a s e 晶体中共线差频产生太赫兹 辐射，调谐范围o 1 8 5 2 7 t h z ，线宽6 g h z ，在1 5 3 t h z 处峰值功率2 0 9 w t j 。该 小组同时在z n g e p 2 中观测到峰值功率1 3 4 w 的太赫兹辐射【5 8 】。最近，美国的d a n i e l c r e e d e n 等人设计出用光纤泵浦z n g e p 2 晶体差频产生高重复频率、高峰值功率的 紧凑型太赫兹辐射涮5 9 】。这套太赫兹辐射源脉冲宽度0 5 n s ，峰值功率4 0 w ，重复 频率为1 0 0 k h z ，平均功率2 m w 。英国圣安德鲁斯大学的d u n n 小组利用激光腔和 t p o