【THz波的产生方法研究的文献综述3500字】

导论THz波的产生方法研究的文献综述作为THz科学与技术的关键，THz电磁辐射波有多种产生方法。虽说近几十年来科研工作者发现了很多的理论和实验室方法来辐射太赫兹波，但可以根据其主要应用特征可以将其分为两种主流类型：宽带脉冲技术和窄频带连续波技术[7]。一、宽带THz产生源宽带太赫兹产生源的辐射原理被认为不同材料受超短激光脉冲激励后辐射出的光子学波。其中，宽带一词是按照这个原理指导下受激辐射出的THz辐射波包含了主流的太赫兹频域。宽频带THz辐射源的具体辐射技术有：PC开关偶极天线技术、光整流技术和半导体薄膜受激处理技术等。（1）激光脉冲激发PC天线。这种方法是实验室产生THz波的常用的方法。本文也是主要采用了此种方法进行模拟仿真。这种方法的原理是利用半导体材料在微观载流子层面上提供的瞬间电流，同时使用外部电子器组成回路，由金属电极连接给PC半导体外加偏压，从而能够作为辐射天线。脉冲激光泵浦半导体材料或超材料所使用光子的能量大于半导体材料的禁带宽度时，例如新兴天线材料——低温砷化镓（LT-GaAs），此种材料具备很高的组电阻率且光生载流子寿命很短。在PC开关材料的半导体性能上，材料中会成对的产生载流子——电子-空穴对，受激发的自由载流子在外加偏压的加速作用下就会辐射出皮秒数量级的THz脉冲[8],其结构示意图如图2所示。随着各种PC半导体材料被实验室制备出来，科研工作者开发了很多适合作PC开关的材料[9]，例如Si、GaAs、GaP、InP:Fe等均是辐射THz电磁波的关键材料[10]。同时，在选择制备PC开关选择作为天线的受激发材料时，主要考虑材料有没有如下优势：1)较高的载流子迁移率、2）超短的载流子寿命、3）较大的材料电导率。此外，天线的物理结构也会影响其辐射出的太赫兹波的各种数值，目前主流的结构有：偶极子结构、光电导传输线、贴片偶极子天线、锥形天线和阵列光导天线等。图1-2光电导偶极天线辐射THz波示意图(2)光整流技术产生THz辐射波。其中主要利用了光学整流效，光学整流效应在模型上是一种非线性效，可以看作电光效应的反效应，利用超短激光泵浦脉冲(脉冲宽度的数量级飞秒量级，例如蓝宝石激光器)和非线性的耦合电光晶体(如ZnTe)，通过二次非线性光频率耦合过程产生太赫兹波段太赫兹波[2]，如图3所示。图1-3光整流产生THz波示意图与超短激光泵浦激光激发PC材料的方法不同的是,光整流技术辐射的THz电磁波的能量是源自激励激光脉冲的能量。光整流的THz辐射效率主要取决于材料的非线性系数和匹配时整流相位的差值。激励激光脉冲的波动光学性质和粒子的性质能够改变THz辐射波的振幅大小、强度数值和频率分布。大量的非线性材料都可以被用作光整流THz波发射辐射THz波,具体包含：有机晶体、半导体和电光晶体等。这种方法辐射而出的THz波频率较高,但能量较小在，用作探测的探测波时具有独特的优势。（3）半导体薄膜辐射THz波。超短脉冲照射半导体产生THz波有两种理论结构模型:一种是利用电场直接产生THz波,另一种是利用电场加速载流子辐射出THz波。这两种理论分别属于宽带半导体薄膜(例如InP,GaAs)和窄带半导体(InAs),半导体薄膜表面场辐射的THz波与非线性效应辐射而出的THz波具有很低的能量相比较表面场产生的THz波,不会因为辐射过程中的高能电磁波对被照射物体或检测探头造成损伤,它的转化效率非常高,甚至都不用构造天线和外加偏置电场。从表面场辐射出的的THz波可以用作探测半导体表面的电磁波,此外，对于研究半导体表面的载流子的半导体光电子学的载流子运输现象是很有帮助的。二、窄带THz辐射源窄频带THz辐射源在很多科研领域和生产领域有很大的应用潜力；例如高分辨率的光谱分析、卫星雷达通讯通信领域等。目前科研工作者的主要研究方向在如下两个方向：一个是物理电子学学方向,就是将电子学的方向向高频延伸,这类方向的研究目标一般就是如何高效率的生产、辐射大功率乃至具备超大功率的THz辐射波,但是频率较低(1THz以下);另一个量子方向,这个方向的主要目标在于研究所产生的THz辐射波的量子效应,这类方法产生的THz波的输出功率不高,但是它的相干性较好,适合用来研究光谱和1THz以上频率的THz辐射波。窄带THz辐射THz波主要采用的实验室方法有：非线性混频激光技术、量子级联激光技术、自由电子激光技术和光参量转换技术等。(1)量子级联激光器:近年发明了一种新型激光器,它在寥寥几年中得到了飞速的发展。传统的半导体激光器是指半导体材料中导带的自由电子和价带中的空穴的湮灭复合受激辐射出电磁波,受激辐射的波长是由半导体材料的能隙来决定的[11]。量子级联激光器在根本的原理上未应用了这一受激辐射理论,它是只有电子层级参与的单极激光器。电子从高的能级状态跃迁到低能级状态,辐射出了光子并且这些光子以激光的形式辐射出来。受激辐射的频率和波长完全取决于两个电子能级状态之间的能量之差,和半导体材料能级间隙没有关系。(2)自由电子激光器。自由电子激光器作为一种上世纪主流的THz辐射发射器,其理论原理为:粒子加速器产生高速电子流,随后这些高速电子流通过偏转磁极射入一个扭转磁场,电子流在洛伦兹力作用下进行加速运动,自发地辐射生成THz电磁波[12]。自由电子激光器生产的电磁波波长和频率随着入射电子流的能量增大而增大,是可以通过调节粒子加速器实现连续可调的。其频率范围非常宽：从远红外直至X射线。自由电子激光器除此之外还有广频谱范围、高峰值功率和较好相干性等特点。自由电子激光子辐射出的THz波的功率比传统使用的PC开关天线高出6个数量级甚至更高，是目前方法中可以获得最高输出功率的THz波的一种。但是他的缺陷也很明显：在要求很高的信噪比的科学实验中自由电子激光器辐射的电磁波能量过高，对于检测期间的损害较大；此外，THz非线性研究中也有着很大的使用市场；自由电子激光器的体积较大、对加速器以来很大,即便在许多国家组织的大型科研项目中，使用起来也是极其不方便。(3)气体激光器。使用二氧化碳激光器激励泵浦一个充满某种气体的低压气体腔、同时选择这种气体独有的发射谱线属性形成受激辐射。常用的激光气体介质有CH4、氧化物、氨气和甲醇等。其原理上的设计思路为采用可调节谐振的二氧化碳气体激光器,通过外部物理稳频装置来选择性地激励气体，导致气体分子从高能级的旋转态跃迁从而辐射出远红外(FIR)的光子粒子。实验室系统为一个全封闭的可调节谐振的CO2激光器作为泵浦源,一个用来参考频率和物理锁定装置以及一个太赫兹辐射气体腔(充有介质气体的低压气体腔)。这种THz辐射源需要超大型气体腔（非个人企业或者实验室能承担）和千瓦级别能量的持续输入,也不能实现频率的动态调节。但是这种方法的优势就是可以得到高达上百毫瓦的THz辐射输出功率并且能够被美国国家航天局用来制作卫星以观测大气气象,应用的前景十分可观。同时它使用高可靠度的密封谐振腔技术来使目标产品的可靠耐用、结构紧凑、操作简便[13]。参考文献ADDINEN.REFLIST司黎明,徐浩阳,董琳,吕昕.2020年太赫兹科学与技术热点回眸[J].科技导报,2021,39(01):201-211.苏晗.电子俘获对光电导型MAPbI_3探测器的响应性能的影响[D].陕西师范大学,2019.袁海峰.新型电子系统的输运及光电特性研究[D].中国科学技术大学,2019.余晴.用于太赫兹光电导天线的全介质超表面准直透镜[D].天津大学,2018.朱宜存.光电导天线产生太赫兹波的理论和实验研究[D].郑州大学,2010.张丽妮.新型绝缘栅型光电导开关的器件设计与优化[D].西安理工大学,2018.白维.基于火花隙的非线性GaAs光电导开关瞬态特性研究[D].西安理工大学,2010.祁森.超高速光电导开关性能表征方法的研究[D].天津大学,2007.X.-C..Three-dimensionalterahertzwaveimaging[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyA:Mathematical,PhysicalandEngineeringSciences,2004,362(1815):283-299.孙侃.应用于产生太赫兹波的光电导开关技术研究[D].西安电子科技大学,2009.李雪.基于非线性晶体产生可调谐太赫兹波的研究[D].北京交通大学,2014.张晗,李永亮,吴起通.太赫兹波的产生与发展[J].激光杂志,2020,41(11):1-5.牛昊.飞秒激光激励气体和液体产生太赫兹过程的建模与仿真[D].昆明理工大学,2020.BradleyFerguson,张希成.太赫兹科学与技术研究回顾[J].物理,2003,32(5):286-292施卫，张显斌，贾婉丽等.用飞秒激光触发GaAs光电导体产生THz电磁波研究[J].半导体物理学报,2004,25(12):1736-1738孙金海,赵国忠,张亮亮等.外加电场和磁场对太赫兹辐射产生的影响[J].中国激光,2005,32(2):192-195ShiWei,XuJingzhou,ZhangXicheng.TerahertzgenerationfromSi3N4coveredphotoconductivedipoleantenna[J].Chin.Opt.Lett.,2003,1(5):308-310JensenK,WeldonJ,GarciaH,ZettlA.Nanotuberadio[J].NanoLetters，2007，7(11)：3508-3511.王玥，吴群，施卫，贺训军，殷景华.基于纳观域碳纳米管的太赫兹波天线研究[J].物理学报200958(2):919-924孙玮，李德昌，姚向卫.基于碳纳米管的纳米光学天线的特性分析[J].电子科技,201023(6):22-28李宏.碳纳米管在纳米集成电路互连线中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2008：19-25黎想.碳纳米管束天线的建模和仿真[D].上海：上海交通大学，2011：19陈金林.应用于THz源的光纤激光器及高性能光电探测器[D].武汉：华中科技大学，2009.唐娜斯,颜晓红,丁建文.管长和管径对单壁碳纳米管电导的影响[J].物理学报,2005,54(1):333-336ShangL,LiuM,TanachutiwatS,WangW.AnalyzingMixedCarbonNanotubeBundles[J].IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems,2008:173-176SobiaImtiaz,MuhammadSiddiq,AyeshaKausar,SedraTulMuntha,JaweriaAmbreen,IramBibi.AR