定义
频率约为 0.1 THz 至 10 THz 的电磁辐射。
太赫兹辐射通常被理解为频率范围约为0.1 THz至10 THz的电磁辐射,对应于从3 mm到30 μm的波长。这种频率高于无线电波和微波的频率,但低于红外光的频率。由于波长在0.03毫米至3毫米的范围内,并且通常低于1毫米,太赫兹辐射有时也称为亚毫米辐射。此外,至少太赫兹区域的高频部分也可以称为远红外线。
长期以来,太赫兹辐射在科学和技术中很少使用,主要是因为既没有好的太赫兹源,也没有合适的探测器。因此,这个光谱范围通常被称为太赫兹间隙。这种情况逐渐改变,直到20世纪90年代,对太赫兹波的兴趣强烈增长,越来越多的研究小组从事这一领域。该领域的快速发展主要是由于光子学的进步,光子学为太赫兹波的产生和检测以及调制太赫兹信号创造了各种强大的解决方案。这些进步加强了在太赫兹技术各个领域进一步努力的动机,而快速增长的技术选择也开辟了广泛的应用领域。
太赫兹源
太赫兹辐射有各种来源(发射器);参见关于太赫兹源的文章。有些是基于电子和微波技术,有些则大量使用光子学。
太赫兹探测器
有各种太赫兹辐射探测器;请参阅有关太赫兹探测器的文章。
太赫兹辐射的应用
太赫兹辐射发现了大量的应用范围,并且仍在扩大。在大多数情况下,它们利用太赫兹辐射的一些特殊性质。
成像
太赫兹辐射可以很好地穿透许多材料,如纸张、塑料、纺织品和泡沫。这导致了非破坏性工业质量检查等领域的成像应用。例如,在哥伦比亚号航天飞机在2003年经历了一次可怕的事故后,太赫兹成像已被广泛用于航天飞机,这归因于泡沫材料的隐蔽损坏。另一个应用是飞机乘客的安全检查,即检测隐藏在衣服下面的武器。
介质中太赫兹波的衰减通常比微波更强,因此限制了成像的可能深度。另一方面,较短的波长使更高的空间分辨率成为可能。
通信
太赫兹辐射很难通过电缆传输,但可以通过空气传输,因此适用于自由空间通信。衍射比微波区域弱,因此可以形成没有过大光束直径的准直光束。然而,在各种频率下,空气分子(包括水蒸气)强烈吸收太赫兹波。快速数据传输仍然是可能的,至少在短距离,如几米或有时超过100米。
请注意,可用带宽和潜在数据容量远大于微波系统(如传统WLAN)。另一方面,太赫兹源和探测器的成本仍远高于微波设备。
虽然通过电缆或光纤的直接太赫兹传输受到高损耗的极大限制,但可以通过以光频率差的形式携带太赫兹信号的光纤传输光信号。此后,可以使用一种特殊的光混合器来产生太赫兹辐射,例如通过天线进行辐射。相反,等离子体相位调制器可用于将太赫兹信号转换为光信号。
太赫兹光谱
太赫兹频率可用于各个领域的光谱学,例如超导体的研究,导电材料中的等离子体效应和分子的旋转状态。这是因为材料的许多基本共振都在太赫兹频率区域。
时域光谱是该领域常用的技术。这意味着可以记录传输的脉冲太赫兹波形的时间形状,例如,通过具有可变时间延迟的光学采样。然后用傅里叶变换以数值方式获得频谱。用于此类测量的常用太赫兹源是基于光导天线或非线性晶体中非线性频率转换的脉冲源。
安全方面
与X射线相反,太赫兹波对于材料的电离具有太低的光子能量。非电离辐射不太可能引起癌症和基因突变。
原则上,健康影响可能通过电离和遗传损伤以外的其他影响产生 - 例如,对细胞行为的微妙影响。这种情况与无线电波和毫米波非常相似,其中也存在一些关于“电子烟雾”影响的担忧。到目前为止,广泛的科学调查没有产生任何实质性的理由来预期健康影响,除非是极高强度的。既没有确凿的证据证明有害健康影响,也没有合理的机制在非热强度条件下引起这种影响。然而,很难完全排除千兆赫兹或太赫兹辐射对健康的任何可能影响。
由于缺乏可靠的数据,在可预见的未来,不可能确定科学依据的太赫兹辐射暴露限值。毕竟,这些必须基于已知的损害机制。在这种情况下,常见的方法是仅根据已知效应(例如,高平均功率水平下的热效应)定义暴露限值,或者根据当前相关应用中可以轻松实现的内容定义低得多的限值。
参考文献
[1] D. H. Auston et al., “Cherenkov radiation from femtosecond optical pulses in electro-optic Media”, Phys. Rev. Lett. 53 (16), 1555 (1984), doi:10.1103/PhysRevLett.53.1555
[2] Ch. Fattinger and D. Grischkowsky, “Terahertz beams”, Appl. Phys. Lett. 54 (6), 490 (1989), doi:10.1063/1.100958
[3] D. Grischkowsky et al., “Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors”, J. Opt. Soc. Am. B 7 (10), 2006 (1990), doi:10.1364/JOSAB.7.002006
[4] Y. J. Ding and J. B. Khurgin, “A new scheme for efficient generation of coherent and incoherent submillimeter to THz waves in periodically-poled lithium niobate”, Opt. Commun. 148, 105 (1998), doi:10.1016/S0030-4018(97)00611-1
[5] G. Gallot and D. Grischkowsky, “Electro-optic sampling of terahertz radiation”, J. Opt. Soc. Am. B 16 (8), 1204 (1999), doi:10.1364/JOSAB.16.001204
[6] R. Köhler et al., “Terahertz semiconductor-heterostructure laser”, Nature 417, 156 (2002), doi:10.1038/417156a
[7] H. Han et al., “Terahertz pulse propagation in a plastic photonic crystal fiber”, Appl. Phys. Lett. 80 (15), 2634 (2002), doi:10.1063/1.1468897
[8] J. Hebling et al., “Velocity matching by pulse front tilting for large area THz pulse generation”, Opt. Express 10 (21), 1161 (2002), doi:10.1364/OE.10.001161
[9] Y. J. Ding, “Generation of quasi-single-cycle THz pulses based on broadband phase-matched difference-frequency generation in second-order nonlinear medium: high output powers and conversion efficiencies”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 10, 1171 (2004), doi:10.1109/CLEO.2005.202156
[10] A. Schneider et al., “Generation of terahertz pulses through optical rectification in organic DAST crystals: theory and experiment”, J. Opt. Soc. Am. B 23 (9), 1822 (2006), doi:10.1364/JOSAB.23.001822
[11] S. Hoffmann and M. R. Hofmann, “Generation of Terahertz radiation with two color semiconductor lasers”, Laser & Photon. Rev. 1 (1), 44 (2007), doi:10.1002/lpor.200710004
[12] M. Tonouchi, “Cutting-edge terahertz technology”, Nature Photon. 1 (2), 97 (2007), doi:10.1038/nphoton.2007.3
[13] B. S. Williams, “Terahertz quantum-cascade lasers”, Nature Photon. 1, 517 (2007), doi:10.1038/nphoton.2007.166
[14] J. E. Schaar et al., “Intracavity terahertz-wave generation in a synchronously pumped optical parametric oscillator using quasi-phase-matched GaAs”, Opt. Lett. 32 (10), 1284 (2007), doi:10.1364/OL.32.001284
[15] K. L. Vodopyanov, “Optical THz-wave generation with periodically-inverted GaAs”, Laser & Photonics Reviews 2 (1-2), 11 (2008), doi:10.1002/lpor.200710028
[16] A. G. Stepanov et al., “Generation of 30 μJ single-cycle terahertz pulses at 100 Hz repetition rate by optical rectification”, Opt. Lett. 33 (21), 2497 (2008), doi:10.1364/OL.33.002497
[17] G. Scalari et al., “THz and sub-THz quantum cascade lasers”, Laser & Photon. Rev. 3 (1-2), 45 (2009), doi:10.1002/lpor.200810030
[18] J. Dai and X.-C. Zhang, “Terahertz wave generation from gas plasma using a phase compensator with attosecond phase-control accuracy”, Appl. Phys. Lett. 94, 021117 (2009), doi:10.1063/1.3068501
[19] S. Kumar, “Recent progress in terahertz quantum cascade lasers”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 17 (1), 38 (2011), doi:10.1109/JSTQE.2010.2049735
[20] J. Dai et a l., “Terahertz wave air photonics: terahertz wave generation and detection with laser-induced gas plasma”, IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron. 17 (1), 183 (2011), doi:10.1109/JSTQE.2010.2047007
[21] P. Uhd Jepsen et al., “Terahertz spectroscopy and imaging – modern techniques and applications”, Laser & Photonics Reviews 5 (1), 124 (2011), doi:10.1002/lpor.201000011
[22] M. C. Hoffmann and J. A. Fülöp, “Intense ultrashort terahertz pulses: generation and applications”, J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (8), 083001 (2011), doi:10.1088/0022-3727/44/8/083001
[23] T. Kampfrath et al., “Resonant and nonresonant control over matter and light by intense terahertz transients”, Nature Photon. 7, 680 (2013), doi:10.1038/nphoton.2013.184
[24] U. Welp et al., “Superconducting emitters of THz radiation”, Nature Photon. 7, 702 (2013), doi:10.1038/nphoton.2013.216
[25] M. Clerici et al., “Wavelength scaling of terahertz generation by gas ionization”, Phys. Rev. Lett. 110 (25), 253901 (2013), doi:10.1103/PhysRevLett.110.253901
[26] S. Atakaramians et al., “Terahertz dielectric waveguides”, Advances in Optics and Photonics 5 (2), 169 (2013), doi:10.1364/AOP.5.000169
[27] V. Vicario et al., “Generation of 0.9-mJ THz pulses in DSTMS pumped by a Cr:Mg2SiO4 laser”, Opt. Lett. 39 (23), 6632 (2014), doi:10.1364/OL.39.006632
[28] A. Sell et al., “Phase-locked generation and field-resolved detection of widely tunable terahertz pulses with amplitudes exceeding 100 MV/cm”, Opt. Lett. 33 (23), 2767 (2008), doi:10.1364/OL.33.002767
[29] D. M. Mittleman, “Twenty years of terahertz imaging” (invited), Opt. Express 26 (8), 9417 (2018), doi:10.1364/OE.26.009417
[30] S. Islam et al., “Terahertz optical fibers”, Opt. Express 28 (11), 16089 (2020), doi:10.1364/OE.389999
[31] T. L. Cocker et al., “Nanoscale terahertz scanning probe microscopy”, Nature Photonics 15, 558 (2021), doi:10.1038/s41566-021-00835-6
[32] I. Wilke and S. Sengupta, “Nonlinear Optical Techniques for Terahertz Pulse Generation and Detection – Optical Rectification and Electrooptic Sampling”, chapter 2 in Terahertz Spectroscopy: Principles and Applications, edited by S. L. Dexheimer, Optical Science and Engineering Vol. 131, 41, CRC Press (2007)
[33] D. Mittleman (ed.), Sensing with terahertz radiation, Springer Optical Science 85. Berlin: Springer (2003)