太赫兹源 terahertz sources

2022-10-25 10:21:49 浏览:168

定义

频率在 0.1 THz 至 10 THz 左右的电磁辐射源。

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。这些频率很难用传统的电子手段产生,这些电子手段只能进入太赫兹区域的下端。因此,已经开发了许多其他种类的太赫兹源,主要是自1990年代以来。太赫兹辐射的更广泛使用不仅来自更强大和更有效的太赫兹源的发展,还来自调制和检测这种辐射的新方案。在许多情况下,光子学在太赫兹辐射的产生,调制和检测中起着至关重要的作用。

某种太赫兹源基本上产生窄带连续波太赫兹辐射,而另一些则产生较短的太赫兹脉冲,其可能具有高峰值功率和相当大的带宽。

有关太赫兹光源的应用,例如在太赫兹光谱、通信和成像中的应用,请参阅有关太赫兹辐射的文章。

微波技术的来源

微波技术为高频振荡器提供了多种选择,例如Gunn二极管、Impatt二极管和谐振隧道二极管。其中一些很久以前就已经进行了优化,可以在高达几太赫兹的特别高的频率下发射。然而,在这种制度下,输出功率和功率转换效率方面的性能通常远低于较低频率下的性能。

获得更高频率的另一种方法是在非线性电子设备中产生谐波。这需要高功率泵源,并且通常提供相当低的输出功率。

通常,这种微波技术源的性能在输出功率和频谱覆盖范围方面是相当适中的。

自由电子激光器和同步加速器

可以构建自由电子激光器以及同步加速器光源,它们在太赫兹光谱区域中发射非常高的功率。它们可用于各种研究目的,但非常大且昂贵。因此,它们对于一般太赫兹技术的用途非常有限。

气体激光器

某些分子气体激光器可以产生太赫兹辐射。(它们有时也被称为远红外激光器。它们利用分子旋转状态之间某些分子(例如甲醇)的跃迁,可以产生很宽范围内的离散频率,通常输出功率为几毫瓦或几十毫瓦。这种气体激光器通常是光学泵浦的,例如CO2激光.例如,有CO2泵浦甲醇激光器,发射频率为2.5 THz。转换效率非常低。

量子级联激光器

量子级联激光器是半导体激光器,最初是为在中红外和远红外光谱区域发射而开发的。针对特别长发射波长的优化导致发射频率只有几太赫兹[8,11,15,18,20],可以在一些有限的范围内进行调整。这种激光器非常紧凑,但需要低温冷却系统。

光电导天线

在光学采样技术领域,已经开发出适用于高频电磁信号生成和检测的光导偶极子天线。这种天线的微型版本也允许在太赫兹区域使用。从本质上讲,发送器天线由两条短金属条纹组成,中间有一个小间隙,由具有短载波寿命的半导体材料制成。对条纹施加直流偏置电压,来自聚焦在金属条纹之间区域的锁模激光器的强烈超短激光脉冲在短时间内产生短路。(半导体间隙用作光导开关。快速的电位变化会引起天线的快速振荡,这反过来又导致太赫兹辐射以很宽的角度发射。

衰变通常非常快,以至于人们获得一个单周期的源,即一个只发射大约一个周期的电磁振荡的源。然后,发射光谱可能大致覆盖八度甚至更多的大部分。例如,这对于光谱学非常有用,因为它允许人们覆盖较大的频率范围,而无需可调源。

为了获得更高的输出功率,具有较大面积的设备已使用叉指电极构建,作为金属 - 半导体 - 金属(MSM)结构的一部分。

光导天线也可以在连续波模式下工作,其中使用两个单频激光二极管(或单个双色激光器[10])进行照射,具有太赫兹频率差。特别是在连续波状态下,光导天线也被称为太赫兹光混频器。它们可以产生光谱上非常纯净的太赫兹辐射,也可以是频率可调的。

通过调制其中一个涉及的光波,可以很容易地调制产生的太赫兹信号。

非线性晶体中的参数相互作用

可以使用两个频率相似的光波的差分频率产生来获得太赫兹辐射。或者,可以有两个频率分量的宽带超短脉冲非线性相互作用。如上所述,这种工艺不仅在光混合器中是可能的,而且在各种非线性晶体材料中也是可能的,并且基本上就像中红外激光源的差频产生一样。

如果仅使用单个输入波束(不是双频源),则该方法称为光学整流。这在相应的百科全书文章中有详细的解释。

与仅涉及光束的非线性频率转换过程相比,基于该技术的太赫兹源通常效率要低得多。其根本原因是太赫兹辐射的光子能量低,远低于光束。此外,太赫兹光束的强发散也存在技术挑战,这是由于波长相对较长造成的,并限制了非线性晶体中可实现的相互作用长度。

气体光学整流

有些令人惊讶的是,飞秒光脉冲的光学整流,导致太赫兹波发射,也可能发生在气体(例如空气)中。在这里,等离子体是由红外光束与其二次谐波的叠加产生的[19]。对于高转换效率,必须对所涉及的波进行仔细的相位控制。与晶体中的光学整流相比,发射带宽通常更高,可以获得更高的脉冲能量。

朗道水平激光器

基于朗道水平激光器的原理,有可能实现可调谐太赫兹激光器[30]。在这里,人们在半导体(例如p掺杂的锗或石墨烯)中使用强磁场,使得电子能级分离成所谓的朗道能级。然而,该技术需要进一步发展,以达到令人满意的性能。

参考文献

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