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太赫兹宽带发射器以及太赫兹辐射的发展前景

嘉峪检测网        2018-09-22 00:10

尽管光电导天线和光电晶体是产生和探测宽带太赫兹辐射使用最广泛的方法,也有其他其中方法已经得以运用。接下来我们就对这些方法做个简短的介绍作为补充。

 

一、空气/激光感应等离子体


强激光脉冲可以电离它们穿过的空气或者气体。该等离子体可以用作产生太赫兹辐射的脉冲。此种方案的优势在于可以使用非常高强度的激光,而不用担心损坏非线性介质。首先在从气体-等离子体中产生太赫兹辐射的演示中,用到可单频率光束。太赫兹辐射由等离子体重电子的质动力加速产生。然而,最近从双色混频的技术中得到了前景良好的结果。在该技术中,太赫兹辐射产生效率高得多。在此方案中,激光脉冲与其二次谐波混合。人们认为由于瞬时激光场产生的库伦壁垒抑制,气体的束缚电子会被遂穿电离快速离子定向瞬时光电流。以类似DCA的方式,这一直接的时变光电流产生大赫兹远场,这是由于电流在飞秒脉冲的时间尺度上产生。

 

二、电子加速器的方法


电子加速器可以产生非常强的太赫兹辐射脉冲,幅度的量级比至今讨论到的台式源要大得多。当相对电子被加速后,它们会产生电赫兹辐射。飞秒脉冲入射到砷化镓表面时灰产生短束电子。这种超短的电极串由加速到相对论速度。那么现在就有两种方法可以产生太赫兹辐射,要么由磁场控制电子串来产生同步加速辐射,要么将电子串对准目标金属,产生韧致辐射。

 

三、光电-丹伯发射器


一般说来,半导体的电子和空穴具有不同的扩散率。如果空间环境不对称,光电子和空穴就会扩散形成非对称的电荷分配,这就是所说的光电-丹伯效应。瞬时电流会沿着非对称的方向,所以瞬时电流会与半导体材料表面垂直,并且产生的远场太赫兹会在表面传播,使得有效收集太赫兹辐射显得极其具有挑战性。然而最近发生,通过在半导体表面进行简单遮蔽,有可能在表面产生瞬时电流,从而可以导致将要发射的远场辐射与半导体表面垂直。

 

太赫兹辐射的发展前景

 

尽管太赫兹时域光谱技术已经是一项成熟的技术,它在全世界范围内仍然在积极的发展中,人们特别有兴趣去改善的两个参数是太赫兹脉冲能量和带宽。飞秒脉冲激光器的特性同时影响太赫兹脉冲的带宽和能量。拥有小到约5fs的极短脉冲的飞秒激光器随着时间的流逝已经成为了应用越来越广的激光器,并且它的输出能量也在与日俱增。由于激光器尺寸逐渐变小及这些系统相对于传统大激光器成本的降低,飞秒光纤激光器在太赫兹领域也引起人们浓厚的兴趣;这些系统如今也可以产生短于100fs的脉冲,重复率高达数十吉赫的脉冲也有可能,加快了数据采集。进一步展望未来,基于半导体材料的垂直外部腔体的表面发射激光的激光器在同时小于飞秒激光的大小与成本方面都具有极大的可能性。

 

另一项重要的提高太赫兹系统性能参数的方法是产生和探测太赫兹辐射的材料,如果用的PCA材料那么重要的参数就是电子重获时间,这可以通过将缺陷引入材料来进行处理,此过程可以在晶体生长过程中完成,或者在生成过程完成会后通过辐射损伤或者温度处理来完成。对于材料和处理方法的研究,提供最快的捕获时间仍是研究中最活跃的领域。改进电子重获时间的另一潜在系统为拥有很高散射率的子能带跃迁系统。另有一个研究着眼与产生太赫兹辐射的新非线性材料:例如:三氟化二乙氨基硫这种有机材料最近就受到了极大的关注。在这种类别下还有很多其他材料,比如,非晶态电光聚合物,高分子半导体和光电晶体高分子盐也是如今研究的重点,这为定做的太赫兹非线性介质提供了极大的可能性。

 

一、连续波太赫兹辐射的产生


到现在为止,已经考虑了宽带太赫兹脉冲的产生和探测,然而还存在其他几种产生连续窄带太赫兹辐射的技术。

 

二、光谱频


光混频在概念上和PCA材料很相似,不同之处在于半导体中激励电子时用到的是两个连续激光器而不是一个带宽飞秒脉冲,该光电混频其在半绝缘砷化镓基板上用低温生长砷化镓材料生成。在这个层面上定义平板式天线结构,用低温生长光电混频器,就要选择波长大约在800nm至850nm之间的连续波以便与材料的带隙匹配。当来自连续波激光器的辐射到达该光电混频器,信号干扰就会产生一个差频信号。

 

太赫兹宽带发射器以及太赫兹辐射的发展前景

 

式中最后一项代表差频调制,频率为ω=|ω_1-ω_2 |.因此,就可以在差拍频率上调制低温生长材料中的光生电流。与连续波激光器不同的是,振荡偶极子可以再频率w上产生辐射。通过调谐其中一个激光器的频率,由光电混频发射的辐射频率可以大范围调谐。

 

在高频末端的调谐范围主要受限于材料的相应时间。产生高频的太赫兹场与感应的光生电流更快的振动对应;典型的工作极限大约为3THz.

对PCA来说,天线结构的设计是一项很重要的主体,已经测试过的几种天线结构,例如,对数螺旋天线,偶极子天线和更多复杂结构的天线。对数螺旋天线主要是为了在频率变化幅度很宽的情况下操作仍然有效,它允许最大调谐,然而偶极天线主要是在高频率的范围被最优化,在此频率下,光电混频器的效率更低些。光电混频器的优势在于宽可调谐性,调谐范围从0.1~3THz,用二极管和纤维技术集成是存在可能的,光电混频器的频率分辨率。这意味着光电混频器在气体光谱学方面更受青睐。这些优势被在微瓦范围之内的低功率抵消了。

 

三、差频产生


差频产生利用了电光晶体中的同类型的二阶非线性。电光晶体主要用于光学整流。如果量电场变量和来自具有不同频率的单色光束,那么介质极化就会在和频与差频上振荡:

太赫兹宽带发射器以及太赫兹辐射的发展前景

差频上的极化振荡是太赫兹辐射的源。因此,通过仔细的相位匹配,太赫兹波在穿过晶体时相位匹配。通常,调整非线性介质的角度以确保相位匹配。差频生成最常用的材料时硒化镓。硒化镓的广泛应用有几个原因:它的电光系数很大,这对太赫兹辐射及光辐射都是透明的。通过红外光域的泵浦光,相位匹配还是可能的,在红外范围存在着如Nd:YAG的强力激光器。差频生成的另一种几何结构时将非线性介质放入共振腔,就如参考文献中的例子一样。在共振腔内,差频生成被集成在光参量振荡器内,差频生成的典型平均可用功率大概在几个微瓦内调谐。

 

四、参量放大


参量放大也已光电晶体的光学非线性为基础,特别是铌酸锂广泛应用于大参量放大,这与差频生成相似。然而,对于参量放大来说,用到的是单入射光束而不是在差频生成中用的两束入射光束,该单束光可以被当作泵来看,它在非线性介质中产生两个波束,信号束的频率受控与相位匹配条件。相位匹配受控于非线性介质中闲频波束与泵浦光共同产生的角度的改变。单独的激光束可以用作产生闲频波束,或者通常使用更多的是闲频共振腔。闲频谐振器保证了强有力的闲频源的存在,这会提高输出效率。这类类型的装置调谐范围通常在1~3THz的频段,峰值功率能够超过3W峰值功率和10uW的平均功率。

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来源:嘉峪检测网