太赫茲定義：

太赫茲波通常指頻率在 0.1～10 THz，或者波長(zhǎng)在 3 mm～30um 的電磁輻射，它處于紅外波與微波之間，在低頻區(qū)與毫米波重疊，在高頻區(qū)與紅外波重疊，如下圖所示，其在電磁波譜的特殊位置決定了它具有非常的輻射特性。1 THz（1×1012Hz）對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為 300um波數(shù)為 33 cm-1，單光子能量為 4.1 meV；在室溫下，熱噪聲 kBT/h ≈ 6THz可見(jiàn)太赫茲輻射的光子能量與室溫下的熱噪聲相當(dāng)。

太赫茲特點(diǎn)：

，低能量，1THz電磁輻射的單光子能量只有4.1meV，不及X射線電磁輻射單光子能量的百萬(wàn)分之一，在醫(yī)學(xué)檢查和無(wú)損檢測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

第二，寬頻譜，脈沖太赫茲輻射的頻譜范圍從幾十GHz到幾十個(gè)THz，許多生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，以及半導(dǎo)體，超導(dǎo)材料等的聲子振動(dòng)能級(jí)都在THz頻段，在光譜分析和物質(zhì)識(shí)別等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

第三，強(qiáng)穿透，大部分非極性材料在THz波段沒(méi)有明顯的吸收，因此THz輻射對(duì)于這些材料有非常強(qiáng)的穿透能力，THz技術(shù)在公共場(chǎng)所進(jìn)行安全檢查方面具有非常強(qiáng)的應(yīng)用前景。

第四，瞬態(tài)性，脈沖THz輻射的典型時(shí)間寬度大約在ps或者亞ps量級(jí)，可以對(duì)材料進(jìn)行超快時(shí)間研究；目前，利用THz時(shí)域光譜技術(shù)，可以得到大于104的強(qiáng)度信噪比，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FTIR技術(shù)。

太赫茲產(chǎn)生：

    隨著超短脈沖激光技術(shù)的飛速發(fā)展，為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了有效且穩(wěn)定的激發(fā)光源，配合半導(dǎo)體技術(shù)的日益完善以及加工工藝的日趨成熟，D.  H.  Auston 和 D. Grischkowsky 等在 20 世紀(jì) 80 年代利用天線輻射原理，設(shè)計(jì)制作了多種結(jié)構(gòu)的偶極子天線，沉積到Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料（GaAs，InP 等）表面上，利用超短飛秒脈沖激光激發(fā)這些半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光生載流子，同時(shí)給天線電極兩端施加一個(gè)偏壓電場(chǎng)，在此作用下半導(dǎo)體材料表面會(huì)形成瞬變光電流，這種隨時(shí)間快速變化的光電流可以向外輻射太赫茲波。1992 年，張希成（X. C. Zhang）等利用光整流作用產(chǎn)生了相干太赫茲輻射，該機(jī)制是利用一束超短激光脈沖入射到一個(gè)非線性介質(zhì)（如 LiNbO3，LiTaO3，ZnTe 等）中，根據(jù)傅里葉變換理論，該光束可以分解成一系列單色光的疊加，這些單色光在非線性介質(zhì)中發(fā)生混合，產(chǎn)生和頻振蕩和差頻振蕩，其中差頻振蕩會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低頻振蕩的時(shí)變電極化場(chǎng)，如果入射激光脈沖的脈沖寬度在亞皮秒量級(jí)，則這個(gè)瞬變的電極化場(chǎng)可以向外輻射太赫茲波。90 年代后期，H. Hamster 等利用超短激光脈沖聚焦空氣形成等離子體向外輻射太赫茲波，吸引了人們的廣泛關(guān)注。21 世紀(jì)初期，M. Kress 等在空氣等離子體產(chǎn)生太赫茲波的基礎(chǔ)上，利用 BBO 晶體誘導(dǎo)激發(fā)四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲輻射，將超快太赫茲輻射源研究推向一個(gè)新高度。以上產(chǎn)生太赫茲輻射的方法都是利用激光光源作為激勵(lì)源產(chǎn)生太赫茲輻射，這些方法產(chǎn)生的太赫茲輻射頻率一般在 1THz 以上，具有一定的頻譜寬度，相干度比較好，但是太赫茲輻射的能量很大程度上依賴于激勵(lì)源的能量，而且轉(zhuǎn)化效率非常低，一般在千分之一以下，因此獲得的太赫茲輻射平均功率比較低，通常在微瓦量級(jí)以下，很大程度上限制了太赫茲波的應(yīng)用。

為了尋求高功率的太赫茲輻射源，科學(xué)家們從電子學(xué)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)制作了一些特殊的電子器件，可以輻射出 mW 量級(jí)以上的低頻（<1THz）連續(xù)太赫茲輻射，在工業(yè)和軍事等領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用前景。20 世紀(jì) 80 年代末期，P.  Guidee 等利用返波振蕩器（BWO）實(shí)現(xiàn)了 850GHz～1THz 的可調(diào)諧太赫茲輻射，平均輻射功率達(dá)到 2mW。2002 年，英國(guó)和意大利科學(xué)家們合作研制出一個(gè)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（THz-QCL），太赫茲輻射功率達(dá)到 2mW。同年，M. C. Martin等利用自由電子激光器（FEL）獲得 1W/cm2的太赫茲輻射功率密度。2003年，M.  Kuntze 等利用回旋管（Gyrotron）獲得了千瓦級(jí)峰值功率的太赫茲連續(xù)輻射。盡管這些電子學(xué)方法可以產(chǎn)生高功率的太赫茲波輻射，但是存在著諸多局限因素，比如設(shè)備體積龐大、成本昂貴、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于維護(hù)等，很大程度上限制了太赫茲技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

太赫茲探測(cè)

    20 世紀(jì) 80 年代，Auston 等利用多種不同結(jié)構(gòu)的偶極天線探測(cè)到脈沖太赫茲信號(hào)，這種方法稱之為光電導(dǎo)采樣（Photoconductive Sampling），它是基于光電導(dǎo)天線發(fā)射機(jī)理的逆過(guò)程發(fā)展起來(lái)的一種脈沖太赫茲探測(cè)技術(shù)。1996 年，張希成等利用自由空間電光采樣技術(shù)（Free-Space-Electro-Optic Sampling）對(duì)太赫茲脈沖信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。相比較光電導(dǎo)采樣技術(shù)，這種方法可以獲得更寬的測(cè)量帶寬，且穩(wěn)定性更高，同時(shí)具有較高的靈敏度，引起了人們的廣泛關(guān)注。無(wú)論是光電導(dǎo)采樣還是自由電光采樣，都是一種間接測(cè)量太赫茲輻射的手段，而在有些情況下，我們需要直接對(duì)太赫茲輻射功率進(jìn)行測(cè)量。1994 年，Richard 等利用測(cè)輻射熱計(jì)（Bolometer）直接探測(cè)連續(xù)太赫茲輻射源的功率。1996 年，  M. I. Dyakonov 等利用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field  Effect  Transistor）實(shí)現(xiàn)了太赫茲輻射能量測(cè)量。2000 年，Komiyama 研究小組利用量子點(diǎn)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了太赫茲單光子探測(cè)。對(duì)于連續(xù)太赫茲輻射的直接測(cè)量，類(lèi)似的探測(cè)器件還有高萊探測(cè)器（Golay  Cell）、熱釋電探測(cè)器、肖特基二極管，量子環(huán)探測(cè)器，以及碳納米管等。

太赫茲應(yīng)用

    太赫茲波在電磁波譜上的位置決定了其具有的輻射性質(zhì)，如較高的輻射頻率、超短脈沖寬度、低輻射光子能量、強(qiáng)穿透特性，以及輻射相干特性等，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。其中，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)和成像技術(shù)構(gòu)成了太赫茲波應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)，運(yùn)用這兩個(gè)技術(shù)手段可在生物醫(yī)學(xué)、無(wú)損檢測(cè)、材料分析，以及安全檢查等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的研究。

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