1、紅外激光有望填補太赫茲波空白    兩種以激光器為基礎的太赫茲波產生方法（一種使用近紅外分布反饋二極管激光器，另一種使用飛秒激光器）有望使太赫茲波在成像、光譜以及通信領域實現更廣泛的應用。在文藝復興時期航海家的海圖中，“terraincognita”一詞用于表示超出已知范疇、尚未有記載的未知陸地。在現代科學中，太赫茲波段是電磁波譜中最后未被完全開發的領域。盡管太赫茲波技術的應用前景毋庸置疑，但它們在工業方面的應用才剛剛開始。最近人們在太赫茲輻射產    兩種以激光器為基礎的太赫茲波產生方法（一種使用近紅外分布反饋二極管激光器

2、，另一種使用飛秒激光器）有望使太赫茲波在成像、光譜以及通信領域實現更廣泛的應用。    在文藝復興時期航海家的海圖中，“terra incognita”一詞用于表示超出已知范疇、尚未有記載的未知陸地。在現代科學中，太赫茲波段是電磁波譜中最后未被完全開發的領域。盡管太赫茲波技術的應用前景毋庸置疑，但它們在工業方面的應用才剛剛開始。最近人們在太赫茲輻射產生方面取得的進展，有望使太赫茲波開辟新的應用領域，特別是在成像、光譜以及通信方面。兩種以激光器為基礎的太赫茲波產生方法，有望最終填補目前的“太赫茲波空白”。    太赫茲波的應用 

3、;   “太赫茲波”的頻率范圍是0.3 10THz，對應的波長為301mm（見圖1）。這個頻段的電磁輻射具有獨特的性質。太赫茲波能夠穿透多種不透明的無定形物質，例如衣物、紙張或者塑料。這是由于太赫茲波的散射不如可見光以及近紅外光那么顯著，而散射的減小則意味著穿透深度的增加。但是，太赫茲輻射能被水分子強烈吸收，特別是液態水的吸收要強于水蒸汽的吸收，因此僅僅一片綠色植物的葉子就可以阻擋住太赫茲波。圖1. 在電磁波譜中，太赫茲輻射位于遠紅外和無線電波之間。它能夠被分子的轉動躍遷吸收，而X射線以及紫外輻射與電子躍遷相耦合，并且紅外輻射與分子振動帶相耦合。  &#

4、160; 過去的幾年里，一些學術界和工業界的研究小組得到了品質優異的太赫茲波圖像，例如藏在棉布后的陶瓷刀片、硬幣的高分辨率三維透視圖以及氣囊的防護罩（見圖2）。1，2，3 然而太赫茲波圖像通常是用“逐像素”掃描的方式生成的，因此總的采集時間至少要幾十分鐘。德國及其他國家正在集中精力開發多像素、實時太赫茲波像機。4 一種潛在的方法是采用“混合”的概念，即使用強電子源照射物體，然后結合相位敏感探測方案來實現三維成像。圖2. 氣囊防護罩的太赫茲波圖像（左圖）與可見光照片（右圖）的對比情況。太赫茲波成像有助于確定撕裂線的凹口深度。    太赫茲波的另一種頗具吸引力的應用是

5、將太赫茲輻射成像及其光譜靈敏的優點相結合，在安防領域大顯身手。許多化合物在0.55THz波段具有獨特的吸收譜線。因此，包裹或信封內隱藏的爆炸物以及違禁藥物不僅可以被精確定位，而且由于這些物品獨特的光譜“指紋”，還能準確識別它們到底是什么。另外，其他有望從太赫茲成像光譜獲益的應用還包括醫藥品的品質控制以及密封包裝內的食品分析。    太赫茲波的另一個潛在應用是通信市場。更快的數據傳輸速率需要更高的載波頻率。當然，這在技術上需要克服一些挑戰，例如目前尚不存在合適的太赫茲波傳輸線，但人們正在設想使用100GHz及以上的自由空間信道（衛星通信，或無線下載高速視頻等“熱點”

6、）。    太赫茲波的產生    由于產生強度高、方向性好的太赫茲光束較為困難，這使太赫茲波技術的廣泛應用受到了限制。太赫茲波頻率對應的熱能等價于3100K的溫度范圍，這將產生兩個重要結果。第一，室溫物體以及有機活體在某種程度上能夠發出太赫茲輻射，這一特性已被用于無源太赫茲波成像（盡管需要復雜的探測器）；第二，有望直接發射太赫茲波的遠紅外量子級聯（QC）二極管激光器必須抵消激光上能級的熱致粒子數分布。因此，量子級聯激光器通常在低溫下工作，并且發射頻率不會低于2THz（盡管已經有室溫量子級聯激光器，但它們的發射頻率通常高達3570THz

7、）。    在太赫茲波譜的低頻端，電子裝置（Schottky或Gunn二極管頻率倍增鏈）輸出的功率水平極具吸引力（在100GHz處輸出功率為1001000mW），但頻率每增加10倍，它們的輸出功率要下降56個數量級。此外，這些裝置幾乎都不能進行頻率調諧。    0.55THz波段被看作是激光技術領域。光電子方法使用飛秒激光器或者輸出近紅外光的可調諧二極管激光器，連同光混頻器、光導開關（或非線性晶體），可以將激光輸出轉化為太赫茲波使用不同的方法，可以得到寬帶太赫茲波或者頻率分辨太赫茲波。    連續波太赫茲

8、輻射    可調諧連續波（CW）太赫茲輻射可以通過所謂的“光混頻”獲得。兩束波長相近的激光入射到專用的天線上，天線通常由嵌入到低溫生長的砷化鎵中的金屬螺旋線構成（見圖3）。天線的核心是成交叉手指結構的光混頻器，雙色激光束就聚焦在光混頻器上。當天線受到光照時，半導體中就會產生自由載子，從而在金屬電極上產生振蕩的光電流。然后天線將光電流轉換為新的太赫茲波，頻率為兩束激光頻率之差。圖3. 嵌入到低溫生長的砷化鎵中的手指狀金屬螺旋線，能夠將兩束激光混頻，以產生連續太赫茲輻射。    用于連續波太赫茲波產生的理想激光源是近紅外分布反饋（DFB）

9、二極管激光器，這主要因為這些激光器能夠在850860nm獲得高功率、窄線寬（由于它們本身的光柵結構）輸出，調諧范圍超過1000GHz并且不存在模跳變現象。通過選擇具有恰當波長差的兩個二極管激光器，可以在02THz或13THz之間獲得連續可調的太赫茲波頻差。    最新的“雙色”二極管激光器采用光纖元件進行光束合并與傳送（見圖4）。使用保偏2×2光纖耦合器能夠實現耐用的“無需干涉”裝置，并且能夠在光混頻器中獲得必要的光束重疊。每個雙色光纖的輸出功率約為60mW，這意味著太赫茲波的功率為501000nW，具體取決于光混頻器的設計以及實際的頻率差別。對于光譜應

10、用而言，這樣的功率水平通常已經夠用，而且光電流輸出的信噪比已經超過了35dB。圖4. 連續太赫茲波裝置使用兩個分布反饋二極管激光器以及光纖元件用于光束合并與傳輸。    DFB激光器的一個顯著優點在于能夠以兆赫茲甚至是亞兆赫茲的精度對激光頻率進行控制。使用低精細度、溫度穩定的法-珀標準具的電子反饋控制DFB激光器的波長，能夠對太赫茲波頻差進行高線性掃描，同時還能將太赫茲波線寬維持在僅僅1.2MHz，對應的時間尺度長達80ms。對太赫茲波頻率精確的計算機化調整，能夠為高分辨率太赫茲波光譜學應用（例如對危險氣體以及生物制劑的定量估計）鋪平道路。  

11、  脈沖太赫茲波輻射    利用飛秒激光可以產生超快寬帶太赫茲輻射。在這種方案中，同樣需要將激光輸出聚焦到半導體天線上，產生的自由載流子隨后被外加或者內部電場加速。這種暫態電流能夠產生寬光譜電磁場。例如：采用近紅外波段100fs的激光脈沖可以獲得45THz的光譜帶寬。不同的天線設計可以在800nm以及電信用1550nm波長處發揮作用。    從激光器的方面考慮，飛秒光纖激光器是一個很好的選擇。摻鉺玻璃光纖構成緊湊可靠的鎖模激光器的基礎。它們能夠在1550nm處發射寬帶脈沖，平均功率超過250mW。二次諧波產生能夠將基頻輻射轉

12、化為775nm的倍頻脈沖。150fs的脈寬以及超過100mW的平均功率與現有的砷化鎵天線相兼容。    脈沖太赫茲波實驗裝置在某些方面類似于常規的泵浦-探測裝置。太赫茲波光束揭示樣品（泵浦）的性質，并且與第二束超短脈沖（探測）一同入射到探測器。改變光束的相對延遲能夠重建太赫茲波的電場，通過傅立葉變換能夠獲得所需的光譜信息。通常，飛秒激光器的輸出光束由分束器分為兩束，其中一束通過龐大的機械延遲線。延遲線通常對聲波噪聲以及復雜的光學準直較為敏感。    一種名為ECOPS（電控光學取樣）的新方法采用兩束相對相位穩定的超快激光脈沖。通過壓電

13、元件對一根光纖振蕩器的長度進行細微調制能夠精確地控制“探測”脈沖掃過太赫茲波脈沖的過程。在此不需要機械延遲線，因為整個太赫茲波裝置是電控的。使用萊斯大學DanMittleman實驗室中的第一臺裝置，研究人員演示了在掃描頻率為幾百赫茲、脈沖延遲為50ps情況下小于100fs的時間抖動。    光電技術的靈活性    特定的實驗目的決定了是選擇脈沖型還是連續型太赫茲輻射。脈沖太赫茲輻射能夠在最短的時間內提供寬帶光譜數據。此外，通過探測脈沖的“回聲”（采用類似于激光雷達或者雷達的方式）可以獲得樣品的深度信息。而連續太赫茲波輻射能夠提供日益增

14、長的頻率分辨率，因此可用于測量較窄的光譜特征。此外，連續太赫茲波輻射使用的激光器同樣要比現有的飛秒激光源價格低廉。    與以往一樣，對于太赫茲波成像、光譜以及通信這些具有巨大潛力的前沿技術，目前人們對它們的期望已經超過了現有的技術可行性。那些基于DFB二極管激光器以及目前學術界和工業界正在進一步研究的飛秒光纖激光器的光電技術，有望為太赫茲波提供更廣闊的應用商機。    參考文獻    1. I.S. Gregory et al., Appl.Phys. Lett. 86, 204104 (2005).    2. T. L