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基于太赫兹辐射产生的理论研究分析【摘要】分别介绍了用光学方法和电子学方法产生THz波的原理，其中重点介绍了光电导产生THz波辐射源的方法。然后，着重分析了利用非线性差频产生THz波的方法，对非线性差频的原理及其进展进行了，并引用实验结果对其进行了论证，对其将来的研究和发展做出了展望和分析。【关键词】光电导光整流光抽运非线性差频一、引言近年来，非线性光学的飞速发展带动了基于光子学原理产生太赫兹技术的发展，如基于周期微结构材料和固体非线性材料的光学参变振荡、光整流、光电导、光抽运、光学受激效应、表面发射效应、光学倍频及差频效应、光学切连科夫(cherenkov)效应等非线性效应。其中，非线性光学差频方法获得太赫兹辐射因其没有阀值、实验设施容易搭建、容易实现差频转换而称为研究热点。二、THz波的应用前景1.THz波成像利用THz时域光谱技术可以直接测量THz电磁脉冲所产生的瞬态电磁场。可以直接测得样品的介电常数和厚度的分部。应用于国家安全包括情报、安检、破案、生物、化学和医学中的各种成像应用。两维实时THz活体成像可应用于野外昆虫的实时观测，同时也可应用于军事中特种部队和警察的装备，在一定范围内对敌人的有生力量和犯罪分子进行准确探测。2.医疗诊断由于很多的生物大分子及DNA分子的旋转及振动能级所处于THz波段，生物体对THz波会产生独特的响应，所以THz辐射可用于疾病诊断，生物体的探测及癌细胞的表皮成像。癌变组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。对人体组织器官成像，可做出肿瘤的早期诊断，许多医院的专家对此项肿瘤的初期诊断技术很满意，并要求早日投入生产，进入临床应用。3.环境监测适合于对固体、液体、气体、以及火焰和流体等介质的电、声学性质的研究以及化学组分的表征。THz辐射也可用于污染物检测、生物和化学物质的探测，对生物组织包括植物、动物的组织结构进行成像可获得组织新鲜程度的信息，这可用于食品的保鲜和食品加工过程的监控；检测隐藏在箱包中一般家用材料及民用设备中的特殊物质，如炸药、毒品等。4.宽带移动通讯于星间通讯THz电磁波是很好的宽带信息载体，THz波比微波能做到的宽带和讯道数多的多，特别适合卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。三、基于光学方法的太赫兹波辐射源1.光电导产生THz波辐射光电导方法就是在光电导半导体表面淀积金属制成偶极天线电极结构，用光子能量大于半导体禁带宽度超短脉冲激光照射半导体材料。当强度为I(t)的飞秒激光激发偏置半导体时，如果激光的光子能量大于半导体的能带隙，则在照射出的导带和价带上将分别产生电子和空穴。光载流子密度快速变化，并在外加偏置直流电压Vb的作用下加速运动。由此，将产生电磁辐射并通过天线向自由空间发射。由于辐射的能量主要来自天线上所加的偏置电场，可以通过调节外加偏置电场的大小来获得能量较高的太赫兹波，而制作大孔径的光电导天线可以提高电磁辐射的效率。快速偏置的光电导体有飞秒光脉冲(泵浦光)激发，作为瞬态电流源，通过天线向空间传播短周期的瞬态变化。为了探测这样一个变化需要一个与发射其相似的装置，但这个光电导体不需要偏置。作为探测器的光电导体由同样的飞秒光脉冲(探测光)激发，在激发瞬间可以探测输出流lout。通过一可调的时间线将飞秒光脉冲相对于泵浦光I(t)延迟时间a，则探测光强度为I(t+a)。太赫兹辐射源的输出性能主要决定于三个要素：光电半导体材料、天线几何结构和抽运激光脉冲宽度。光电半导体材料si、GaAs、GaP等是产生超短激光脉冲的关键部件，随着对光电导半导体的深入研究，已经开发了很多适宜做光电导开关的材料，在选用制作超快半导体材料时，必须考虑以下因素：(1)载流子寿命短；(2)载流子迁移率高；(3)材料的暗态电阻率大。2.光整流产生太赫兹波发生在盐酸氢钾中的光整流效应最早用于产生兆赫级的辐射，当时使用0.1um的激光脉冲。后来由于LiTa03中cu++光整流效应的发现，这种方法的应用范围扩展到了皮秒级领域。进一步的发展使这种方法已经可以应用干各种THz实验。光整流效应是一种非线性效应，是利用飞秒激光脉；(脉冲宽度在亚皮秒量级)和非线性介质如ZnTe)相互作用而产生低频电极化场。此电极化场在晶体表面辐射出太赫兹波。光整流效应发生在非中心对称材料中。我们可以将光整流效应看做是电光效应的逆过程：入射超短激光脉冲同过非线性极化系数偶合而合成出近似直流(其实为THz，但相对于光的频率来说，频率非常低)的极化。电磁波的振幅强度和频率分布决定于激光脉冲的特征和非线性介质的性质。常用非线性介质有ZnTe和GaAs。另外，DAST很有潜力，它是非线性效应最强的物质之一。3.光抽运太赫兹波气体激光器直接产生THz波的激光器，是利用一台C02激光器的远红外输出光抽运一个充有