第二章 太赫兹波的产生Word文档下载推荐.docx
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光导体、天线的几何结构和泵浦激光的脉冲宽度。
光导体是产生太赫兹辐射的关键部件,对于性能良好的光导体来说,它应该具有载流子寿命极短、载流子迁移率高和介质耐击穿强度大等特点。
目前应用于太赫兹技术中最多的光导体材料是Si和低温生长的GaAs(LT-GaAs材料。
而天线结构通常有赫兹偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线以及大孔径光导天线等。
由于偶极子天线的结构相对简单,所以在大多数实验当中都是采用这种结构的天线。
这种天线结构由3部分组成:
平面偶极子,产生光电流的光导开关,用作欧姆接触的两条共面传输线,如图2-1(b所示。
另外,材料的一些参数特性也会影响到最终所产生的太赫兹辐射的能量和频谱宽度。
如若要有效的辐射出太赫兹,光电流的快速增大和衰减是必需的。
所以,电子有效质量较小的半导体材料,如砷化铟(InAs和InP是用来产生太赫兹很好的材料。
材料的最大迁移率也是一个重要的参数,但带内散射率或直接带隙半导体(如GaAs的谷间散射对它限制很大。
此外,由于辐射能量主要是来源于以偏置静电场形式储存的表面能,所以偏置电场、激发光强的大小也能影响到太赫兹辐射的能量。
如果增大外加电场,就可以得到更强的太赫兹辐射脉冲,由此可以采用大孔径光导天线。
此外,如果要增大太赫兹信号功率,也可采用天线阵列来实现。
另
一个重要的参数就是材料的击穿电场,这是因为击穿电场决定了可施加的最大电场。
利用光电导发射装置可以产生相对较大的(大约40μW太赫兹辐射功率和相当宽的辐射带宽(4THz。
光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制,它是一种非线性效应,是电光效应的逆过程。
众所知道,两束光束在线性介质中可以独立传播,且不改变各自的振荡频率。
然而在非线性介质中,它们将会发生混和,从而能产生和频振荡及差频振荡现象。
由此在出射光中,除了和入射光具有相同频率的光波以外还有其他频率(例如和频的光波。
而且当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时,它会在介质内部通过差频振荡效应激发出一个恒定(不随时间变化的电极化场。
这个电极化场不会向外辐射电磁波,它只是会在介质内部建起一个直流电场。
我们就把这种现象称为光学整流效应。
如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲,则根据傅立叶变换理论可知,一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加,这些单色光将会在非线性介质中发生混合。
其中,由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。
这个电极化场就可以辐射出太赫兹波来。
这是因为所辐射出的电磁波的频率上限与入射激光的脉宽有关,如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级,则辐射出的电磁波的频率上限就会在太赫兹量级,由此这种光整流效应被称作为亚皮秒光整流效应,或太赫兹光整流效应,如图2-2所示。
光整流的物理过程是一个瞬间完成的过程,而产生的太赫兹辐射强度与非线性介质的极化电场强度P(t的低频部分对时间的二阶偏导数成正比。
光整流的关键问题是位相匹配,它可以放大激光和太赫兹脉冲在非线性介质中的相互作用,并且能增强光整流的产生效果。
另外,非线性介质的非线性系数对所产生的太赫兹脉冲的振幅强度、频率分布以及光整流的转换效率,如图2-2(a所示。
常用的非线性介质由LiNbO3、LiTaO3、有机晶体DAST、半导体GaAs、ZnTe、InP、InTe等。
用得最多的是ZnTe和GaAs,而DAST则是很有潜力得有机介质,它是目前非线性效应最强的物质之一。
图2-2(a利用光整流产生太赫兹,(b太赫兹光整流效应的原理比较光电导和光整流这两种产生太赫兹脉冲的机制可知:
(1用光导天线辐射的太赫兹脉冲能量通常要比用光整流效应所产生的太赫兹脉冲的能量强。
这是因为光整流效应产生的太赫兹波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量,而光导天线辐射的太赫兹波的能量则主要来自天线上所加的偏置电场,如果要想获得能量较强的太赫兹脉冲,则可以通过调节外加电场的大小来实现。
(2光导天线产生的太赫兹电磁波的频率较低,而光整流产生的太赫兹电磁波的频率较高。
(3光导天线产生的太赫兹脉冲频谱宽度较窄,而光整流产生的太赫兹脉冲的频谱宽度较宽。
将超短强激光脉冲聚焦在周围空气中直接产生太赫兹的技术,近年来引起了人们的广泛关注。
该方法可在远处(可在几公里远产生太赫兹波,所以应用前景十分美好。
当前对空气等离子体产生太赫兹的机制解释还没有完全的定论,现有许多模型如有质动力模型、辐射压力模型、四波混频模型和量子模型等,都在试图对其进行解释,但都只能对该部分该现象给予正确解释。
在此只介绍四波混频模型,该模型是文献中应用比较多的解释之一。
当高能量的超短激光脉冲聚焦在空气中时,焦点处的空气会发生电离现象形成等离子体。
由此所形成的有质动力(PonderomotiveForces会使离子电荷和电子
电荷之间形成大的密度差,而且这种电荷分离过程会导致强有力的电磁瞬变现象的
发生,从而辐射出太赫兹波来。
在空气中产生强太赫兹辐射是实现全空气太赫兹光子学的第一步。
在空气中产生太赫兹波有三种结构,如图2-3所示。
图(a是将波长为800nm或400nm、持续时间为100fs的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体从而辐射太赫兹波;
而图(b较之于图(a则是在聚焦透镜后添加一块了BBO晶体;
图(c是利用分色镜将波长为800nm和400nm(基频波与二次谐波的两束光混合在一起,通过干涉相长或干涉相消对太赫兹辐射进行相干控制。
在本节我们只是着重介绍图(b与图(c所示的系统。
在图b与图c所示的系统中包含了两束光:
基频波(ω和它的二次谐波(2ω,它们分别对应于800nm和400nm波。
将它们同时聚焦在空气中,则利用超短激光脉冲诱导空气等离子体中的四波混频整流效应(FourWaveMixingRectification,FWMR,可在空气中产生较强的太赫兹辐射。
t(*Et(*Et(Et(Pt(E23(3(THzωωωχ=∝
其中,P表示介质的极化强度,χ(3表示三阶非线性极化率,E表示与光场有关的电场强度。
并且由实验结果可知:
当基频光、倍频光和太赫兹的偏振方向(如P偏振相同时,则可获得最佳的太赫兹辐射效率。
由此上式又可表示为:
(cost(*Et(*Et(Et(E23(xxxTHzϕχωωω∝其中φ=2ωτ表示基频波(800nm与二次谐波(400nm之间的相移,τ表示时间延迟。
时间延迟τ可以从外部精确控制。
图2-3空气产生THz的三种实验装置示意图
如图2-3所示,a图为光脉冲(ω或2ω在焦点位置产生空气等离子体;
这个光电离的等离子体会辐射出太赫兹波,即有质动力驱动电子和离子产生太赫兹波。
而B图是采用非线性光学晶体(透镜后放置BBO晶体产生二次谐波,再与基频波混
合,通过三阶非线性光学效应产生强太赫兹波。
C图则是利用分色镜混合二次谐波与基频波。
两束光的位相、振幅和偏振均可分别控制。
混合后,空气等离子体中的共振三阶非线性效应会产生强太赫兹波辐射。
太赫兹波的极性可以通过改变两束光波之间的位相(通过时间延迟进行相干控制。
总之,产生太赫兹波的主要机制是在空气等离子体中混合的ω与2ω光束发生的三阶非线性光学效应,即四波混频过程。
太赫兹场的极性和强度完全由ω与2ω光束间的相对位相控制。
当光学脉冲总能量超过空气等离子体形成的阈值时,太赫兹场的振幅与基频波的脉冲能量成正比(线性关系,与二次谐波的脉冲能量的平方根成正比关系。
在四波混频过程中,当所有光波(ω、2ω及THz的偏振态均相同时产生的太赫兹效果最佳。
上文所介绍的三种产生太赫兹的方法都是利用超短激光脉冲激发不同物质而产生太赫兹的,它们所产生的太赫兹波具有超宽带、脉宽窄、峰值功率高等特点,可应用太赫兹时域光谱成像、精密时间分辨光谱等研究,其信噪比要远高于传统远红外傅立叶光谱,但是这里的太赫兹脉冲频谱较宽、时间相干性差,且不可连续可调、转换效率较低,得到的太赫兹光束的平均功率只有纳瓦到微瓦量级,不利于对其探测。
光学参量振荡是产生太赫兹辐射的另一机制,是基于光学参量效应的一种技术。
太赫兹参量源通常有太赫兹参量发生器(TPG,Terahertz-WaveParametricGenerator和太赫兹参量振荡器(TPO,Terahertz-WaveParametricOscillator两种,二者之间的区别在于TPO有谐振腔,而TPG没有这样的选频结构。
太赫兹参量源是具有很高的非线性转换效率、结构简单、易小型化、工作可靠、易于操作、相干性好,并且能够实现单频、宽带、可调谐、可在室温下稳定运转的全固态太赫兹辐射源。
1.太赫兹波产生原理
太赫兹参量源是利用晶格或分子本身的共振频率来实现太赫兹波的参量振荡和放大的,是一种与极化声子(polariton相关的光学参量技术。
当一束强激光束通过非线性晶体时,光子和声子的横波场会发生耦合,产生出光-声混态,我们称之
为极化声子。
由极化声子的有效参量散射,即受激极化声子散射,可辐射出太赫兹。
在这个散射过程中同时包括二阶和三阶非线性过程,因此泵浦光、闲频光和极化波,即太赫兹波它们三者之间会发生很强的相互作用。
目前,最适合用于产生太赫兹波的非线性晶体之一就是LiNbO3,这是因为它有较大的非线性系数(当λ=1.064μm时,d33=25.2pmV-1,而且它在0.4-5.5μm波段之间是透明的。
LiNbO3晶体有4个红外和拉曼活性横向光(TO声模,叫做A1对称模。
由于最低的A1对称模(ωTO≈248cm-1≈7.5THz同时具有最大的参量增益及最小的吸收系数,所以它能够很有效地产生远红外。
可调谐地太赫兹发生器的原理为:
当极化声子的频率接近于晶体的共振频率(接近TO声子频率ωTO时,它会以声子的形式传播;
但是,如果是在非共振低频区时,它则以光子的形式传播,如图2-4(a所示。
根据能量守恒定律ωp=ωT+ωi(P:
泵浦光,T:
THz,i:
闲频光可知,每湮灭(参变一个近红外的泵浦光子ωp,则会产生一个信号光子ωT,即THz光子,及一个近红外的闲散光子ωi。
在这个受激散射的过程中,也满足动量守恒定律Kp=Ki+KT,即非共线位相匹配条件,如图2-4(b所示。
由于闲频光和THz波具有角色散特性,所以利用光学谐振腔(TPO或闲频光种子注入技术(is-TPG就可以有效的产生出相干THz波来。
此外,通过调节入射泵浦光与谐振腔腔轴或种子光之间的夹角还可以对其进行连续且宽调谐。
图2-4(a极化声子的色散关系图,(b位相匹配条件
2.太赫兹波参量发生器
太赫兹波参量发生器(TPG利用一个单通泵浦源就可以产生出宽带太赫兹
波。
TPG的构造非常简单,它既没谐振腔结构也没有种子注入器,如图2-5所示。
晶体的两端(沿x方向分别是抛光平面镜和抗反射膜。
y表面也是抛光平面镜,以使棱镜底部与晶体表面的耦合带隙降到最小,同时也能够防止泵浦光束散射。
泵浦光束要从尽量靠近y表面处射入晶体,以减小THz在晶体中的传输距离。
图2-5使用硅棱镜阵列的太赫兹参量发生器。
由于晶体具有较大的吸收系数和折射率(在THz波段约为5.2,所以产生的太赫兹波大部分会被晶体吸收或是被全内反射回晶体内部。
为了提高太赫兹波的输出耦合效率,以及改善太赫兹波的输出方向性,可在晶体的输出端加入硅棱镜或硅棱镜阵列来作为太赫兹波的输出耦合器。
这样做可以几乎完全消除太赫兹波光束在全波波长调谐范围内的方向偏移,从晶体中出射的太赫兹波的方向基本上没有改变。
其中,之所以选用高电导率硅,是因为它在太赫兹波段具有较大的折射率(3.4、低色散、吸收系数小(α=0.6cm-1等特性。
而使用硅棱镜阵列(含7个小棱镜的原因是它的耦合效率要比单个棱镜高6倍,并且它的远场光束直径也减少了40%。
3.太赫兹波参量振荡器
太赫兹波参量振荡器(TPO是在TPG的基础之上加装闲频光谐振腔所制成的,它可以产生出相干可调的THz波来,其基本构造如图2-6所示。
它由一个泵浦源(Q开关的Nd:
YAG激光器、非线性晶体和一个参量振荡器组成。
其中,谐振腔是由平面镜和半区域的高反腔镜(HR所组成的,它可对闲频光进行放大,并且当满足非共线相位匹配条件后,闲频光和THz波可同时在参量振荡器中产生。
另外,平面镜和晶体被安装在一个由计算机精确控制的旋转台上,以便于能够
精确的进行角度调节。
图2-6太赫兹参量振荡器的结构原理图。
在过去的10年间,THz波参量源的工作性能已经有了显著提高,它们在降低阈值、提高频率及宽调谐性方面已显示出很大的潜力。
如果使用非线性光学波导和更长的泵浦脉宽可以使它们的阈值更低,线宽更窄。
使TPG和TPO极具发展成高效、小型、实用、易操作、便于携带的太赫兹辐射源的潜力。
正如本书第一章中所介绍的那样,像水分子这样的简单分子的振动和转动的共振能级有很多都在太赫兹频段内。
如果能有效地将这些分子泵浦到适当的激发态,那么在激光器中就可以直接辐射出太赫兹波了。
而光泵浦太赫兹激光器(Optically-PumpedTHzLaser,OPTL就是基于此种原理做出来的。
利用一台CO2激光器的远红外输出光来泵浦一个充有甲烷(CH4、氨气(NH3、氢化氰(HCN或是甲醇(CH3OH等物质的低压真空腔,由于这些气体分子的转动和振动能级间的跃迁频率正好处于太赫兹频段,所以可以形成太赫兹受激辐射,从而在OPTL中直接辐射出太赫兹来。
其中,甲醇分子气体激光器是最常见的OPTL之一,如图2-9所示,并且它已经在美国国家航空航天管理局(NASA所命名的“先兆”(AURA卫星上投入了实用。
它能够向太空中持续发出太赫兹辐射以此来观测大气。
图2-9OPTL系统结构及其原理图
由图2-9(a可知,甲醇分子气体激光器,即OPTL是由一个光栅调谐的CO2激光器泵浦源和太赫兹激光器单元(THzlasercell,TLC组成的。
其中,TLC又是由一个充满甲醇分子气体的低压真空腔、光学反馈系统(腔镜、泵浦输入系统,及辐射输出系统组成。
甲醇分子气体激光器利用甲醇分子的转动跃(b图迁来实现太赫兹辐射的,其具体过程是:
当泵浦源所发出的红外光(9-11μm的光子能量接近于甲醇分子从基态的转动能级跃迁到激发态的转动能级所需的能量时,这些红外光子会被甲醇分子吸收;
然后在一定的条件下形成转动能级反转,即粒子数反转,由此向外辐射出太赫兹(118.83μm,约为2.5THz。
c图为甲醇分子辐射THz的物理过程,是对b图所作的进一步解释和补充。
9.69μm的红外光子激发C-O键。
分子在J=16和J=15转动能级间发生辐射跃迁,最终向外辐射出频率为2.5THz的太赫兹波。
虽然说这种OPTL可以输出高达上百毫瓦的输出功率,而且事实证明这种技术是切实可行的。
但这种辐射源不是连续可调的,而且通常需要大的气体谐振腔(约
在2m或是更长和数百瓦的能量输入,在体积、重量、效率、可靠性、维护性、运行寿命,以及频率稳定性方面仍有待改进。
另外,OPTL的泵浦源也可以利用电子学的方法制得。
这种OPTL可以完全密封起来,所以可对其不加维护,而且它的寿命也很长,有40,000个小时之多。
这种新型的OPTL是用射频(RF激励代替了CO2激光器所用的直流(DC放电激励(见图2-10。
利用RF技术的OPTL能够在极低的电压下工作,从而极大的减小了气体的离解作用。
并且,它还可以利用波导将受激辐射耦合到作为工作物质的气体之中,由此,等离子体和电极之间就不会有直接接触,从而也就避免了电极会发生腐蚀效应(这是限制CO2激光器寿命的主要因素。
图2-10利用射频(RF激励技术的OPTL泵浦激光器
2.2基于电子学的太赫兹辐射源
基于电子学的太赫兹辐射源包括微型真空电子器件、相对论性电子器件、半导体激光器等。
采用先进的微细加工技术,如LIGA技术(LIGA是采用X射线刻蚀和电铸相结合的技术、MEMS(微电子机械系统加工技术等,将固态加工技术引入到真空电子技术领域之中,可以制造出能作为太赫兹辐射源的微型真空电子器件(μVED。
这些器件克服了普通三、四极管的渡越时间效应,而且如果利用微波管分布作用原理,就可使微波管的工作频率达到太赫兹频段,成为一种非常具有应
用前景的太赫兹辐射源。
这类太赫兹辐射源有纳米行波管及其阵列、返波振荡器、纳米速调管及其阵列、回旋管、自由电子激光器、相对电子注或等离子体电子器件等(见图2-11,具有噪声低、增益高、效率高、体积小、重量轻、性能稳定等特点。
但是,它们在某些方面也存在着一些问题,如射频窗口、波导元件、磁聚焦问题、阴极和电子枪及器件的装配等,而这些问题又直接限制了微型真空电子器件的性能指标。
目前,在太赫兹频段对于微型真空电子器件的研究还处于研究阶段,它将是一种非常具有应用前景的太赫兹真空辐射源。
图2-11真空电子学太赫兹源的功率与频率
1.行波管
行波管(TravelingWaveTube,TWT是一种基于电子注与行波场之间相互作用的行波型器件,其优点是:
频带宽,增益大,寿命长,工作稳定可靠。
行波的种类很多,根据外加磁场的形成可以将其分为具有纵向(沿电子流方向磁场的“O”型行波管和具有横向磁场的“M”型行波管。
行波管是唯一能将大功率与宽频带等微波管所具有的优点有效结合的微波管器件。
而在这里仅介绍“O”型行波管。
图2-12行波管结构原理图
行波管是利用电子流与沿慢波系统行进的电磁波间的连续互相作用而放大超高频(微波电磁波的一种微波电子管。
它的一种典型结构如图2-12所示,主要有以下几个部分组成:
1电子枪,包括阴极、加速极;
2微波结构,包括慢波系统、输入、输出的微波结构;
3收集极;
4聚焦磁场。
其中,电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注,聚焦系统可使电子注保持所需形状,保证电子注能够顺利得穿过慢波电路并与微波场发生有效的相互作用,最后由收集极接收电子注。
如果行波管的电磁波行进方向与电子流方向相反的话,我们称之为返波管,即返波振荡器。
行波管的工作原理是:
在行波管中,电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用。
微波场沿着慢波电路向前行进。
为了使电子注同微波场产生有效的相互作用,电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的微波场的位相传播速度(相速略高,称为同步条件。
输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场。
电子注进入慢波电路相互作用区域以后,首先受到微波场的速度调制。
电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制。
大部分电子群聚于减速场中,而且电子在减速场滞留时间比较长。
因此,电子注动能有一部分转化为微波场的能量,从而使微波信号得到放大。
在同步条件下,电子注与行进的微波场的这种相互作用沿着整个慢波电路连续进行。
这是行波管与速调管在原理上的根本区别。
2.返波振荡器
行波管的变体就是返波振荡器(BackwardWaveOscillator,BWO,俗称返波管。
它是一种利用电子注与慢波线中的返波相互作用产生振荡的微波电子管,而且目前只有返波振荡器在0.1THz以上具有宽带调谐和大功率输出的能力。
在周期性慢波系统中,周期性变化的场可以分解成无数空间谐波,其中群速与相速同向的波称为前向波;
反之则称为返波。
当电子注速度与前向波相速同步时,由于注波间的相互作用将会使前向行进波得到放大;
而当电子注速度与返波相速同步时,则注波间的相互作用又会使返波得到增强。
由于返波管中群速与相速方向相反,并且电子注速度与波的相速同步,因此电子注的速度方向与波的相速度方向相同,而与群速(或能速的传输方向相反。
这样,在管内就自然地存在着一种能量的反馈通道,一方面载有交变信号能量的电子注向前运动,并与慢波线上的返波相互作用,将部分能量交给线路上的高频场,另一方面线路上的高频能量又逆电子注方向传输形成反馈回路。
当每一个反馈回路的总相移都是2π的整数倍时,具有正反馈的性质。
因为这种反馈是通过电子注把交变信号能量由输出端带回输入端的,所以是一种电子反馈。
利用这种电子反馈,可以得到再生放大。
由此可以形成制返波放大管。
如果反馈量足够大就可产生自激振荡做成返波振荡管。
返波管的主要优点是在很宽的频率范围内能够实现连续的快速电调。
由图2-13可知:
BWO内部存在着强磁场、热阴极、阳极、梳形减速结构,以及耦合波导等。
首先,电子由热阴极发射出来(a图。
为了避免电子撞击在管壁上损失能量,需要将其聚焦。
而电子在强磁场的作用下受洛伦兹力作用而聚焦(b图。
聚焦后的电子经过梳型减速结构后速度下降,最后到达阳极(c图。
由于电子速度发生了改变,所以会向外辐射出电磁波,其方向与电子运动方向相反。
电磁波与波导耦合,从而输出到自由空间。
其中,输出频率取决于电子的速度,范围可在50-1500GHz内,而电子的速度则由电极间的电压决定(d图。
图2-13返波管原理图。
图(a-(d表示返波管产生THz波的四个过程,图(e为返波管结构图。
太赫兹波BWO可应用于低噪声外差接收机的本振,应用在低背景的射电天文观测,彗星、地球及其他行星大气层的遥感,通过对一些重要的物质分子进行高分辨率的观察来理解银河系及其附近的河外星系媒介的结构及其演化。
3.纳米速调管
速调管(klystron是一种靠周期性地调制电子注的速度来实现振荡或放大功能的微波电子管。
它和行波管和返波管都是直线型束(也就是“O”型电子管。
在速调管中,电子束通过两个或多个谐振腔。
第一个腔接收射频(RF输入信号并调制电子束使其群聚,电流出现周期性的高密度和低密度区域。
群聚后的电子束进入下一个腔,增强了群聚效应,在最后的腔处,提取出高倍数放大的RF功率电平。
虽然纳米速调管(Nanok
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