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太赫茲輻射源

發布日期:2019-12-05

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有很多方法都可以產生THz輻射。

1 半導體THz源(包括THz量子級聯激光器等)。

2 基于光子學的THz發生器。

3 利用自由電子的THz輻射源(包括THz真空器件,電子回旋脈塞和自由電子激光)。

4 基于高能加速器的THz輻射源

不同的用途對THz源可能提出不同的要求。有點要求輸出功率較大,有的要求有較合適的頻率。

2002年在Nature上發表了兩篇THz源的重要文章。這兩篇文章對THz源的發展起到了很大的推動作用。

1)“Terahertz  semiconductor  heterostructure  laser”,Nature417,156159,2002By Italian and UK Scientists,Radiomen Kiblen etc,It is considered as a breakthrough in the Quantum cascade lasers

2)“High  power  Terahertz  Radiation  From  RelativisticElectronics”,Nature 420,153156,2002,這篇文章被Nature編輯部確定為“研究亮點(Research highlights)”.這項工作是由以下三個美國國家實驗室:Lawrence Livermoe,Brookhaven and Jeffersan NationalLabs完成的。

 兩篇文章中一篇是有關量子級聯激光的突破,這是一種非常重要的半導體THz輻射源。另一篇是基于自由電子的有關高功率THz輻射的,結合了光子學和電子學技術。

1、半導體太赫茲源

固態THz源具有小巧、價格低廉和頻率可調的特點,是人們希望的一種THz源。但半導體器件的工作頻率難于達到1THz以上,而半導體THz激光器,特別是THz量子級聯激光器是目前的發展重點之一。第一篇關于量子級聯激光的文章有Melvin Lax等發表于1960年,其后于1994年起,Bell實驗室的JFaist做了很多有益的工作(Science,264,22,1994)。在俄國這方面的工作也做了不少(Kazarinov,SovPhysSemi5,207,1971),但實驗長期沒有突破。朗訊曾把QCL作為一個研發重點,但沒有結果。直至2002年由英國和意大利科學家獲得突破(Nature 417,156159,2002)。

量子級聯激光(QCL)是以異結構半導體(GaAsAIGaAs)的導帶中的次能級間的躍遷為基礎的一種激光器。利用縱向光學聲子的諧振產生粒子數反轉。

2002年的結果是頻率4.4THz,溫度50K,脈沖功率20mW。

此后,很多國家都積極開展QCL的研究工作,采用了不同的材料。

2004年,美國MIT最新的結果是:2.1 THz,CW功率lmW(溫度93K),脈沖功率為20mW(溫度137K)。

2005年,MIT  QCL已經用于THz成像,可見THz技術發展的速度比我們想象的要快得多。

在我國,中國電子集團南京55所,渡越雪崩二極管可以做到0.1THz。中國科學院上海微系統研究所和中國科學院半導體研究所,已開展QCL的研究工作并已作出一定的成果。

半導體THz輻射源已安排了一個專題報告進行詳細論述。

2、基于光子學的太赫茲輻射源

飛秒激光脈沖的發展給THz源帶來了很大的機遇。已經發展了很多基于飛秒激光脈沖和非線性光學晶體的THz激光源。

THz光導天線、光整流、非線性差頻、THz參量振蕩器和放大器(TPG,TPO,TPA)和光學Cherenkov輻射等等。

這種方法產生的THz輻射,可以是脈沖的,也可以是連續波的。

下圖表示光脈沖通過非線性光學晶體產生THz輻射的典型情況。差頻發生器(DEG),是一個三波混頻非線性過程。

這方面的研究工作,我國天津大學等單位,也已開展了研究工作,并作出了一定的成果。詳細內容將在專題報告中給出。

3、基于真空電子學的太赫茲源

近兒年來,隨著THz科學技術的迅速發展,利用真空電子學產生THz輻射的研究工作取得了很大的進步,其中包括真空電子器件、電子回旋脈塞、自由電子激光、Cherenkov輻射,甚至使用儲存環加速器來產生高亮度THz輻射。

某些真空電子器件如返波管(BWO)、擴展互作用振蕩器(E1O)、繞射輻射器件(Orotron)等的工作頻率己接近或達到1THz。

回旋管可望在1THz產生千瓦級的脈沖輸出,平均功率可達幾十瓦以上。

特別是由CITJPL實驗室等研究的“納米速調管”可望在13THz頻率上工作。納米速調管結合了電子學、光子學和微加工技術,是很有創新意義的一種新器件。

納米速調管由于使用微加工技術,所以保證每個納米速調管頻率和相位的一致性,因此可以組成納米速調管陣列,以大大提高輸出功率。利用構成THz陣列輻射源是提高THz輻射功率的一個重要途徑。

自由電子激光可工作于THz。自由電子激光的波長主要取決于搖擺器的周期和電子束的能量:        λ≈λω4γ2               γ=(1-β2-1             β=v/c

其中λw是搖擺器周期,γ是相對論因子。

今年11314日,在美國Honolulu召開的THz輻射源研討會上,報告了一篇用lMeV靜電加速器的FEI,可以在2mm500微米,(0.156THz,產生lkW的準連續波輸出,這一結果被認為是迄今為止最重要的成果之一。

2002年,在Nature上發表的另一篇論文體現了電子學和光子學相結合的方法。利用飛秒激光照射GaAs光學晶體,發射出電子束,再用加速器將電子束加速到40MeV。電子在磁場作用下作旋轉運動從而發射出THz輻射,由于電子束的尺度遠小于波長,所以輻射是相干的。實驗結果可以得到20w連續波的THz輻射。所以,如前所述,Nature編輯部將這篇文章定為研究亮點。

我國真空電子器件已有相當好的基礎,回旋管的研究工作已在電子科技大學和中科院電子所進行,在0.1THz已作出近100KW脈沖輸出的回旋管。FEL己在中科院高能物理所、中國工程物理研究院、北京大學和電子科技大學進行,并取得一定的成果。