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太赫兹辐射源

发布日期:2019-12-05


有很多方法都可以产生THz辐射。

1 半导体THz源(包括THz量子级联激光器等)。

2 基于光子学的THz发生器。

3 利用自由电子的THz辐射源(包括THz真空器件,电子回旋脉塞和自由电子激光)。

4 基于高能加速器的THz辐射源

不同的用途对THz源可能提出不同的要求。有点要求输出功率较大,有的要求有较合适的频率。

2002年在Nature上发表了两篇THz源的重要文章。这两篇文章对THz源的发展起到了很大的推动作用。

1)“Terahertz  semiconductor  heterostructure  laser”,Nature4171561592002By Italian and UK ScientistsRadiomen Kiblen etc,It is considered as a breakthrough in the Quantum cascade lasers

2)“High  power  Terahertz  Radiation  From  RelativisticElectronics”,Nature 420,1531562002,这篇文章被Nature编辑部确定为“研究亮点(Research highlights)”.这项工作是由以下三个美国国家实验室:Lawrence Livermoe,Brookhaven and Jeffersan NationalLabs完成的。

 两篇文章中一篇是有关量子级联激光的突破,这是一种非常重要的半导体THz辐射源。另一篇是基于自由电子的有关高功率THz辐射的,结合了光子学和电子学技术。

1、半导体太赫兹源

固态THz源具有小巧、价格低廉和频率可调的特点,是人们希望的一种THz源。但半导体器件的工作频率难于达到1THz以上,而半导体THz激光器,特别是THz量子级联激光器是目前的发展重点之一。第一篇关于量子级联激光的文章有Melvin Lax等发表于1960年,其后于1994年起,Bell实验室的JFaist做了很多有益的工作(Science26422,1994)。在俄国这方面的工作也做了不少(KazarinovSovPhysSemi52071971),但实验长期没有突破。朗讯曾把QCL作为一个研发重点,但没有结果。直至2002年由英国和意大利科学家获得突破(Nature 417,1561592002)。

量子级联激光(QCL)是以异结构半导体(GaAsAIGaAs)的导带中的次能级间的跃迁为基础的一种激光器。利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转。

2002年的结果是频率4.4THz,温度50K,脉冲功率20mW

此后,很多国家都积极开展QCL的研究工作,采用了不同的材料。

2004年,美国MIT最新的结果是:2.1 THzCW功率lmW(温度93K),脉冲功率为20mW(温度137K)。

2005年,MIT  QCL已经用于THz成像,可见THz技术发展的速度比我们想象的要快得多。

在我国,中国电子集团南京55所,渡越雪崩二极管可以做到0.1THz。中国科学院上海微系统研究所和中国科学院半导体研究所,已开展QCL的研究工作并已作出一定的成果。

半导体THz辐射源已安排了一个专题报告进行详细论述。

2、基于光子学的太赫兹辐射源

飞秒激光脉冲的发展给THz源带来了很大的机遇。已经发展了很多基于飞秒激光脉冲和非线性光学晶体的THz激光源。

THz光导天线、光整流、非线性差频、THz参量振荡器和放大器(TPGTPOTPA)和光学Cherenkov辐射等等。

这种方法产生的THz辐射,可以是脉冲的,也可以是连续波的。

下图表示光脉冲通过非线性光学晶体产生THz辐射的典型情况。差频发生器(DEG),是一个三波混频非线性过程。

这方面的研究工作,我国天津大学等单位,也已开展了研究工作,并作出了一定的成果。详细内容将在专题报告中给出。

3、基于真空电子学的太赫兹源

近儿年来,随着THz科学技术的迅速发展,利用真空电子学产生THz辐射的研究工作取得了很大的进步,其中包括真空电子器件、电子回旋脉塞、自由电子激光Cherenkov辐射,甚至使用储存环加速器来产生高亮度THz辐射。

某些真空电子器件如返波管(BWO)、扩展互作用振荡器(E1O)、绕射辐射器件(Orotron)等的工作频率己接近或达到1THz

回旋管可望在1THz产生千瓦级的脉冲输出,平均功率可达几十瓦以上。

特别是由CITJPL实验室等研究的“纳米速调管”可望在13THz频率上工作。纳米速调管结合了电子学、光子学和微加工技术,是很有创新意义的一种新器件。

纳米速调管由于使用微加工技术,所以保证每个纳米速调管频率和相位的一致性,因此可以组成纳米速调管阵列,以大大提高输出功率。利用构成THz阵列辐射源是提高THz辐射功率的一个重要途径。

自由电子激光可工作于THz。自由电子激光的波长主要取决于摇摆器的周期和电子束的能量:        λ≈λω4γ2               γ=(1-β2-1             β=v/c

其中λw是摇摆器周期,γ是相对论因子。

今年11314日,在美国Honolulu召开的THz辐射源研讨会上,报告了一篇用lMeV静电加速器的FEI,可以在2mm500微米,(0.156THz,产生lkW的准连续波输出,这一结果被认为是迄今为止最重要的成果之一。

2002年,在Nature上发表的另一篇论文体现了电子学和光子学相结合的方法。利用飞秒激光照射GaAs光学晶体,发射出电子束,再用加速器将电子束加速到40MeV。电子在磁场作用下作旋转运动从而发射出THz辐射,由于电子束的尺度远小于波长,所以辐射是相干的。实验结果可以得到20w连续波的THz辐射。所以,如前所述,Nature编辑部将这篇文章定为研究亮点。

我国真空电子器件已有相当好的基础,回旋管的研究工作已在电子科技大学和中科院电子所进行,在0.1THz已作出近100KW脉冲输出的回旋管。FEL己在中科院高能物理所、中国工程物理研究院、北京大学和电子科技大学进行,并取得一定的成果。

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