一种增强飞秒激光脉冲产生太赫兹波(精)

太赫兹波

太赫兹检测技术1 太赫兹波简介电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。

电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等等。

太赫兹波(Terahert或称太赫兹辐射、T-射线、亚毫米波、远红外，简称THz) 通常指频率在0.1~10THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射。

若以应用频率范围的载体为坐标，则太赫兹波位于“雷达”与“人”之间。

是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域。

图1 电磁波谱图Fig1 Electromagnetic spectrumTHz波在无线电物理领域称为亚毫米波，在光学领域则习惯称之为远红外辐射；从能量辐射上看，其大小在电子和光子之间。

在电磁频谱上，THz波段两侧的红外和微波技术已经很成熟，但是THz技术还不完善。

究其原因是因为此频段既不完全适和用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究，缺乏有效的产生和检测THz波的手段，从而形成了所说的“THz空隙”。

2 THz辐射研究的发展历史与现状上世纪九十年代以后,超快激光技术的迅速发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源。

太赫兹波段各种技术的研究才蓬勃发展起来。

与此同时，半导体物理的研究和材料加工工艺的改进也日趋完善，人们在选择与太赫兹辐射研究相关的半导体材料过程中发现半导体材料有着尤为重要的研究价值，且它们都是常用的半导体材料；同时通过掺杂工艺，改善半导体材料的性质，如载流子迁移率、寿命和阻抗都可以控制调整以适应光电器件的要求，这些半导体制作工艺上的发展促进了相关科学技术的发展。

2.1 THz辐射的特点THz技术之所以引起人们广泛的关注，主要是由于太赫兹电磁波独有的特点，各种物质在这一频段的独特响应及其在特定领域中的不可替代性[1]。

太赫兹波的产生及探测方法综述

图七
光电导天线采样原理示意图
3、空气探测方法
空气探测法是一种新的 THz 探测方法，该种方法利用飞秒激光与空气等离子体相互作用产生较强的太赫兹波脉冲辐射的原理，从而探测到太赫兹波的时域波形。2006 年，Jiangming Dai 和 X.-C. Zhang 等人，根据 THz 辐射的产生和探测是互逆过程这一理论，利用三阶非线性性质实现了空气等离子体探测 THz 电场。该方法利用空气做介质，在外加偏置电场下利用探测光离化空气产生等离子体并辐射激光脉冲的二次谐波，相干探测太赫兹波脉冲，因此也称为 Air-Biased-Coherent-Detection，即 ABCD。在太赫兹波辐射源较宽的情况下，空气探测方法不受晶体声子吸收的影响，因此它所探测到的谱能够覆盖整个 “太赫兹波间隙”，目前报道的利用该方法探测已经可以得到 30THz 的谱，因此这
图四
等离子体有质动力产生太赫兹波
另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫兹。将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是一个三阶的非线性四波整流（混频）过程，称之为 Four Wave Rectification-FWR （或 Four Wave Mixing-FWM）。图五为四波混频辐射太赫兹示意图。
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波段具有很多独特的性质：（1）宽带性：一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱性质。（2）瞬态性：太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背景辐射噪音的干扰。（3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV，一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的电离，便于对生物体进行活体检验。（4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的，它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问题有很大的优势。（5）透射性：除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。（6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广阔的应用前景。

姚建铨——太赫兹技术及其在公共安全领域的应用

姚建铨——太赫兹技术及其在公共安全领域的应用朱璇【期刊名称】《警察技术》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】4页(P3-6)【作者】朱璇【作者单位】【正文语种】中文姚建铨中科院院士，激光与光电子、太赫兹领域科学家。

现任天津大学精密仪器与光电子工程学院教授博导、院学位委员会主任、名誉院长、激光与光电子研究所所长、兼任国家教育部科技委副主任、天津市科协副主席。

他首创“姚方法”，并在国际上率先建立了双轴晶体最佳相位匹配计算类高斯分布理论准连续高功率倍频激光器准连续激光调谐系统的技术体系。

近年来致力于太赫兹波辐射的研究，在光学手段太赫兹源和太赫兹应用领域成果显著，承担973、863及国家自然科学基金等多项项目。

国内外发表论文730余篇，被多国学者引用百余次。

获国家发明二等奖，国家教委及天津科技进步二等奖（4次）、军队科技进步一等奖、中科院特等奖等奖项及“国家级有突出贡献中青年专家”“全国高校先进科技工作者”“全国优秀科技工作者”及“天津市特等劳模”称号，享受国务院特殊津贴。

太赫兹技术是近年来兴起的一项高新技术，在公共安全领域有着巨大的应用前景，尤其是在人员安检和爆炸物毒品检测等方向。

本期，我们特别邀请太赫兹专家姚建铨院士作为专访嘉宾，为大家介绍太赫兹技术和其应用前景，以及太赫兹技术的发展对于公共安全领域的影响。

记者：近年来，“太赫兹”的概念在反恐领域被频频提及，能否请您简单介绍一下太赫兹是什么。

姚建铨：太赫兹这个词指的是电磁波谱中的一段，它的频率范围是从10的11次方到10的13次方赫兹。

之所以叫太赫兹是因为在英语里面10的12次方被叫做“tera”，音译过来就取了“太”这个音。

太赫兹波段介于红外和微波之间，比太赫兹频率更高的是红外光，比太赫兹频率更低的是微波。

红外和微波在多年以前就已经有了成熟的应用，比如大家熟悉的红外摄像头，红外体温计等，再比如军事上用的微波雷达等。

但是太赫兹对于很多人来说可能还是个陌生的名词，这是因为太赫兹器件的研发有很高的难度，既不能完全套用红外器件的方法，也不能照搬微波器件的方法，可以说是介于光学方法和电学方法之间，因此很长时间呢这一段的电磁波谱并没有形成真正的应用。

第10章-太赫兹波的产生与检测

图 10−3 给出了脉冲激光光整流效应的原理。频率为 ω0，宽度为 r 的脉冲激光照射到一个非线性介质样品，脉冲激光的各个单色分量之间会在样品中通过差频振荡现象产生一个随时间变化的电极化场，这个随时间变化的电极化场将辐射低频电磁波，其频率上限和入射激光脉冲宽度有关。由于入射激光的脉冲宽度在亚皮秒量级，辐射电磁波的频率上限约为太赫兹，所以这种光整流效应被称为亚皮秒光整流效应，或称为太赫兹光整流效应。
对太赫兹信号的探测是另一个活跃的研究领域。由于太赫兹源发射功率较低，而热背景噪声相对较高，需要高灵敏度的探测手段探测太赫兹信号。在对宽波段的探测中，基于热吸收的直接探测是最常用的手段。这些都需要用冷却的方法降低热背景，最常用的装置是利用液 He 冷却的 Si、Ge 和 InSb 热辐射测量仪，另外热电的红外测量仪器在太赫兹的波段也是可以使用的。利用 Ni 在超导态和正常态之间的转变，应用超导技术，已研制成功了非常灵敏的热辐射测量仪。干涉仪技术也可以用来直接得到光谱信息，最近的研究还实现了太赫兹光子的单光子探测器。这种探测装置利用包含一个量子点的单光子晶体管工作在强磁场中，得到其他方法所不能达到的灵敏度。尽管测量的速度现在仍被限制在 1 ms 左右，但目前已经有人提出了高速探测的设想，并且这将在太赫兹探测领域引发新的革命。
这两种产生 THz 电磁波的方法中，用光电导天线辐射的 THz 电磁波能量通常比用光整流效应产生的 THz 波能量强。因为光整流效应产生的 THz 波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量，而光电导天线辐射的 THz 波的能量主要来自天线上所加的偏置电场，这可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的 THz 波。例如用功率为 2 mW 的激光脉冲人射光电导天线可以产生平均功率为 3 μW 的 THz 波．用功率为 175 mW 的激光脉冲激发非线性介质通过光整流效应产生 THz 波的平均功率只有 30 nW。但是，光电导天线产生的 THz 电磁波的频率较低，而光整流产生的 THz 电磁波的频率较高。 10．1．3 太赫兹的探测

一种自旋太赫兹发射装置及方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910772551.2(22)申请日 2019.08.21(71)申请人北京航空航天大学地址 100191 北京市海淀区学院路37号(72)发明人聂天晓　王海宇　赵海慧　(74)专利代理机构北京路浩知识产权代理有限公司 11002代理人苗晓静(51)Int.Cl.H01S 1/02(2006.01)(54)发明名称一种自旋太赫兹发射装置及方法(57)摘要本发明提供一种自旋太赫兹发射装置及方法，利用飞秒激光器将泵浦激光穿透由互相接触的铁磁层与非铁磁层组成的双层纳米薄膜，并从非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；同时，利用电流源向非铁磁层输入电流，以在非铁磁层产生自旋流，利用其引发的自旋轨道矩使铁磁层发生磁性翻转，并从非铁磁层辐射出与第一太赫兹脉冲的极性相反的第二太赫兹脉冲，由此使得从非铁磁层辐射出与最初产生的太赫兹脉冲极性相反的太赫兹脉冲。

本发明能快速改变辐射出的太赫兹脉冲的极性，以辐射出极性相反的太赫兹脉冲，且结构简单、操作简便，有利于相关太赫兹器件的生产和应用。

权利要求书1页说明书5页附图2页CN 110535003 A 2019.12.03C N 110535003A1.一种自旋太赫兹发射装置，其特征在于，包括：飞秒激光器、双层纳米薄膜和电流源；其中，所述双层纳米薄膜包括互相接触的铁磁层与非铁磁层，所述铁磁层和所述非铁磁层均为纳米薄膜；所述飞秒激光器用于输出泵浦激光并穿透所述双层纳米薄膜，并从所述非铁磁层辐射出第一太赫兹脉冲；所述电流源用于向所述非铁磁层输入电流，以在所述非铁磁层产生自旋流，所述自旋流引发的自旋轨道矩使铁磁层发生磁性翻转，并从所述非铁磁层辐射出与所述第一太赫兹脉冲的极性相反的第二太赫兹脉冲。

2.根据权利要求1所述的自旋太赫兹发射装置，其特征在于，所述飞秒激光器为飞秒激光振荡器、飞秒激光方法器或光纤飞秒激光器；所述飞秒激光器输出的所述泵浦激光的脉冲宽度小于1ps。