THz源与探测技术的发展历程

如上所述,THz技术在诸多领域展现出广泛的应用前景,要实现如此广泛的应用,即搭建多样化、实用性的THz应用系统,高性能的THz功能器件是必不可少的。THz功能器件以及用这些核心器件构建光谱、成像、通信等各种应用系统是目前热点的研究领域。这里我们将首先介绍THz辐射源和THz探测器,下一节将分类介绍其他功能器件。

(1)THz辐射源

自THz技术诞生伊始,研发成本低、功率高、室温下稳定的THz辐射源就一直是人们重点关注的焦点。广义上来讲,THz辐射的来源非常广泛,自然界中就存在大量的THz辐射源,人体也可以辐射出微弱的THz波。随着THz技术的发展,THz辐射源的研究也获得了巨大的进步,各种类型的辐射源如雨后春笋般出现。根据THz波产生的机理,THz辐射源可以分为基于光子学的THz辐射源、基于固态电子学的THz辐射源和基于真空电子学的THz辐射源等。根据所产生的THz辐射的脉宽,THz辐射源又可以分为宽带THz脉冲辐射源和窄带THz连续波源。这里按照后一种分类方法对THz辐射源进行简单的介绍。

宽带THz脉冲辐射源目前主要应用于THz光谱技术中,其带宽可以高达几十太赫兹。光电导天线是一种常见的宽带THz脉冲辐射源,通常由在半导体材料(如低温生长的半绝缘GaAs)中制备的两条间隙为几十微米到几百微米量级的金属电极构成。飞秒激光聚焦到金属电极中间的空隙上,激发的光生载流子在外电场的作用下向金属两极迁移,从而辐射出THz波。光电导天线可以产生较高能量的THz脉冲,因此近年来获得了广泛的研究和应用。光整流法是一种常见的产生宽带THz脉冲辐射的方法,通过两个光束或者一个高强度的单色光束在非线性晶体中传播时产生的差频或和频振荡来产生THz辐射。这种方法可以实现超宽带的THz脉冲辐射输出,但是输出能量相对较低。空气等离子体法是通过激光聚焦击穿空气生成空气等离子体,从而利用其非线性效应来产生THz辐射,这是目前THz辐射源理论研究的热点之一。半导体的表面电场效应和光致丹培效应也可以用于产生宽带THz脉冲辐射,其基本原理是利用半导体表面和内部的费米能级差引起光生载流子的瞬态迁移,从而产生THz辐射,但THz辐射强度比较低。

研制窄带THz连续波源的目标是产生连续性强、带宽窄、方向性好、强度高的THz波,从而满足THz成像、通信、雷达等领域的应用。以微波电子振荡器为基础,利用倍频技术来提高其工作频率,但其工作频率往往低于250 GHz。真空电子学技术是目前实现高功率THz辐射源最有效的手段,输出功率可达千瓦量级,一般通过回旋管自由电子激光器来实现。其工作原理是将在磁场中运动的电子束的动能转换为光子能量,从而产生激光。这类辐射源的优点在于能量高、相干性好、可调谐范围大,缺点是功耗高、体积大、费用昂贵。相比之下,基于固态电子学的THz量子级联激光器的结构非常紧凑,已成为极具前景的小型化THz辐射源。其通过导带电子能级间跃迁和声子共振辅助隧穿实现粒子数反转,输出频谱覆盖1.7~5.3 THz,功率可达100 mW量级。目前,研究的重点是如何优化THz量子级联激光器的结构,进一步改善器件温度特性和光束质量以及提高输出功率等。此外,通过光泵极性分子形成转动能级的集居数反转、多光束泵浦非线性晶体实现差频放大等手段也能产生窄带THz连续波。(www.xing528.com)

(2)THz探测器

类似于THz辐射源,THz探测也可分为对宽带THz脉冲的探测和对连续THz波的探测。对于宽带THz脉冲,一般通过THz时域光谱系统来进行探测。这种探测方法不仅可以获得THz脉冲的强度信息,还可以完整地记录其相位信息,且其信噪比高、易于实现,将在第3章对其进行重点介绍。

而对连续THz波的探测可以分为非相干探测和相干探测。非相干探测,即直接检测,是指利用检波器将检波信号直接转化为电流或电压信号,得到被测信号的幅度信息。一般而言,用于非相干探测的检波器大多是量热式的探测器,如半导体测辐射热计、半导体热电子测辐射热计、超导热电子测辐射热计、超导转变边缘传感器(Transition-Edge Sensor,TES)等。这类检波器可以探测各种光源发出的THz波,而且其光谱探测范围非常宽,可以涵盖整个THz波段。但是,由于相位信息缺失,这类探测方法容易受到外界环境的影响,而且无法获得超高的探测灵敏度。相比而言,TES的探测灵敏度较高,且已经制备成大规模的检波阵列,目前最大规模的TES检波阵列是安装在美国的JCMT望远镜上的SCUBA2探测器阵列,其探测灵敏度可以达到2×10-21 W/Hz1/2。

相干探测通常采用类似于传统通信系统中的超外差结构实现频谱红移,即将THz信号变换到较低的微波-毫米波频段,再采用传统的方式提取信号的幅度和相位。由于采用了变频方式,相干探测系统较为复杂,需要混频器等关键元器件,同时对混频器及THz本振源提出了较高的要求,比如较高的输出功率和较低的噪声等。混频器的核心器件是混频管,在THz波段常用的有肖特基二极管、热电子测辐射热计式混频管、超导体-绝缘体-超导体混频管等。值得一提的是,由于可检测到相位信息,相干探测可以获得较高的空间分辨率,此外,还可进行信号放大,从而可获得较高的探测灵敏度。这类探测方法被广泛应用于各种需要高空间分辨率、高探测灵敏度的场景,比如深空探测等。南京大学和中国科学院紫金山天文台已具备了从薄膜制备到器件设计、加工和测试的一整套技术能力,在500 GHz和800 GHz频段已成功研制了超导混频器,并应用于射电天文探测[3]。