光学太赫兹辐射源及其在生物医学中的应用

GaAs在1929年由V.M.Goldschmidt[11]发现,在1973年,Aggarwal、Lax和Favrot等[12,13]利用调谐的TEA-CO2激光器在GaAs中非共线差频得到了70μm~2 mm的太赫兹波输出,此后,其中光电导和光整流等得到了广泛的应用。GaAs晶体为光学各向同性Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物半导体材料,为闪锌矿晶格结构,具有相当大的非线性系数和较小的太赫兹波段吸收损耗,容易生长出大块的晶体。其在0.9μm处存在电子本征吸收,在37μm处存在横向光学声子振动造成的强吸收,并且在剩余辐射带的任何一侧都有由于多声子和自由载流子引起的附加吸收,但这种吸收在较低温度下急剧下降,因此早期的实验中,往往将其冷却到液氦的温度以减小对太赫兹的吸收。而目前利用掺杂Cr等粒子得到的高电阻率的GaAs晶体已经在太赫兹波段具有很好的透射率。图5-11为加工后的Cr∶GaAs晶体。

图5-11　加工后的GaAs晶体

Johnson等[14]将得到的高阻率GaAs的单振子模型来描述剩余辐射带的吸收和色散特性：

其中ε∞为高频介电常数,ε0为低频介电常数,ωTO为横向光学声子频率,在300 K时,ε∞=10.9,ε0=12.8和ωTO=269 cm-1。

1996年,W.J.Moore等[15]得到更加准确的介电常数：

系数如表5-2所示。

表5-2　系数表

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文献[16]给出了GaAs晶体在近红外和中红外波段随温度变化的Sellmeier方程：

其中当T=22℃时,ΔT=0。

前面提到的几种无机晶体在太赫兹波段的吸收系数均非常小,图5-12所示为实际测量的吸收曲线,值得注意的是,由于生长工艺问题,实际获得的GaSe晶体的吸收系数往往较GaAs晶体的要高,总的来说这几种晶体在差频产生太赫兹波辐射方面具有广阔的应用前景,它们的物理与化学特性、晶体的品质因数以及与LiNbO3晶体的比较如表5-3所示,比较可以看出在现有的差频晶体中ZGP是最佳选择。

图5-12　几种常用差频晶体的吸收曲线

表5-3　各种差频晶体物理与化学特性及其比较

另外比较常见的无机差频晶体还有ZnSe、Zn Te、Cd Te、GaP、InP、InSb和InAs等晶体材料。