光混频技术实现连续太赫兹辐射源

目前广泛使用的光混频器产生太赫兹辐射的理论分析模型是20世纪90年代初由Brown等[1]提出的等效电路模型。图6-1是光混频产生太赫兹辐射的基本原理示意图,其中(a)是双光束光混频示意图,(b)是对应的等效电路图。

图6-1　光混频产生太赫兹辐射的基本原理示意图

该模型表明：两束单模激光的平均功率分别为P 1和P 2,频率分别是ω1和ω2,这两束激光入射到光混频器件上,光混频器件上吸收的瞬时光功率的表达式为

式中,P 0=P 1+P 2表示经过的总平均入射光功率;m表示混频系数。第一个余弦项以差频(ω1-ω2)对光电导调制,而第二个余弦项近似于二倍光频率,变化周期远小于载流子寿命τ,无法对光电导产生较为明显的调制效应。对于一个光混频太赫兹辐射源,太赫兹功率可以表述为

(www.xing528.com)

式中,I ph表示直流光生电流;ωT表示太赫兹频率;τ表示电荷载流子寿命;R A表示天线阻抗;C表示光混频器电容。光电流和偏置电压V bias和激光器输出功率P 0的关系式为

在这里假设两束激光具有相等的功率以及波束完美重合。

直至20世纪90年代,在脉冲太赫兹辐射产生将近十年之后,麻省理工学院的Brown小组[1,2]使用连续激光代替脉冲激光,在光电导天线上产生了频率为0.2 THz的窄频带连续太赫兹辐射。该小组[3]在1995年使用连续钛宝石激光器和光电导天线,将连续太赫兹辐射的频率拓展至3.8 THz。

太赫兹光混频器的最大缺点是输出功率比较低,尤其当频率在1 THz以上时。对于单一的光混频器,典型的光-电转换效率低于10-5,太赫兹辐射频率在2 THz时的功率在2μW附近,而当频率在3 THz时功率在0.1μW以下,较低的太赫兹辐射功率无法应用于非线性光谱学、成像系统等科学测量领域。为了提高太赫兹辐射光混频器的输出功率,主要从三个方面进行改善,包括优化天线设计、提高泵浦激光功率和采用其他衬底材料。