光電導THz源及其研究進展

摘 要：THz科學技術是近些年來發展的一門新學科，其關鍵技術是THz波的產生和探測。本文介紹了光電導THz源的產生方法、探測方法、國內外研究情況，并簡要分析了今后的發展方向。

關鍵詞：THz波；光整流；THz輻射

中圖分類號：O441.4 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）26-0365-01

1 引 言

太赫茲波（THz wave）是指頻率在0.1～10THz（1THz=1012Hz）之間的電磁波，在電磁波譜中位于微波段和遠紅外波段之間。用不同的物理量來考察THz波，1THz波的周期為1ps、波長為0.3mm，光子能量為4.1meV。

從人們對電磁波的認識來看，THz波的長波方向是微波、毫米波而且早已被廣泛應用于無線通信等領域；短波方向是紅外波同樣已在探測、成像等方面有著廣泛的應用。THz波段則在20世紀80年代前因為缺乏高效的輻射源和探測器而限制于天文學和光譜分析方面的研究與應用，人們對THz波的性質的了解并不深入。80年代后，由于超快光電子技術和低尺度半導體技術的，為THz波提供了穩定的發射源，使得THz科技取到了革命性的突破[1]。THz的應用領域也從原來的天文學、光譜分析領域迅速的拓展到了生物醫學、無損檢測、安全檢查、基礎科學和通訊等領域，尤其在通信方面，THz科技的應用方面具有巨大的潛力[2～3]。

2 產生與探測技術

2.1 產生技術

在THz波產生方法中，有耿氏震蕩方法、差頻方法、和頻方法。產生器件注入光電導開關、耿氏振蕩器等，其中光電導開關是通過利用超短激光脈沖照射光電半導體材料，利用超短激光脈沖的特點，入射光子被半導體吸收，發生躍遷，吸收光子的粒子增大動能，在半導體表面加速運動柄不斷撞擊中性原子，產生大量的自由電子一空穴對。自由電子在外加電場或內建電場的作用下加速運動，在運動過程中不斷地復合和產生，在復合的過程中輻射出光子，在半導體材料表面形成光電流，從而產生向外輻射的THz輻射脈沖。

2.2 探測技術

THz波探測技術是THz科學研究中的關鍵技術，從相干性分析，THz波的探測方式通常可以分為相干探測和非相干探測[4]。兩者最基本的區別是：相干探測可以同時獲得THz波的振幅和相位信息，而非相干探測只能獲得THz波的強度。

在THz波的探測中，THz源的輸出功率較低，又有熱背景噪聲輻射的影響，這就要求探測器要具有很高的靈敏度和頻譜分辨率。目前，常用的THz探測技術有：①隨著超快光電導技術發展而來的THz時域光譜技術；②從傳統的紅外波段的熱敏型探測器發展而來的量熱探測技術；③從電子學領域拓展的外差式探測技術。它們都有各自的應用場合，各有優缺點，下面對它們進行簡要介紹：①THz時域光譜技術：THz時域光譜（Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）是一種相干測量技術[5]。②量熱探測技術：量熱探測技術是從傳統的紅外波段的熱敏型探測發展而來的，主要的探測器有量熱輻射計、熱釋電探測器和高萊盒，屬于非相干探測。③外差式探測：外差式探測也稱差頻檢測，可用于連續THz波的探測，需要利用本地振蕩器和混頻器實現，與直接探測相比可以提高探測靈敏度嗎，比如肖特基勢壘二極管。光電導天線和電光晶體探測器都屬于主動探測方式并且能夠獲得很高信噪比的THz波形，而且屬于相干測量，但是工作頻率范圍較窄；高萊探測器和熱釋電探測器都屬于直接探測技術，可以測量各種光譜的輻射，但是靈敏度較低；量熱輻射計不能在常溫下工作，這在很大程度上限制了它的應用；外差探測器的靈敏度非常高，但是探測系統復雜，探測效果受到本地振蕩器的影響。

3 國內外研究現狀

THz波具有很多優越的特性，目前在光譜成像、雷達通信等領域已有豐富的應用，有著非常重要的學術、應用價值，美歐等發達國家都高度重視其發展。有報道稱美國現已實現能夠產生大功率THz波的輻射源，美國倫斯勒理工學院在THz波層析成像以及將THz波應用于生化樣品的識別等方面也取得了重大的科研成果。德國的相關科研機構實現THz共振結構應用于無標記DNA的識別，意大利和英國實現了全固態THz波源。在我國，雖然THz研究起步晚，但是發展勢頭迅猛。在國家科技部、中科院、國家自然科學基金委員會的牽頭帶動下，各地成立了許多THz重點實驗室，并取得了不錯的成績，包括設計低維半導體THz探測器、提出用超短脈沖在不均勻等離子體中激發產生高強度的THz輻射等。

4 結 論

THz波以其獨特的特點和巨大的應用價值而越來越受到世界各國的關注。缺少高靈敏度的室溫THz波探測器是制約THz技術發展的主要瓶頸之一，THz波輻射源技術的發展是推動THz應用技術和相關交叉學科迅速發展的關鍵所在。在各種THz發射源中，雖然與光整流法相比用光電導法輻射的THz波頻率較低、頻譜較窄，與THz激光器相比其輻射的功率較小，但目前仍是最常用的THz輻射產生方法之一。今后其發展方向主要應為通過摻雜等手段改進光電導材料的光電特性，提高輻射電磁波的頻率，展寬其頻譜，通過制作大孔徑天線或天線陣列及設法減小天線的空間電荷屏蔽、輻射電場屏蔽和飽和現象來提高輻射的功率和效率。越來越多的研究人員投身研究更為有效的THz源，隨著研究的不斷深入及其應用與交叉研究的學科領域的不斷擴大，THz波將和電磁波譜的其它波段一樣，給人類的社會生活帶來深遠的影響。

參考文獻

[1]王少宏，許景周，汪力，張希成.THz技術的應用及展望[J].物理，2001，30：612～615.

[2]Zhang X C， Xu J. Introduction to THz Wave Photonic[M]. Springer US， 2010.

[3]Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology[J]. Nature Photonics， 2007，1（2）：97～105.

[4]Sizov F， Rogalski A. THz detectors[J]. Progress in Quantum Electronics， 2010， 34（5）：278～347.

[5]Exter M， Fattinger C， Grischkowsky D. Terahertz time-domain spectroscopy of water vapor[J].Optics Letters， 1989， 14（20）：1128.

收稿日期：2018-8-7

作者簡介：王志全（1991-），男，漢族，河南柘城人，碩士，研究方向為太赫茲科學與技術。