光电导THz源及其研究进展

摘 要：THz科学技术是近些年来发展的一门新学科，其关键技术是THz波的产生和探测。本文介绍了光电导THz源的产生方法、探测方法、国内外研究情况，并简要分析了今后的发展方向。

关键词：THz波；光整流；THz辐射

中图分类号：O441.4 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）26-0365-01

1 引 言

太赫兹波（THz wave）是指频率在0.1～10THz（1THz=1012Hz）之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波段和远红外波段之间。用不同的物理量来考察THz波，1THz波的周期为1ps、波长为0.3mm，光子能量为4.1meV。

从人们对电磁波的认识来看，THz波的长波方向是微波、毫米波而且早已被广泛应用于无线通信等领域；短波方向是红外波同样已在探测、成像等方面有着广泛的应用。THz波段则在20世纪80年代前因为缺乏高效的辐射源和探测器而限制于天文学和光谱分析方面的研究与应用，人们对THz波的性质的了解并不深入。80年代后，由于超快光电子技术和低尺度半导体技术的，为THz波提供了稳定的发射源，使得THz科技取到了革命性的突破[1]。THz的应用领域也从原来的天文学、光谱分析领域迅速的拓展到了生物医学、无损检测、安全检查、基础科学和通讯等领域，尤其在通信方面，THz科技的应用方面具有巨大的潜力[2～3]。

2 产生与探测技术

2.1 产生技术

在THz波产生方法中，有耿氏震荡方法、差频方法、和频方法。产生器件注入光电导开关、耿氏振荡器等，其中光电导开关是通过利用超短激光脉冲照射光电半导体材料，利用超短激光脉冲的特点，入射光子被半导体吸收，发生跃迁，吸收光子的粒子增大动能，在半导体表面加速运动柄不断撞击中性原子，产生大量的自由电子一空穴对。自由电子在外加电场或内建电场的作用下加速运动，在运动过程中不断地复合和产生，在复合的过程中辐射出光子，在半导体材料表面形成光电流，从而产生向外辐射的THz辐射脉冲。

2.2 探测技术

THz波探测技术是THz科学研究中的关键技术，从相干性分析，THz波的探测方式通常可以分为相干探测和非相干探测[4]。两者最基本的区别是：相干探测可以同时获得THz波的振幅和相位信息，而非相干探测只能获得THz波的强度。

在THz波的探测中，THz源的输出功率较低，又有热背景噪声辐射的影响，这就要求探测器要具有很高的灵敏度和频谱分辨率。目前，常用的THz探测技术有：①随着超快光电导技术发展而来的THz时域光谱技术；②从传统的红外波段的热敏型探测器发展而来的量热探测技术；③从电子学领域拓展的外差式探测技术。它们都有各自的应用场合，各有优缺点，下面对它们进行简要介绍：①THz时域光谱技术：THz时域光谱（Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）是一种相干测量技术[5]。②量热探测技术：量热探测技术是从传统的红外波段的热敏型探测发展而来的，主要的探测器有量热辐射计、热释电探测器和高莱盒，属于非相干探测。③外差式探测：外差式探测也称差频检测，可用于连续THz波的探测，需要利用本地振荡器和混频器实现，与直接探测相比可以提高探测灵敏度吗，比如肖特基势垒二极管。光电导天线和电光晶体探测器都属于主动探测方式并且能够获得很高信噪比的THz波形，而且属于相干测量，但是工作频率范围较窄；高莱探测器和热释电探测器都属于直接探测技术，可以测量各种光谱的辐射，但是灵敏度较低；量热辐射计不能在常温下工作，这在很大程度上限制了它的应用；外差探测器的灵敏度非常高，但是探测系统复杂，探测效果受到本地振荡器的影响。

3 国内外研究现状

THz波具有很多优越的特性，目前在光谱成像、雷达通信等领域已有丰富的应用，有着非常重要的学术、应用价值，美欧等发达国家都高度重视其发展。有报道称美国现已实现能够产生大功率THz波的辐射源，美国伦斯勒理工学院在THz波层析成像以及将THz波应用于生化样品的识别等方面也取得了重大的科研成果。德国的相关科研机构实现THz共振结构应用于无标记DNA的识别，意大利和英国实现了全固态THz波源。在我国，虽然THz研究起步晚，但是发展势头迅猛。在国家科技部、中科院、国家自然科学基金委员会的牵头带动下，各地成立了许多THz重点实验室，并取得了不错的成绩，包括设计低维半导体THz探测器、提出用超短脉冲在不均匀等离子体中激发产生高强度的THz辐射等。

4 结 论

THz波以其独特的特点和巨大的应用价值而越来越受到世界各国的关注。缺少高灵敏度的室温THz波探测器是制约THz技术发展的主要瓶颈之一，THz波辐射源技术的发展是推动THz应用技术和相关交叉学科迅速发展的关键所在。在各种THz发射源中，虽然与光整流法相比用光电导法辐射的THz波频率较低、频谱较窄，与THz激光器相比其辐射的功率较小，但目前仍是最常用的THz辐射产生方法之一。今后其发展方向主要应为通过掺杂等手段改进光电导材料的光电特性，提高辐射电磁波的频率，展宽其频谱，通过制作大孔径天线或天线阵列及设法减小天线的空间电荷屏蔽、辐射电场屏蔽和饱和现象来提高辐射的功率和效率。越来越多的研究人员投身研究更为有效的THz源，随着研究的不断深入及其应用与交叉研究的学科领域的不断扩大，THz波将和电磁波谱的其它波段一样，给人类的社会生活带来深远的影响。

参考文献

[1]王少宏，许景周，汪力，张希成.THz技术的应用及展望[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，汉族，河南柘城人，硕士，研究方向为太赫兹科学与技术。