THz的長(cháng)波段與毫米波（亞毫米波）相重合，其發(fā)展主要依靠電子學(xué)科學(xué)技術(shù)，而它的短波段與紅外線(xiàn)（遠紅外）相重合，其發(fā)展主要依靠光子學(xué)科學(xué)技術(shù)，所以太赫茲波是宏觀(guān)電子學(xué)與微觀(guān)光子學(xué)研究的交叉領(lǐng)域。這也決定了目前主要THz源的發(fā)展途徑，其一是以太赫茲激光器為代表的激光光學(xué)技術(shù)，包括氣體激光器、半導體激光器以及電子激光器等，這類(lèi)技術(shù)來(lái)自于激光技術(shù)向長(cháng)波方向的發(fā)展；其二是以微波元件為代表的真空電子技術(shù)，包括微波管、固體微波源以及耿氏二極管等，這類(lèi)技術(shù)來(lái)自于微波技術(shù)向短波方向的發(fā)展；其三是超快激光技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)是THz向低頻和高頻同時(shí)發(fā)展。

 

圖1． THz輻射在電磁波譜中的位置。
 

但是，光譜分析領(lǐng)域0．5～5 THz才具有重要意義，目前主要有兩種方法，可以通過(guò)激光技術(shù)的間接方法獲得。（1）依靠快速調制半導體天線(xiàn)中的光電流；（2）使用超短脈沖激光器照射光電開(kāi)關(guān)。這兩種方法使用的都是可見(jiàn)或者近紅外的激光器：前者使用連續可調的二極管激光器，后者使用飛秒光纖激光器。
 

TOPTICA Photonics公司對使用分布反饋二極管激光器和飛秒光纖激光器這兩種產(chǎn)生太赫茲電磁波的方法進(jìn)行了分析和比較，并建立了成熟卓越的產(chǎn)品。目前TOPTICA可為頻域／時(shí)域太赫茲應用提供多種解決方案、組件和產(chǎn)品，所有這些組件都是完全模塊化的，并且可以根據實(shí)驗要求組合或升級。
 

 

圖2 TeraScan頻域光譜平臺

 

圖3 TeraScan結構簡(jiǎn)圖
 

連續可調諧的太赫茲波可以通過(guò)兩臺具有相鄰波長(cháng)的激光器的差頻混合來(lái)獲得，如圖2、圖3。電磁波疊加在一個(gè)半導體天線(xiàn)的結構中，比如砷化鎵（GaAs），此結構作為一個(gè)太赫茲波的輻射源。兩種不同頻率的激光束在半導體中產(chǎn)生光電流，通過(guò)調整這兩束激光的頻率差，就可以獲得不同頻率的太赫茲波。
 

波長(cháng)處于800nm附近的分布反饋式（DFB）激光器特別適用于產(chǎn)生可調諧的太赫茲波。其主要優(yōu)點(diǎn)是輸出功率高、可調諧頻率范圍寬以及發(fā)射波長(cháng)低于GaAs帶隙。使用中心波長(cháng)為780 nm附近的激光器可以獲得0．4～2．2 THz調諧范圍的電磁波（如圖4）；使用1550 nm附近的激光器（InGaAs天線(xiàn)）可以獲得頻率范圍為0．1～2．9 THz的電磁波（如圖5）。工業(yè)上使用的大部分氣體、化學(xué)試劑和炸藥的吸收波段都被這些太赫茲電磁波段所覆蓋。

 

圖4 TeraScan 780

 

圖5 TeraScan 1550

TeraScan技術(shù)參數

 

如果實(shí)驗需要更高的功率（前提是光混合器也具有足夠的損傷閾值），圖3的系統可以改變成主振蕩功率放大器系統。這樣2臺DFB半導體激光器同時(shí)被耦合進(jìn)同一臺半導體放大器中，該放大器可以輸出功率為500～1000 mW的近衍射極限的光束。與此同時(shí)，DFB半導體激光器的調諧范圍和光譜性質(zhì)保持不變。

此外，TOPTICA開(kāi)發(fā)了一種基于正交干涉儀的鎖模技術(shù)，此技術(shù)可以通過(guò)計算機控制，獲得頻率誤差在1 MHz的頻率高度精確的太赫茲波，來(lái)實(shí)現某些精確檢測和定量測量有害氣體的測量。

 

圖6北航老師使用TeraScan頻域光譜平臺的實(shí)驗測試結果

 

太赫茲脈沖電磁波通過(guò)飛秒激光器和半導體天線(xiàn)組成的輻射源來(lái)獲得。使用1560nm的飛秒脈沖入射產(chǎn)生自由電荷載流子，這些載流子可在內部或外部電場(chǎng)的作用下加速，電流的通斷誘發(fā)了一種暫時(shí)性的、具有寬泛頻譜范圍的電磁場(chǎng)。這樣，在近紅外光譜范圍內對應于譜線(xiàn)范圍為0．1～5 THz、脈沖寬度為＜60 fs的太赫茲電磁波脈沖就產(chǎn)生了。太赫茲輻射源的方案之一是使用小型化、價(jià)格合理且可靠性強的超快光纖激光器。摻鉺玻璃光纖飛秒激光器可以輸出波長(cháng)約1560 nm、脈沖寬度小于60 fs、平均功率高于60 mW的激光束。Toptica還提供更高功率的飛秒光纖激光器。TOPTICA公司的光纖激光器產(chǎn)生的太赫茲電磁波的信噪比可以與使用鈦－藍寶石激光器獲得的太赫茲電磁波的信噪比相比擬。

 

圖7 TeraFlash時(shí)域光譜平臺
 

 

圖8 TeraFlash結構簡(jiǎn)圖
 

 

圖9 TeraFlash1560

 

 

 

針對無(wú)損測試應用領(lǐng)域日益增長(cháng)的需求，TOPTICA進(jìn)一步擴展了其太赫茲儀器組合。今年在Photonics West，推出一款新產(chǎn)品－成像擴展的時(shí)域太赫茲光譜平臺TeraFlash。由于TeraFlash獨特的光譜的帶寬（0．1 － 5 THz），研究人員可以充分利用它成像與光譜相結合的潛力。

成像擴展使用兩個(gè)精確的線(xiàn)性平臺，通過(guò)聚焦的太赫茲光束掃描樣品。平移運動(dòng)與TeraFlash中的延遲部件同步，顯著(zhù)加快了測量速度，允許系統以每秒高達16個(gè)像素的速度采集完整波形，在15×15厘米的視場(chǎng)內定位精度優(yōu)于200微米。

TOPTICA與德國柏林Fraunhofer Heinrich Hertz研究所的專(zhuān)家共同開(kāi)發(fā)的成像擴展有兩個(gè)版本－為希望使用自己的光學(xué)元件的研究人員提供“基本”版本，以及包括用于光束整形和聚焦的拋物面反射鏡的“完整”版本。完整的成像擴展提供了獨特的靈活性：借助對齊引腳，用戶(hù)可以快速將光學(xué)元件從透射設置重新配置為反射，反之亦然。

兩種版本都具有功能強大的軟件包，可提供多種對比度參數，包括振幅，相位和層厚度。此外，用戶(hù)可以在時(shí)域和頻域中過(guò)濾原始數據，并沿樣本的任意橫截面生成幅度和高度分布。
 

 

太赫茲成像擴展的完整版本，反射（左）和透射（右）

以下圖片均為T(mén)optica產(chǎn)品測試
 

 

安檢行李箱內物品識別

 

信封內物品識別

 

帶斷線(xiàn)的安全氣囊蓋成像

 

含有氣泡的塑料楔子的成像

太赫茲技術(shù)還可用于生物醫學(xué)、安全監測和質(zhì)量控制、無(wú)損探傷、近距離無(wú)線(xiàn)通電和網(wǎng)絡(luò )，國防應用等。未來(lái)，隨著(zhù)太赫茲技術(shù)的日益成熟，太赫茲應用技術(shù)必會(huì )被廣泛應用。TOPTICA作為業(yè)界領(lǐng)先的二極管激光器、飛秒光纖技術(shù)以及光學(xué)數據存儲產(chǎn)品及技術(shù)的供應商，會(huì )持續加大科研的投入，推出更先進(jìn)的產(chǎn)品。