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红外激光有望填补太赫兹波空白

2008-06-17 11:27
汉水狂客
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    两种以激光器为基础的太赫兹波产生方法(一种使用近红外分布反馈二极管激光器,另一种使用飞秒激光器)有望使太赫兹波在成像、光谱以及通信领域实现更广泛的应用。

    在文艺复兴时期航海家的海图中,“terra incognita”一词用于表示超出已知范畴、尚未有记载的未知陆地。在现代科学中,太赫兹波段是电磁波谱中最后未被完全开发的领域。尽管太赫兹波技术的应用前景毋庸置疑,但它们在工业方面的应用才刚刚开始。最近人们在太赫兹辐射产生方面取得的进展,有望使太赫兹波开辟新的应用领域,特别是在成像、光谱以及通信方面。两种以激光器为基础的太赫兹波产生方法,有望最终填补目前的“太赫兹波空白”。

    太赫兹波的应用

    “太赫兹波”的频率范围是0.3~ 10THz,对应的波长为30μ~1mm(见图1)。这个频段的电磁辐射具有独特的性质。太赫兹波能够穿透多种不透明的无定形物质,例如衣物、纸张或者塑料。这是由于太赫兹波的散射不如可见光以及近红外光那么显著,而散射的减小则意味着穿透深度的增加。但是,太赫兹辐射能被水分子强烈吸收,特别是液态水的吸收要强于水蒸汽的吸收,因此仅仅一片绿色植物的叶子就可以阻挡住太赫兹波。

图1. 在电磁波谱中,太赫兹辐射位于远红外和无线电波之间。它能够被分子的转动跃迁吸收,

而X射线以及紫外辐射与电子跃迁相耦合,并且红外辐射与分子振动带相耦合。

    过去的几年里,一些学术界和工业界的研究小组得到了品质优异的太赫兹波图像,例如藏在棉布后的陶瓷刀片、硬币的高分辨率三维透视图以及气囊的防护罩(见图2)。[1],[2],[3] 然而太赫兹波图像通常是用“逐像素”扫描的方式生成的,因此总的采集时间至少要几十分钟。德国及其他国家正在集中精力开发多像素、实时太赫兹波像机。[4] 一种潜在的方法是采用“混合”的概念,即使用强电子源照射物体,然后结合相位敏感探测方案来实现三维成像。

图2. 气囊防护罩的太赫兹波图像(左图)与可见光照片(右图)的对比情况。太赫兹波成像有助于确定撕裂线的凹口深度。

    太赫兹波的另一种颇具吸引力的应用是将太赫兹辐射成像及其光谱灵敏的优点相结合,在安防领域大显身手。许多化合物在0.5~5THz波段具有独特的吸收谱线。因此,包裹或信封内隐藏的爆炸物以及违禁药物不仅可以被精确定位,而且由于这些物品独特的光谱“指纹”,还能准确识别它们到底是什么。另外,其他有望从太赫兹成像光谱获益的应用还包括医药品的品质控制以及密封包装内的食品分析。

    太赫兹波的另一个潜在应用是通信市场。更快的数据传输速率需要更高的载波频率。当然,这在技术上需要克服一些挑战,例如目前尚不存在合适的太赫兹波传输线,但人们正在设想使用100GHz及以上的自由空间信道(卫星通信,或无线下载高速视频等“热点”)。

    太赫兹波的产生

    由于产生强度高、方向性好的太赫兹光束较为困难,这使太赫兹波技术的广泛应用受到了限制。太赫兹波频率对应的热能等价于3~100K的温度范围,这将产生两个重要结果。第一,室温物体以及有机活体在某种程度上能够发出太赫兹辐射,这一特性已被用于无源太赫兹波成像(尽管需要复杂的探测器);第二,有望直接发射太赫兹波的远红外量子级联(QC)二极管激光器必须抵消激光上能级的热致粒子数分布。因此,量子级联激光器通常在低温下工作,并且发射频率不会低于2THz(尽管已经有室温量子级联激光器,但它们的发射频率通常高达35~70THz)。

    在太赫兹波谱的低频端,电子装置(Schottky或Gunn二极管频率倍增链)输出的功率水平极具吸引力(在100GHz处输出功率为100~1000mW),但频率每增加10倍,它们的输出功率要下降5~6个数量级。此外,这些装置几乎都不能进行频率调谐。

    0.5~5THz波段被看作是激光技术领域。光电子方法使用飞秒激光器或者输出近红外光的可调谐二极管激光器,连同光混频器、光导开关(或非线性晶体),可以将激光输出转化为太赫兹波——使用不同的方法,可以得到宽带太赫兹波或者频率分辨太赫兹波。

    连续波太赫兹辐射

    可调谐连续波(CW)太赫兹辐射可以通过所谓的“光混频”获得。两束波长相近的激光入射到专用的天线上,天线通常由嵌入到低温生长的砷化镓中的金属螺旋线构成(见图3)。天线的核心是成交叉手指结构的光混频器,双色激光束就聚焦在光混频器上。当天线受到光照时,半导体中就会产生自由载子,从而在金属电极上产生振荡的光电流。然后天线将光电流转换为新的太赫兹波,频率为两束激光频率之差。

图3. 嵌入到低温生长的砷化镓中的手指状金属螺旋线,能够将两束激光混频,以产生连续太赫兹辐射。

    用于连续波太赫兹波产生的理想激光源是近红外分布反馈(DFB)二极管激光器,这主要因为这些激光器能够在850~860nm获得高功率、窄线宽(由于它们本身的光栅结构)输出,调谐范围超过1000GHz并且不存在模跳变现象。通过选择具有恰当波长差的两个二极管激光器,可以在0~2THz或1~3THz之间获得连续可调的太赫兹波频差。

    最新的“双色”二极管激光器采用光纤元件进行光束合并与传送(见图4)。使用保偏2×2光纤耦合器能够实现耐用的“无需干涉”装置,并且能够在光混频器中获得必要的光束重叠。每个双色光纤的输出功率约为60mW,这意味着太赫兹波的功率为50~1000nW,具体取决于光混频器的设计以及实际的频率差别。对于光谱应用而言,这样的功率水平通常已经够用,而且光电流输出的信噪比已经超过了35dB。

图4. 连续太赫兹波装置使用两个分布反馈二极管激光器以及光纤元件用于光束合并与传输。

    DFB激光器的一个显著优点在于能够以兆赫兹甚至是亚兆赫兹的精度对激光频率进行控制。使用低精细度、温度稳定的法-珀标准具的电子反馈控制DFB激光器的波长,能够对太赫兹波频差进行高线性扫描,同时还能将太赫兹波线宽维持在仅仅1.2MHz,对应的时间尺度长达80ms。对太赫兹波频率精确的计算机化调整,能够为高分辨率太赫兹波光谱学应用(例如对危险气体以及生物制剂的定量估计)铺平道路。

    脉冲太赫兹波辐射

    利用飞秒激光可以产生超快宽带太赫兹辐射。在这种方案中,同样需要将激光输出聚焦到半导体天线上,产生的自由载流子随后被外加或者内部电场加速。这种暂态电流能够产生宽光谱电磁场。例如:采用近红外波段100fs的激光脉冲可以获得4~5THz的光谱带宽。不同的天线设计可以在800nm以及电信用1550nm波长处发挥作用。

    从激光器的方面考虑,飞秒光纤激光器是一个很好的选择。掺铒玻璃光纤构成紧凑可靠的锁模激光器的基础。它们能够在1550nm处发射宽带脉冲,平均功率超过250mW。二次谐波产生能够将基频辐射转化为775nm的倍频脉冲。150fs的脉宽以及超过100mW的平均功率与现有的砷化镓天线相兼容。

    脉冲太赫兹波实验装置在某些方面类似于常规的泵浦-探测装置。太赫兹波光束揭示样品(泵浦)的性质,并且与第二束超短脉冲(探测)一同入射到探测器。改变光束的相对延迟能够重建太赫兹波的电场,通过傅立叶变换能够获得所需的光谱信息。通常,飞秒激光器的输出光束由分束器分为两束,其中一束通过庞大的机械延迟线。延迟线通常对声波噪声以及复杂的光学准直较为敏感。

    一种名为ECOPS(电控光学取样)的新方法采用两束相对相位稳定的超快激光脉冲。通过压电元件对一根光纤振荡器的长度进行细微调制能够精确地控制“探测”脉冲扫过太赫兹波脉冲的过程。在此不需要机械延迟线,因为整个太赫兹波装置是电控的。使用莱斯大学Dan Mittleman实验室中的第一台装置,研究人员演示了在扫描频率为几百赫兹、脉冲延迟为50ps情况下小于100fs的时间抖动。

    光电技术的灵活性

    特定的实验目的决定了是选择脉冲型还是连续型太赫兹辐射。脉冲太赫兹辐射能够在最短的时间内提供宽带光谱数据。此外,通过探测脉冲的“回声”(采用类似于激光雷达或者雷达的方式)可以获得样品的深度信息。而连续太赫兹波辐射能够提供日益增长的频率分辨率,因此可用于测量较窄的光谱特征。此外,连续太赫兹波辐射使用的激光器同样要比现有的飞秒激光源价格低廉。

    与以往一样,对于太赫兹波成像、光谱以及通信这些具有巨大潜力的前沿技术,目前人们对它们的期望已经超过了现有的技术可行性。那些基于DFB二极管激光器以及目前学术界和工业界正在进一步研究的飞秒光纤激光器的光电技术,有望为太赫兹波提供更广阔的应用商机。

    参考文献
    1. I.S. Gregory et al., Appl. Phys. Lett. 86, 204104 (2005).
    2. T. Löffler et al., Appl. Phys. Lett. 90, 91111 (2007).
    3. R. Wilk, “Switchable THz reflectors,” Ph.D. thesis, University of Braunschweig (2007).
    4. German website: www.lynkeus-3d.de

(编辑:文静)

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