【導(dǎo)讀】太赫茲波通常是指頻率在0．1～10 THz（波長在0．03～3mm）波段的電磁波，我們感受不到它的存在，但它卻實(shí)實(shí)在在地圍繞在我們周圍。
太赫茲波介紹
太赫茲（Tera Hertz，簡稱THz）波通常是指頻率在0．1～10 THz（波長在0．03～3 mm）波段的電磁波，我們感受不到它的存在，但它卻實(shí)實(shí)在在地圍繞在我們周圍。
THz的長波段與毫米波（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（遠(yuǎn)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電子學(xué)與微觀光子學(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(dǎo)體激光器以及電子激光器等，這類技術(shù)來自于激光技術(shù)向長波方向的發(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，這類技術(shù)來自于微波技術(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，可以通過激光技術(shù)的間接方法獲得。（1）依靠快速調(diào)制半導(dǎo)體天線中的光電流；（2）使用超短脈沖激光器照射光電開關(guān)。這兩種方法使用的都是可見或者近紅外的激光器：前者使用連續(xù)可調(diào)的二極管激光器，后者使用飛秒光纖激光器。
TOPTICA太赫茲系統(tǒng)介紹
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(yīng)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(jù)實(shí)驗(yàn)要求組合或升級。
1連續(xù)可調(diào)諧的太赫茲電磁波
圖2 TeraScan頻域光譜平臺(tái)
圖3 TeraScan結(jié)構(gòu)簡圖
連續(xù)可調(diào)諧的太赫茲波可以通過兩臺(tái)具有相鄰波長的激光器的差頻混合來獲得，如圖2、圖3。電磁波疊加在一個(gè)半導(dǎo)體天線的結(jié)構(gòu)中，比如砷化鎵（GaAs），此結(jié)構(gòu)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(dǎo)體中產(chǎn)生光電流，通過調(diào)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(diào)諧的太赫茲波。其主要優(yōu)點(diǎn)是輸出功率高、可調(diào)諧頻率范圍寬以及發(fā)射波長低于GaAs帶隙。使用中心波長為780 nm附近的激光器可以獲得0．4～2．2 THz調(diào)諧范圍的電磁波（如圖4）；使用1550 nm附近的激光器（InGaAs天線）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(shù)
如果實(shí)驗(yàn)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(tǒng)可以改變成主振蕩功率放大器系統(tǒng)。這樣2臺(tái)DFB半導(dǎo)體激光器同時(shí)被耦合進(jìn)同一臺(tái)半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的調(diào)諧范圍和光譜性質(zhì)保持不變。
此外，TOPTICA開發(fā)了一種基于正交干涉儀的鎖模技術(shù)，此技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)控制，獲得頻率誤差在1 MHz的頻率高度精確的太赫茲波，來實(shí)現(xiàn)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(tái)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果
2 時(shí)域?qū)拵掌澆?/strong>
太赫茲脈沖電磁波通過飛秒激光器和半導(dǎo)體天線組成的輻射源來獲得。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(nèi)部或外部電場的作用下加速，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。這樣，在近紅外光譜范圍內(nèi)對應(yīng)于譜線范圍為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(qiáng)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(lán)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(tái)
圖8 TeraFlash結(jié)構(gòu)簡圖
圖9 TeraFlash1560
TeraFlash技術(shù)參數(shù)
產(chǎn)品應(yīng)用
針對無損測試應(yīng)用領(lǐng)域日益增長的需求，TOPTICA進(jìn)一步擴(kuò)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(kuò)展的時(shí)域太赫茲光譜平臺(tái)TeraFlash。由于TeraFlash獨(dú)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(jié)合的潛力。
成像擴(kuò)展使用兩個(gè)精確的線性平臺(tái)，通過聚焦的太赫茲光束掃描樣品。平移運(yùn)動(dòng)與TeraFlash中的延遲部件同步，顯著加快了測量速度，允許系統(tǒng)以每秒高達(dá)16個(gè)像素的速度采集完整波形，在15×15厘米的視場內(nèi)定位精度優(yōu)于200微米。
TOPTICA與德國柏林Fraunhofer Heinrich Hertz研究所的專家共同開發(fā)的成像擴(kuò)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(kuò)展提供了獨(dú)特的靈活性：借助對齊引腳，用戶可以快速將光學(xué)元件從透射設(shè)置重新配置為反射，反之亦然。
兩種版本都具有功能強(qiáng)大的軟件包，可提供多種對比度參數(shù)，包括振幅，相位和層厚度。此外，用戶可以在時(shí)域和頻域中過濾原始數(shù)據(jù)，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(kuò)展的完整版本，反射（左）和透射（右）
以下圖片均為Toptica產(chǎn)品測試
安檢行李箱內(nèi)物品識(shí)別
信封內(nèi)物品識(shí)別
帶斷線的安全氣囊蓋成像
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(yī)學(xué)、安全監(jiān)測和質(zhì)量控制、無損探傷、近距離無線通電和網(wǎng)絡(luò)，國防應(yīng)用等。未來，隨著太赫茲技術(shù)的日益成熟，太赫茲應(yīng)用技術(shù)必會(huì)被廣泛應(yīng)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)產(chǎn)品及技術(shù)的供應(yīng)商，會(huì)持續(xù)加大科研的投入，推出更先進(jìn)的產(chǎn)品。
