本文簡單介紹了三種太赫茲波的產生方式。

太赫茲波（THz）是一種電磁波，在電磁波譜上位于紅外與微波之間。太赫茲光子能量在1-10 meV范圍之間，在光譜分析、醫療成像、移動通信方面都有非常廣闊的應用場景。THz產生通常基于瞬態電流輻射，本文將介紹3種常見的THz產生方式。

第一種方式為光整流。光整流效應類似于差頻，其原理如圖1所示，若脈沖自差頻的頻率落在THz范圍內，則可產生不同頻率的THz。典型的飛秒激光脈寬在10 fs - 10 ps，其對應的頻譜內的頻率差剛好覆蓋0.1 - 100 THz。光整流可選擇的晶體分為有機晶體及無機晶體兩大類，無機晶體相位匹配帶寬窄，但是損傷閾值高，目前取得的研究結果功率集中在100 mW - 1 W，小于5 THz這個范圍；而有機晶體帶寬寬，損傷閾值低，其功率在1 - 10 mW，但產生的THz頻率可以覆蓋到10 THz。

圖1 差頻產生THz原理［1］

選擇晶體時，較大的非線性系數、較厚的晶體、較低的太赫茲吸收系數以及適當的光學和太赫茲頻率折射率有助于提高THz產生效率。但是實際材料往往難以滿足上述所有條件，圖2列舉了6種晶體的相位匹配情況。GAP吸收系數小，損傷閾值高，但是非線性系數小，效率僅為0.001%；LiNbO?可以做到比較高的效率，但是需要波前傾斜，實際裝置需要配合光柵等復雜度比較高；有機晶體非線性系數大，如BNA，效率可達0.1%，但是對溫度敏感，損傷閾值低，承受功率一般小于2 W［2］。

圖2 6種不同晶體激發THz時相位匹配條件［3］

第二種常用的產生THz的方式是光導天線，工作原理如圖3所示。其基本結構是在半導體襯底上加工兩個金屬電極，當飛秒激光照射到電極之間的襯底材料時，半導體表面產生瞬態光生載流子，這些載流子在外加偏置電場作用下形成瞬態光電流，輻射太赫茲電磁波脈沖。較大的偏置電壓、交叉電極陣列的方式可以增強該方式的THz產生效率（如圖3）。

圖3 光導天線產生THz原理

第三種產生THz的方式是激光產生等離子體。其最大的優勢是不受介質損傷閾值的限制，可借助高功率激光來實現超強太赫茲輻射。1993 年，Hamster 等人用TW級的高功率激光使氣體電離產生等離子體，從而輻射太赫茲波。2000 年，雙色場理論的提出大大提高了太赫茲波的輻射效率。進一步研究表明，稀有氣體中太赫茲產生效率更高，可達到到 。

激光與等離子體相互作用的太赫茲輻射源可根據產生等離子體的物質狀態來區分，主要包括固態、液體、氣體。等離子體產生THz強度和等離子體密度相關，其中氣體等離子體密度最弱，目前輻射THz能量最高為0.185 mJ；固體產生等離子體密度最強，研究人員用60 J 的超強激光泵浦金屬薄膜，獲得了55 mJ的太赫茲。但強激光照射會破壞固體靶體，導致等離子體狀態不穩定，從而阻礙了穩定的太赫茲產生。相比之下，氣體靶提供較低的等離子體密度，但氣體可持續補充，確保了太赫茲輻射的穩定性。作為氣體和固體靶的折中，具有更高密度和潛在改善等離子體穩定性的液體靶已被研究。目前液體產生太赫茲的能量僅有0.08 mJ，提升液體靶的效率是之后的工作重點。

圖4 不同技術產生THz結果［1］

隨著高功率飛秒激光技術的快速發展，基于飛秒激光泵浦的太赫茲輸出能量也在逐年提升（如圖4），從單脈沖能量nJ 到μJ 再發展到目前mJ 量級，實現了6個數量級的跨域，功率也從mW 跨越到W 級。這些技術極大促進了太赫茲光源的應用。

參考文獻：

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