co_2c2_激光差频产生thz辐射与基于混频效应的宽带倍频理论分析

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1、第1章绪论1．1太赫兹辐射的主要特点及应用作为整个电磁波谱的一个部分，太赫兹(terahertz，简称THz)波段位于微波波段和远红外波段之间，如图l一1所示。广义上说，太赫兹波段是指频率在0．1T№到10THz之间(1THz=1012Hz)，即九=3000胂～30／an，或者狭义上说，太赫兹波段指的是频率在0．3THz至U3THz之间，即九=1000／gin～100舯。因此，太赫兹波也被微波波段的研究人员称作亚毫米波(submillimeter-wave)【l】。这个波段不仅仅被认为是传统微波波段和光学波段相衔

2、接的区域，而且也被认为是宏观和微观的过渡区间。与相邻的两个波段不同，因为缺乏有效的太赫兹波的产生和探测技术，太赫兹波段长期以来没有得到较为系统的研究。因为人们对太赫兹波段各种特性的了解非常的有限，所以太赫兹波段也被称作电磁波谱的“太赫兹空隙”(“T№Gap”)【21。ELEcTRoNIcsT№regi。nPHOTONIcs10jkilo106109megaglga1012tera1015peta1018eXa图l一1．电磁波谱及太赫兹波段在其中的位置1021zetta因为太赫兹波拥有的许多很有价值的特性以及太赫兹

3、波段潜在的应用，太赫兹辐射一直受到全世界科研人员的关注。．另外，随着一些与太赫兹相关的科学技术领域的发展，在太赫兹领域做出更深入研究的科研条件已经成熟。当今世界，许多国家和地区已经把发展太赫兹技术作为一项意义重大的战略计划在实施并已经给出各自在太赫兹技术领域相应的发展规划【3】o第1章绪论介于微波波段和光波波段之间的太赫兹波具有许多特殊的性质。太赫兹波这些特性与电磁波谱上的其他波段的电磁波有很大的区别。太赫兹波的特点主要有一下几点：首先，许多有机大分子的振动和转动频率主要集中在太赫兹波段，因而它们会对相应的太赫兹

4、波产生强烈的吸收和共振。这一特性可以被利用于检验某些特殊的化合物，比如毒品【41。就像人的指纹和虹膜具有唯一性一样，我们可以通过这些特有的特征去区别不同的物质。其次，太赫兹波可以穿透一些在可见光和红外波段不透明的物质，如：衣物、木材、纸张和塑料等。因此，我们可以利用太赫兹辐射检测隐藏在这些在太赫兹波段是透明的物质中的夹带物、缺陷、损伤等等。值得注意的是，整个探测和检测过程是非接触且无需将物品拆开的。再次，与X射线相比，太赫兹波具有更长的波长。那么，在太赫兹波段单个光子的能量(4．1meV@1THz)就要比在X射线

5、波段的单光子能量低得多。于是，在医学和生物学方面的应用中，太赫兹波比X射线显示出了更高的安全性。人们无需过分担心在太赫兹检测中的太赫兹波对人体的伤害问题。最后，与微波相比较而言，太赫兹波的波长更短。因此，在成像的应用中，太赫兹波成像具有比微波成像更高的空间分辨率，使得所成的图像更为清晰。而在通信领域，太赫兹波段比微波波段具有更宽的带宽。太赫兹波的所有的这些特性表明，它将会拥有一个十分广阔的应用前景。在科研人员们在太赫兹领域努力研究了几十年之后，如今，太赫兹领域已经成为最具活力的研究领域之一。总而言之，世界上许多国

6、家正在研究太赫兹技术在国土安全、医学成像、宽带通信、环境检测、天文探测等方面的应用。今后，太赫兹技术将在这些领域里具有其特殊的价值和光辉的前景。1．2太赫兹辐射的产生在限制太赫兹技术发展的众多技术瓶颈中，太赫兹波的产生技术是其中十分关键的一项。没有高质量的太赫兹源就很难对太赫兹领域有深入的理解和研究，更谈不上成熟的应用。缺少的能够产生高功率、高质量、高效率的太赫兹波，且低成本并能在室温下运转的太赫兹源是目前面临的主要问题。为此，身处不同科研领域下的研究人员在各自的领域里做了大量的卓有成效的研究，在他们的努力下，许

7、多不同的太赫兹波产生方法被提出。这些方法大致上可分为两大类：电子学方法和光子学方法15J．第1章绪论1．2．1基于电子学方法产生太赫兹辐射因为微波波段是位于太赫兹波段的低频一侧，所以电子学领域的研究人员希望将电磁辐射的频率向高频端延伸以产生太赫兹辐射。这类方法可以产生高效率、高功率的太赫兹辐射，但是，太赫兹波的频率大都被限制在1THz以下。因此，目前基于电子学方法产生太赫兹辐射的主要问题是如何提高所产生的太赫兹辐射的频率。利用电子学方法产生太赫兹辐射主要包括以下几种方法：首先，在微波领域，真空电子器件如反波管(B

8、WO)、耿式(Gunn)振荡器等已经能够产生接近或达到1THz的太赫兹辐射，而电子迪旋管有希望能产生lTHz以上的太赫兹辐射。也有不少研究人员对微波领域的倍频或频率上转换的研究做了相当大的努力。太赫兹辐射可以通过在GaAs肖特基二极管倍增器中从微波波段产生【6J。该方法是一种能够产生低功率(<100∥w)连续太赫兹辐射的技术。这种结构紧凑的技术可能在将来会有一个颇具潜力的