【成像】【4】产生连续波Terahertz辐射

前言

很多前面的文章都是基础，也许都是基础，

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产生连续波太赫兹辐射的方案

光混频

光混频和PCA非常相似(如何一切都和谐)PCA很像）

不同之处在于，在半导体中使用激励电子两个连续波激光器

而不是宽带飞秒脉冲

光电混频器的优点：宽度可调， 0.1 ～ 3 T H z 0.1\sim 3THz 0.1～3THz 二极管和纤维技术也可以集成 光电混频器小于1GHz的频率的分辨率比脉冲法（10GHz）要高 意味着光电混频器在气体光谱学方面更受青睐（但是这优点在mw范围没了）

(对数螺旋天线允许最大调变化和幅度较宽的情况下进行最大调整。缺点是效率低) 上图显示了在半绝缘砷化镓基板上生长砷化镓的光电混频器LT-GaAs材料制造

如果使用平板天线，则需要选择800波长nm~850nm连续波便于材料间隙的匹配

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当连续波激光器的辐射到达光电混频器时，信号干扰会产生差频信号

I ( t ) ∝ ∣ E 1 e ? i w 1 t E 2 e ? i w 2 t ∣ = ∣ E 1 ∣ 2 ∣ E 2 ∣ 2 2 E 1 E 2 c o s w t I(t)\propto |E_1 e^{-iw_1t} E_2 e^{-iw_2t}| = |E_1|^2 |E_2|^2 2E_1E_2coswt I(t) ∝ ∣E1​e−iw1​t+E2​e−iw2​t∣=∣E1​∣2+∣E2​∣2+2E1​E2​coswt

最后一项 2 E 1 E 2 c o s w t 2E_1E_2coswt 2E1​E2​coswt表示差频调制，频率为 ω = ∣ ω 1 − ω 2 ∣ \omega=|\omega_1 - \omega_2| ω=∣ω1​−ω2​∣ —— 所以可以调制低温生长材料中的光生电流

与连续波激光器不同，振荡偶极子可以在频率 ω \omega ω上产生辐射，通过调谐其中一个激光器的频率，由光电混频发射的辐射频率可以大范围调谐 在高频末端的调谐范围，受限于材料的响应时间 产生高频的太赫兹场与光生电流更快的振荡对应（典型工作极限约为3THz）

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差频产生terahertz

差频产生利用了电光晶体中的同类型的二阶非线性

电光晶体用于光学整流（产生太赫兹）、波克尔斯效应（也可以用于探测太赫兹）

如果两个电场变量 ϵ j \epsilon_j ϵj​和 ϵ k \epsilon _k ϵk​来自不同频率的单色光束，那么介质极化就会在和频、差频上振荡

P ⃗ i ( 2 ) ∝ ∑ j , k = x , y , z χ ⃗ ( 2 ) ϵ 0 , j c o s ( ω 1 t ) ϵ 0 , k c o s ( ω 2 t ) ∝ 1 2 ⋅ ∑ j , k = x , y , z χ ⃗ ( 2 ) ϵ 0 , j ϵ 0 , k [ c o s ( ω 1 + ω 2 ) t + c o s ( ω 1 − ω 2 ) t ] \vec{P}_i^{(2)} \propto \sum _{j,k = x,y,z} \vec{\chi}^{(2)} \epsilon _{0,j} cos(\omega_1t) \epsilon _{0,k} cos(\omega_2t) \\\\ \propto \frac{1}{2} \cdot \sum _{j,k = x,y,z} \vec{\chi}^{(2)} \epsilon _{0,j} \epsilon _{0,k} [ cos(\omega_1+\omega_2) t+ cos(\omega_1 -\omega_2) t ] P i(2)​∝j,k=x,y,z∑​χ ​(2)ϵ0,j​cos(ω1​t)ϵ0,k​cos(ω2​t)∝21​⋅j,k=x,y,z∑​χ ​(2)ϵ0,j​ϵ0,k​[cos(ω1​+ω2​)t+cos(ω1​−ω2​)t]

差频上的极化振荡是太赫兹辐射的源

差 频 上 极 化 振 荡 ⇒ 太 赫 兹 差频上极化振荡 \Rightarrow 太赫兹 差频上极化振荡⇒太赫兹

太赫兹辐射通过得到与两束入射光频率差相等的频率值产生

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差频产生的关键是相位匹配

确保振荡极化与产生的太赫兹波在穿过晶体时相位匹配 ——通过调制非线性介质的角度

         \;\\\;\\\; 差频产生的材料常用硒化砷——其电光系数很大 d 22 = 54 p m / V d_{22}=54pm/V d22​=54pm/V，这对太赫兹辐射和光辐射都是透明的。通过红外光域的光泵浦，可能实现相位匹配。红外范围存在Nd：YAG的强力激光器

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差频产生的另一几何结构是将非线性介质放入共振腔

在共振腔内，差频产生被集成在光产量振荡器OPO内。差频产生的典型平均可用功率在几个mw内调谐

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参量放大

参量放大也以光电晶体的光学非线性为基础，特别是铌酸锂

参量放大用到的是单入射光束，而不是在差频生成中用的两束入射光束

这个光束可以当做泵，它在非线性介质中产生两个波束， ω p = ω s + ω i \omega_p = \omega _s + \omega _i ωp​=ωs​+ωi​ 其中 ω s \omega_s ωs​是信号束， ω i \omega_i ωi​是闲频

信号束 ω s \omega_s ωs​的频率受控于相位匹配条件 k ⃗ p = k ⃗ s + k ⃗ i \vec{k}_p = \vec{k}_s +\vec{k}_i k p​=k s​+k i​ —— k ⃗ \vec{k} k 是波矢量

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相位匹配受控于在非线性介质中闲频波束与光泵浦共同产生的角度的改变

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单独的激光束可以用作产生闲频波束，或者通常使用更多的是闲频共振腔

闲频是什么？

闲频光是和信号光同时生成的光，是所需要的信号光以外的多余波段光

闲频谐振器保证了强有力的闲频源的存在？，这会提高输出效率

参量放大转置的调谐范围通常在 1 ∼ 3 T H z 1\sim3THz 1∼3THz，峰值功率能够超过 3 W 3W 3W峰值功率和 10 μ W 10\mu W 10μW平均功率

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气体激光器×

陈旧的技术

与在光谱可见光范围内工作的气体激光器类似

用到的一般是 C H 3 O H , N H 3 , C H 2 F 2 , C H 3 C l , C H 3 I CH_3OH , NH_3 , CH_2 F_2 , CH_3Cl, CH_3I CH3​ 标签： 763nm可调谐激光二极管852nm可调谐激光二极管1050nm发射二极管100w硅微波脉冲功率晶体管硅微波脉冲功率晶体管c4d15120肖特基二极管