太赫兹技术及其应用详解

子学等。 同时由于其结构紧凑， 使之在很多领域具有很高的应用价值， 如天体物理和大气科学、空间通讯、精密光谱测量、安检领域和太赫兹成像等。

c） 自由电子激光器是将在磁场中运动的相对论电子束的动能转换为光子能量， 从而产生激光， 其特点是具有高能量和高相干性。 由于其连续性，辐射波长可以调谐到任何波长， 非常适合用作太赫兹辐射源， 但自由电子激光器的缺点是功耗高、体积大和费用昂贵， 因此自由电子激光器基本上用在实验室环境中。

d） 光泵太赫兹激光器： 太赫兹频段符合许多极性分子的转动能级， 光泵太赫兹激光器使这些极性分子的转动能级间的粒子数反转，从而产生太赫兹辐射。 国内外相关工作中， 常用的气体有CH3F 、NH3、D2O 、CH3OH 等。

e） 差频太赫兹辐射源： 差频太赫兹辐射源主要利用非线性晶体的差频效应来产生相干窄带的太赫兹辐射。 这种方法中， 需要两束不同波长的激光， 即频率不同， 以一定角度泵浦非线性晶体， 例如GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3 以及有机晶体DAST 等。 太赫兹波的频率取决于泵浦光波长， 可以方便进行调谐。

f） 光参量法： 光参量法是利用一束泵浦光入射晶体， 激发出斯托克斯光和电磁耦子。 在泵浦光和斯托克斯光的共同作用下， 电磁耦子发生受激拉曼散射， 实现太赫兹辐射。

2、 太赫兹传输

由于太赫兹波在空气中的损耗较大， 所以其传输结构是一个不可或缺的部分。对不同传输结构的损耗和色散特性的研究，逐渐成为了太赫兹领域的研究热点。。各国科研人员都在努力寻找低损耗、低色散、高功率容量的太赫兹传输结构，也就是寻找适合传输太赫兹波的材料和结构。就研究方法而言， 主要是根据太赫兹频段在波谱中夹在毫米波频段和光学频段之间这一特性，人们试图将在这些频段成熟的传输材料进行改进应用到太赫兹频段， 这些尝试包括金属圆波导、平行平面金属波导、金属线波导、带有金属涂层的介质波导、全介质波导、亚波长周期孔阵列、椭圆形空心光纤包层的微结构光纤、双线传输结构、光子晶体等。 如上所述，太赫兹频段的传输结构有很多选择， 需要针对不同的需求选择合适的导波结构。 同时仍需要寻找更低损耗和色散的太赫兹传输线材料和结构。

3、太赫兹检测

类似于太赫兹源， 其检测方式可以分为非相干检测和相干检测。

3.1 非相干检测

非相干检测， 即直接检测， 是指利用检波器将检波信号直接转化为电流或电压信号， 得到被测信号的幅度信息。 这种检测方式结构简单、动态范围宽， 适合于对毫米波、远红外线、可见光等频段的检测。 它的一个显著优点是可采用大规模检波阵列进行检测。 然而， 由于其相位信息的缺失， 它难以实现超高分辨率。 用于直接检测的检波器一般分为非制冷型检波器和制冷型检波器。 非制冷型检波一般工作于室温环境， 具有中等的灵敏度和较长的响应时间。制冷型检波器由于其工作温度很低， 可以获得很高的灵敏度和较快的反应时间。

3.2 相干检测

不同于非相干检测， 相干检测通常采用类似于传统通信系统中的超外差结构，先将太赫兹信号变换到较低的微波毫米波频段，再采用传统的方式提取信号的幅度和相位。 由于采用了变频方式，相干检测系统较为复杂，需要混频器等关键元器件，同时对混频器以及太赫兹本振源提出了较高的要求， 比如较高的输出功率和较低的噪声等。 值得一提的是， 由于可检测到相位信息，可以获得较高