太赫兹科学技术的新发展

人们希望的一种THz源。但半导体器件的工作频率难于达到1THz以上，而半导体THz激光器，特别是THz量子级联激光器是目前的发展重点之一。第一篇关于量子级联激光的文章有Melvin Lax等发表于1960年，其后于1994年起，Bell实验室的J．Faist做了很多有益的工作（Science，264，22，1994)。在俄国这方面的工作也做了不少(Kazarinov，Sov．Phys．Semi．5，207，1971)，但实验长期没有突破。朗讯曾把QCL作为一个研发重点，但没有结果。直至2002年由英国和意大利科学家获得突破（Nature 417，156－159，2002）。

量子级联激光器(QCL)是以异结构半导体（GaAs／AIGaAs）的导带中的次能级间的跃迁为基础的一种激光器。利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转。

2002年的结果是频率4.4THz，温度50K，脉冲功率20mW。

此后，很多国家都积极开展QCL的研究工作，采用了不同的材料。

到2004年，美国MIT最新的结果是：2.1 THz，CW功率lmW(温度93K)，脉冲功率为20mW（温度137K）。

到2005年，MIT  QCL已经用于THz成像，可见THz技术发展的速度比我们想象的要快得多。

在我国，中国电子集团南京55所，渡越雪崩二极管可以做到0.1THz。中国科学院上海微系统研究所和中国科学院半导体研究所，已开展QCL的研究工作并已作出一定的成果。

半导体THz辐射源已安排了一个专题报告进行详细论述。

2、基于光子学的太赫兹辐射源

飞秒激光脉冲的发展给THz源带来了很大的机遇。已经发展了很多基于飞秒激光脉冲和非线性光学晶体的THz激光源。

如THz光导天线、光整流、非线性差频、THz参量振荡器和放大器（TPG，TPO，TPA）和光学Cherenkov辐射等等。

这种方法产生的THz辐射，可以是脉冲的，也可以是连续波的。

下图表示光脉冲通过非线性光学晶体产生THz辐射的典型情况。差频发生器（DEG），是一个三波混频非线性过程。

这方面的研究工作，我国天津大学等单位，也已开展了研究工作，并作出了一定的成果。详细内容将在专题报告中给出。

3、基于真空电子学的太赫兹源

近儿年来，随着THz科学技术的迅速发展，利用真空电子学产生THz辐射的研究工作取得了很大的进步，其中包括真空电子器件、电子回旋脉塞、自由电子激光、Cherenkov辐射，甚至使用储存环加速器来产生高亮度THz辐射。

某些真空电子器件如返波管（BWO）、扩展互作用振荡器（E1O）、绕射辐射器件(Orotron)等的工作频率己接近或达到1THz。

回旋管可望在1THz产生千瓦级的脉冲输出，平均功率可达几十瓦以上。

特别是由CIT的JPL实验室等研究的"纳米速调管"可望在1—3THz频率上工作。纳米速调管结合了电子学、光子学和微加工技术，是很有创新意义的一种新器件。

纳米速调管由于使用微加工技术，所以保证每个纳米速调管频率和相位的一致性，因此可以组成纳米速调管阵列，以大大提高输出功率。利用构成THz阵列辐射源是提高THz辐射功率的一个重要途径。

自由电子激光可工作于THz。自由电子激光的波长主要取决于摇摆器的周期和电子束的能量：
λ≈λ_ω／4γ² γ＝（1－β²）^-1  β＝v/c
其中λ_w是摇摆器周期，γ是相对论因子。

今年1月13一14日，在美国Honolulu召开的THz辐射源研讨会上，报告了一篇用lMeV静电加速器的FEI，可以在2mm到500微米，（0.15—6）THz，产生lkW的准连续波输出，这一结果被认为是迄今为止最重要的成果之一。

2002年，在Nature上发表的另一篇论文体现了电子学和光子学相结合的方法。利用飞秒激光照射GaAs光学晶体，发射出电子束，再用加速器将电子束加速到40MeV。电子在磁场作用下作旋转运动从而发射出THz辐射，由于电子束的尺度远小于波长，所以辐射是相干的。实验结果可以得到20w连续波的THz辐射。所以，如前所述，Nature编辑部将这篇文章定为研究亮点。

我国真空电子器件已有相当好的基础，回旋管的研究工作已在电子科技大学和中科院电子所进行，在0.1THz已作出近100KW脉冲输出的回旋管。FEL己在中科院高能物理所、中国工程物理研究院、北京大学和电子科技大学进行，并取得一定的成果。

利用自由电子产生THz辐射的详细论述将在另一专题报告中给出。

五、太赫兹波段信号的检测

在THz波段的开发和利用中，信号的检测具有举足轻重的重要意义。因为，一方面，与较短波长相比，THz波段光子能量低，背景噪声常常占据显著的地位；另一方面，为了充分发挥THz系统的作用（例如，发现更微弱的目标、在更远的距离上通讯等等），不断提高接收的灵敏度也是必然的追求。

在不同的频率应选择