毫米波与太赫兹技术

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，可以获得较高的分辨率.此外, 还可进行信号放大，从而可获得较高的灵敏度. 这种技术被广泛应用于各种高分辨率、高灵敏度的探测场景, 比如深空探测等。 国内紫金山天文台史生才团队在500 GHz 和800 GHz 频段已成功研制了超导混频器, 并应用于射电天文探测。

3.3  检波器

常用的一些检波器包括

a) 肖特基管检波器：肖特基管不仅可应用于直接检波, 还可作为非线性器件用于超外差接收机。应用在直接检波时, 具有高效率、低成本以及高集成度等优点; 应用于混频接收机系统中, 可以获得高分辨率和高灵敏度.

b) 热电探测器：热电探测器是利用光辐射与物质之间的热敏效应这一特性而设计的器件, 曾被广泛用于远红外线探测, 现已逐步用于太赫兹领域。

c) 半导体测辐射热计: 测辐射热计一般采用高灵敏度的热敏电阻对照射在探测器的热辐射所产生的相应电阻值变化进行检测, 以获得太赫兹波的功率, 一般可探测的频率范围为几十个GHz到几十个THz. 经典的测辐射热计含有重掺杂半导体。

d) 半导体热电子测辐射热计: 通过半导体或超导体中的电子与晶格相互作用来实现测辐射热计的高热传导性和小热容量, 从而使之适合于太赫兹领域. 在半导体热电子测辐射热计中, 其半导体中的非平衡态电子被称为热电子。不同于一般的测辐射热计先让晶格吸收功率再将能量传输给自由载流子, 在这种测辐射热计中, 入射的辐射能量被自由载流子直接吸收, 所以晶格温度保持不变。

e) 超导热电子测辐射热计：为了进一步提高半导体热电子测辐射热计的灵敏度, 该检波器是通过引入介质基片上的NbN 、NbTiN 或Nb 等构成的超导微桥而实现. 按照热电子测辐射热计可以分为两类: 一种是声子冷却热电子测