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 高重頻飛秒太赫茲輻射源的最新發(fā)展，極大地提高了太赫茲輻射的效率，并且預(yù)示著光電導(dǎo)發(fā)射器仍將是重要的太赫茲光源。

 作者:Jared Wahlstrand, Thomas Dekorsy, GregorKlatt, Steven Cundiff

 太赫茲（1THz=10¹²Hz）波的頻率范圍介于微波和紅外輻射之間。許多振動分子激發(fā)在太赫茲范圍內(nèi)是可探測的，這使其成為化學(xué)探測的有用頻帶，并服務(wù)于工業(yè)裝配和國土安全領(lǐng)域。將太赫茲輻射源發(fā)射的短脈沖與電光采樣相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，能夠?qū)�介質(zhì)在遠(yuǎn)紅外區(qū)響應(yīng)的實(shí)部和虛部同時(shí)進(jìn)行超快測量。^[1,2]由于太赫茲發(fā)射鎖模飛秒激光器尚未實(shí)現(xiàn)，因此產(chǎn)生太赫茲脈沖的最簡單方法是使用一臺工作于光學(xué)波長的鎖模激光器。持續(xù)時(shí)間小于1ps的太赫茲短脈沖，相當(dāng)于一個(gè)沿亞皮秒光脈沖強(qiáng)度包絡(luò)方向的電場。

盡管目前人們正在大力開發(fā)高峰值功率的太赫茲光源，因?yàn)樗�可以用于在太赫茲頻率上研究非線性光學(xué)，但是對于線性光譜學(xué)來說，最重要的是平均功率，而并非峰值功率。相較于那些基于放大激光系統(tǒng)的光源，高重頻（50~1000MHz）飛秒光源結(jié)構(gòu)更加簡單、成本更低、噪聲更小。通過使用兩臺同步脈沖激光器，其中一臺產(chǎn)生太赫茲脈沖、另一臺探測太赫茲電場，人們甚至無需任何機(jī)械移動部件就可以建立起一套太赫茲光譜分析系統(tǒng)。^[3]下面將討論基于半導(dǎo)體的高重頻太赫茲光源的一些最新進(jìn)展。需要說明的是，本文不可能涵蓋這一高速發(fā)展的領(lǐng)域在近年來取得的所有發(fā)展，而只是列出幾個(gè)例子加以討論。

 光電導(dǎo)發(fā)射

從本質(zhì)上說利用光脈沖來產(chǎn)生太赫茲輻射有兩種機(jī)制。最簡單的是光整流。在一塊沒有反轉(zhuǎn)對稱性的透明介質(zhì)中，一個(gè)強(qiáng)光脈沖可以誘導(dǎo)出隨之運(yùn)動的偶極電荷分布并發(fā)射太赫茲輻射。通常人們使用寬帶隙半導(dǎo)體碲化鋅等材料或DAST等有機(jī)非線性晶體。光整流具有操作簡單的優(yōu)勢：操作人員只需將鎖模激光器發(fā)出的光束聚焦到晶體中。這種方法的缺點(diǎn)是：因?yàn)榫�體的吸收，所以可以獲得的帶寬有限。另外，光整流要求相位匹配：為了高效地產(chǎn)生太赫茲短脈沖，光脈沖的群速度需要與太赫茲波的相速度相匹配。

第二種產(chǎn)生機(jī)制（也是本文要重點(diǎn)討論的）是光電導(dǎo)發(fā)射。^[4]在這種情況下，由超快脈沖照射半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子，對這些載流子進(jìn)行加速即可發(fā)射太赫茲脈沖，這里所用的半導(dǎo)體有兩種，對于鈦寶石激光通常使用砷化鎵(GaAs)，而對于光纖激光器則通常使用砷鎵銦(InGaAs)。存在于半導(dǎo)體中的內(nèi)建電場能夠引起電流浪涌，從而爆發(fā)式發(fā)射太赫茲輻射。當(dāng)然強(qiáng)電場存在于摻雜半導(dǎo)體的表面，但這對于產(chǎn)生太赫茲輻射來說并不是最佳的，因?yàn)樘�赫茲脈沖的偏振方向與偏置電場的方向相同，于是太赫茲輻射的傳播方向位于樣品所在的平面上，使得難以將輻射光耦合出來。因此人們通常采用橫向電場結(jié)構(gòu)，即偏置電場的指向位于半導(dǎo)體表面所在的平面。

光電導(dǎo)光源要求介質(zhì)中存在一個(gè)強(qiáng)電場。對于傳統(tǒng)的光電導(dǎo)開關(guān)，提高其太赫茲發(fā)射的一個(gè)途徑是增強(qiáng)加速電場，這可以通過在恒定的電壓下減小電極之間的間隙距離、或者當(dāng)間隙距離恒定時(shí)提高電壓來實(shí)現(xiàn)。減小間隙距離會導(dǎo)致激活面積減小，從而使效率降低。由于“金屬-半導(dǎo)體-金屬”結(jié)構(gòu)在外置偏壓下復(fù)雜的物理機(jī)制，人們企圖通過提高電壓來改進(jìn)光電導(dǎo)發(fā)射器的嘗試曾一度挫敗。由于在半絕緣的砷化鎵半導(dǎo)體中捕獲的載流子存在雜質(zhì)，因此當(dāng)偏置電壓升高時(shí)，電場分布就會集中在帶正電荷的陽極附近。^[5]據(jù)報(bào)道，在陽極附近幾微米的范圍內(nèi)場強(qiáng)可高達(dá)500kV/cm。盡管這是一個(gè)巨大的場強(qiáng)，然而這些“捕獲增強(qiáng)場”只能存在于金屬電極附近幾微米的范圍之內(nèi)，這個(gè)事實(shí)讓人們很難利用它來產(chǎn)生太赫茲輻射。采用橢圓形狀的焦斑可以用來對這種強(qiáng)捕獲增強(qiáng)場加以利用，但是這樣形成的發(fā)射器的激活面積仍然較小。^[5]

有人利用光束或電子束光刻加工成一種“金屬-半導(dǎo)體-金屬”的插指型結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一款特殊設(shè)計(jì)的光電導(dǎo)太赫茲發(fā)射器，從而克服了這些問題。由于在指狀結(jié)構(gòu)之間的每一個(gè)間隙中電場的符號都會改變，如果將施以插指型偏壓的金屬條紋排列成簡單的陣列，會導(dǎo)致產(chǎn)生的輻射在遠(yuǎn)場發(fā)生相消干涉。因此，將兩個(gè)電極之間的所有間隙進(jìn)行間隔掩模是非常重要的（如圖1a）。這樣，在整個(gè)被光輻照的激活區(qū)上載流子被單向加速，可以使得產(chǎn)生的太赫茲輻射在遠(yuǎn)場相干疊加。^[6]激活區(qū)的尺寸可以達(dá)到10mm×10mm²，電極的寬度和間距選定為5µm。這些小間隙確保了利用一個(gè)簡單的電源供電，就可以輕松地獲得每厘米幾十千伏量級的加速電場。

圖1：為了防止產(chǎn)生的太赫茲輻射在遠(yuǎn)場發(fā)生相消干涉，光電導(dǎo)發(fā)射器的插指型金屬條紋之間的間隙必須被間隔掩模（a）。與插指狀光電導(dǎo)發(fā)射器相似，光致登伯發(fā)射器的相消干涉問題是利用金屬的厚度變化破壞不透明條紋的橫向?qū)ΨQ性得以解決的（b）。

光致登伯效應(yīng)

最近一項(xiàng)基于橫向光致登伯效應(yīng)的研究，實(shí)現(xiàn)了太赫茲發(fā)射器的一個(gè)新概念。^[7]這種發(fā)射器不需要外部偏置電壓。相反，其時(shí)變偏振的驅(qū)動力是光生載流子的橫向密度梯度。這樣的梯度導(dǎo)致了當(dāng)激發(fā)半導(dǎo)體表面的不透明材料的邊緣時(shí)，就會形成超快電子擴(kuò)散電流。由于電子向未激發(fā)區(qū)域的擴(kuò)散速度較快，空穴的擴(kuò)散速度較慢，于是就建立起一個(gè)空間電荷場（也就是橫向光致登伯場）。與插指型光電導(dǎo)發(fā)射器相似，簡單的金屬條紋陣列會導(dǎo)致相消干涉，因?yàn)槊總�(gè)金屬條紋的兩種載流子梯度方向剛好相反。通過金屬厚度的變化來破壞不透明條紋的橫向?qū)ΨQ性，載流子梯度就會被間隔抑制，從而在整個(gè)激活區(qū)形成單向的載流子梯度（如圖1b）。

利用快速掃描太赫茲精度光譜儀，對測得的光致登伯發(fā)射器以及加速電場為15kV/cm的插指型光電導(dǎo)發(fā)射器的太赫茲電場進(jìn)行了比較（如圖2）。光電導(dǎo)發(fā)射器是在半絕緣的砷化鎵上制造的，而光致登伯發(fā)射器則是在一塊磷化銦襯底上生長的In0.53Ga0.47As的外延層上制備的。由于砷鎵銦的帶隙能量（0.74eV）比砷化鎵（1.42eV）小，因此光致登伯發(fā)射器還可以與小型摻鉺飛秒光纖激光器結(jié)合使用。^[8]

圖2:工作于15kV/cm偏置電場的插指型光電導(dǎo)發(fā)射器與無偏壓光致登伯發(fā)射器的時(shí)域瞬態(tài)波形相比較，結(jié)果表明，光致登伯發(fā)射器的性能與偏壓發(fā)射器的性能相當(dāng)。小插圖顯示了光致登伯發(fā)射器的掃描電極圖像。右側(cè)被厚厚的金層覆蓋的鋁層清晰可見。

 射頻偏壓

增大發(fā)射器尺寸的另一種方法是采用射頻偏壓。^[9]只有當(dāng)載流子從電極注入到半導(dǎo)體中時(shí)，捕獲增強(qiáng)場才會存在。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用頻率與激光器重復(fù)頻率相接近的射頻場對發(fā)射器施加偏壓時(shí)，就會在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一個(gè)足以產(chǎn)生太赫茲輻射的勻強(qiáng)偏置電場，即使在金屬電極和半導(dǎo)體之間夾上一層絕緣層也是如此。射頻偏壓可以通過使用一個(gè)儲能電路實(shí)現(xiàn)被動增強(qiáng)，因此不需要高壓電路（如圖3）。通過將射頻偏壓與激光器的重復(fù)頻率同步，可以產(chǎn)生一個(gè)有效的恒定（直流）場，或者可以使用稍微偏離激光器重復(fù)頻率的射頻頻率進(jìn)行差頻鎖定探測。研究人員發(fā)現(xiàn)，采用射頻偏壓和絕緣電極的發(fā)射器極其堅(jiān)固，能夠抵抗強(qiáng)激光場和高壓偏置電場的損傷，而這是光電導(dǎo)發(fā)射器中存在的普遍問題。當(dāng)偏壓升高時(shí)，太赫茲發(fā)射并未出現(xiàn)飽和跡象，這意味著如果偏置電場可以進(jìn)一步增強(qiáng)，那么這種發(fā)射器仍有改進(jìn)的空間。

圖3：通過使用射頻偏壓可以增大太赫茲發(fā)射器的尺寸。如果為發(fā)射器提供偏壓的射頻場頻率與激光器的重復(fù)頻率接近，就可以在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一個(gè)足以產(chǎn)生太赫茲輻射的勻強(qiáng)偏置電場。這種偏壓方案采取了對偏壓電場進(jìn)行被動增強(qiáng)的方式（上圖）。太赫茲場的峰值隨著偏壓幅度的提高而增大（下圖）。

總之，最新的發(fā)展表明，光電導(dǎo)超快太赫茲光源作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，仍然存在改進(jìn)的空間，并且仍將是產(chǎn)生太赫茲輻射的一個(gè)重要手段。

參考文獻(xiàn)

1. D.M. Mittleman, ed., Sensing with Terahertz Radiation, Springer (2003).

2. C.A. Schmuttenmaer, Chem. Rev., 104, 1759 (2004).

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4. P.R. Smith, D.H. Auston, and M.C. Nuss, IEEE J. Quantum Electron., 24, 255–260 (1988).

5. J.H. Kim, A. Polley, and S.E. Ralph, Opt. Lett., 30, 18–20 (2005).

6. A. Dreyhaupt et al., Appl. Phys. Lett., 86, 121114 (2005).

7. G. Klatt et al., Opt. Exp., 18, 4939 (2010).

8. G. Klatt et al., Appl. Phys. Lett., 98, 021114 (2011).

9. H. Zhang et al., Opt. Lett., 36, 223–225 (2011).