太赫兹物理
编者按：
太赫兹辐射通常是指频率在0.1-10 THz, 位于微波与远红外之间的电磁辐射. 在过去很长的一段时间中, 由于缺乏有效的太赫兹辐射源和探测器, 太赫兹频段一度被称为“太赫兹空白”. 近年来, 随着光子学和纳米技术的快速发展, 太赫兹源和探测技术取得了长足进展. 在20 世纪90 年代初期, 使用脉冲激光激发光电导天线可以有效获得太赫兹辐射; 2002 年, 太赫兹量子级联激光器的诞生被认为是一个重大进展, 高效、轻便且价格合理的太赫兹辐射源成为可能. 与此同时, 太赫兹技术在诸多应用领域也取得了快速发展. 例如在无线通信方面, 太赫兹频段提供了超高的带宽; 在物质检测方面, 很多物质在太赫兹频段具有特征峰, 通过比对特征峰, 太赫兹光谱系统可以对被测物质进行快速识别; 在成像方面, 太赫兹成像安检仪可有效弥补现有机场安检系统的不足, 太赫兹波对人体安全, 并且可以穿透衣物、塑料等不透明的物体, 实现对隐匿物体的成像. 太赫兹技术在国家安全、信息技术、生物医学、无损检测、食品和农业产品的质量控制、全球性环境检测等领域都具有重要的应用, 因而被誉为“改变未来世界十大技术”之一.
由于具有广泛的应用前景, 太赫兹技术早已引起世界各国政府、科研机构以及工业界的关注. 本刊特组织“太赫兹物理”专题, 将太赫兹领域的研究近况展现给读者, 具体内容涉及太赫兹量子级联激光器、光电导太赫兹辐射源、太赫兹超导探测器、基于人工电磁材料的太赫兹功能器件以及近年来兴起的石墨烯太赫兹器件. 希望这期专题能够对相关的科研人员有所帮助, 并推动国内太赫兹研究及应用的发展.
2015, 64 (22): 224212.
doi: 10.7498/aps.64.224212
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针对锥形太赫兹量子级联激光器, 利用有限差分波束传播法和速率方程法, 建立了准三维的太赫兹有源器件仿真模型, 能够对具有轴向非线性波导结构的激光器进行模拟. 利用此模型, 研究了锥角大小对激光器输出光功率及光束质量的影响. 仿真结果表明, 考虑到器件之间的光耦合效率, 为了达到最大的有效输出光功率, 锥形太赫兹量子级联激光器的锥角存在一个最优值.
2015, 64 (22): 228501.
doi: 10.7498/aps.64.228501
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太赫兹(THz)波段一般定义为0.110 THz的频率区间, 对应波长范围3 mm30 m, 覆盖短毫米波至亚毫米波段(远红外). 尽管人们早已认识到太赫兹波段具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景, 但该波段仍然是一个有待全面研究和开发的电磁频率窗口. 因此, 太赫兹波段的天文观测在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用, 对于理解宇宙状态和演化具有非常重要的意义. 具有超高灵敏度的太赫兹超导探测器, 已经成为太赫兹波段观测的主要手段. 本文主要阐述了太赫兹超导探测器的基本类型和工作原理, 以及中国科学院紫金山天文台在该领域的主要研究成果和进展.
2015, 64 (22): 228701.
doi: 10.7498/aps.64.228701
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近年来, 随着太赫兹科学技术的发展, 越来越多的科学家向太赫兹间隙这一传统空白领域发起挑战. 其中, 人工电磁媒质因为能够设计太赫兹波段中紧缺的功能器件而受到广泛关注. 近年来, 对人工电磁媒质尤其是太赫兹方面的研究进展突飞猛进. 人工电磁媒质的性质不仅仅由其构成材料决定, 更与其结构单元的形状和空间排布密切相关. 本文介绍了人工电磁媒质在太赫兹波段的发展、原理、设计和应用, 并着重介绍完美吸波器和人工表面等离激元, 为太赫兹波段功能器件的研究提供了参考, 并对可能的发展方向予以展望.
2015, 64 (22): 228702.
doi: 10.7498/aps.64.228702
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在飞秒激光激励下用GaAs光电导开关作为太赫兹(THz)辐射天线, 已经广泛用于太赫兹时域光谱系统, 但目前国际上都是使用GaAs光电导开关的线性工作模式, 而GaAs光电导开关的雪崩倍增工作模式所输出的超快电脉冲功率容量远大于其线性工作模式, 迄今为止, 还没有人提出用雪崩倍增机理的GaAs 光电导开关作为辐射源产生THz电磁辐射. 本文探讨了用 雪崩倍增工作模式的GaAs光电导开关作为光电导天线产生THz电磁波的可能性及研究进展. 通过理论分析及实验研究, 在实验上实现了: 1) 利用nJ量级飞秒激光触发GaAs光电导天线, 可以进入雪崩倍增工作模式; 2) 利用光激发电荷畴的猝灭模式, 可以使GaAs光电导天线载流子雪崩倍增模式的延续时间(lock-on 时间)变短. 这为利用具有雪崩倍增机理的GaAs光电导天线产生强THz辐射奠定了基础.
2015, 64 (22): 229501.
doi: 10.7498/aps.64.229501
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石墨烯是一种零带隙二维的半导体材料, 具有极高的载流子迁移率, 优异的机械、电学、热学和光学等性能. 在太赫兹辐射源、调制器和探测器件的研究中, 石墨烯材料具有独特的优势. 本文以石墨烯材料在太赫兹辐射源、调制器以及探测器等器件方面的应用为主, 综述了石墨烯太赫兹器件的最新研究进展.
