宽带太赫兹波的产生与探测方法研究
摘 要：目前由于部分物质在3THz以下无特征吸收峰，因此研究高于3THz以上的宽带太赫兹波具有重要的意义。本文基于四波混频模型，利用BBO晶体产生二次谐波，通过让双色激光共同激励空气形成等离子体细丝，从而辐射出宽带太赫兹波。转动BBO晶体的角度，让入射基频激光与BBO晶体光轴形成不同的夹角，测量不同夹角时的太赫兹辐射强度。利用碲化锌（ZnTe）晶体和磷化镓（GaP）晶体进行电光取样，获得的太赫兹波带宽分别是2.5THz和4.2THz左右。结果表明：GaP晶体探测到的太赫兹波带宽比ZnTe晶体探测时宽，GaP晶体可以实现宽带探测，但是GaP晶体探测到的太赫兹信号强度明显不如ZnTe晶体。此外，太赫兹信号强度随着BBO晶体角度变化而变化，周期为90°。
关键词：太赫兹；宽带；四波混频；BBO晶体；双色激光
中图分类号：O432.1
文献标识码：A
太赫兹技术作为一种新兴的光谱和成像技术[1]，因其独特的性质，使其在医学、通信、军事、无损检测、食品检测和安全与反恐等多个重要领域有着巨大的应用前景[2-3]。目前由于部分物質在3THz以下无特征吸收峰，为了充分研究物质的特性，发挥太赫兹波的优势，人们不断地朝着宽带太赫兹的产生和探测方向前进。
产生太赫兹波的方式有多种，一般采用光整流法和光电导天线法。其中光整流是一个二阶非线性过程，它产生的太赫兹波带宽宽，但是功率小；光电导天线是利用电场驱动由超快激光脉冲激发的光生自由载流子来辐射太赫兹波，它产生的太赫兹波功率高，但是带宽窄。光整流法和光电导天线法都无法实现远距离产生太赫兹波[4]。空气产生太赫兹波是一种相对较新的太赫兹波产生方法，它是利用激光击穿空气形成等离子体，等离子体会向外辐射太赫兹波，这种方式不仅可以远距离产生太赫兹波，而且产生的太赫兹波的带宽宽、功率高，所以本次试验采用空气产生太赫兹波。
为了更好地实现宽带太赫兹波的产生，本文将利用双色激光激励空气产生太赫兹辐射。其中BBO晶体在产生太赫兹辐射过程中是至关重要的，因此本文将对BBO晶体的角度与太赫兹电场强度进行研究，寻找其中的关系，并确定最佳的BBO晶体角度。同时，为了有效地探测宽带太赫兹波，本文将利用两种晶体探测空气产生的太赫兹波。
1 双色激光产生太赫兹波的原理和实验装置
1.1 双色激光产生太赫兹波的原理
超短的双色激光与空气相互作用能产生宽带太赫兹波辐射，但是相关机制还不能完全被解释清楚，存在多种理论，其中大家比较认可的是四波混频理论，即两个基频光光子与一个倍频光光子进行差频得到一个太赫兹波光子。四波混频过程的实质就是三阶非线性过程，它与空气的三阶非线性极化率有着直接的联系。一般空气的三阶非线性系数比较小，为了产生高强度、宽带宽的太赫兹波信号，需要利用亚毫焦及其以上能量的飞秒脉冲来电离空气，从而增加空气的三阶非线性系数[5]。四波混频产生的太赫兹电场可以表示为公式（1）的。
其中是空气的三阶非线性系数，是倍频光的电场强度，是基频光的电场强度，是基频光与倍频光之间的相位差。对公式（1）进行推导，得到如下结果：
其中代表基频光的光强，代表倍频光的光强。从公式（2）可以看出，太赫兹波峰值场强与基频光的脉冲能量成正比，与倍频光脉冲能量的平方根成正比，与基频光和倍频光之间相位差的余弦成正比。
1.2 实验装置
本次实验中使用的激光器是SpectraPhysics公司的高性能钛宝石再生放大器Spitfire Ace，它输出激光的中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，能量为4.6mJ，重复频率为1kHz。系统光路如图1所示。激光器输出的激光经过分束镜（BS）后，被分成两路激光，能量高的那一路作为泵浦光（Pump），经过延迟平移台（MLS）和聚焦透镜L1后到达β-BBO晶体，由于β-BBO晶体的二阶非线性效应，将会产生400nm倍频光（蓝色线）。产生的 400nm倍频光和800nm基频光（红色线）共同作用于透镜L1焦点处的空气，形成等离子体Plasma，然后等离子体向外辐射出太赫兹波（绿色线）。等离子体后方放置一块聚四氟乙烯（PTFE）板，用来阻挡高能量的基频光和倍频光，起到保护太赫兹透镜组（TPX）的作用，同时让太赫兹波通过。能量相对较低的那一路光作为探测光（Probe），由于它的能量达到了1.56mJ，会对后面部分器材造成一定的伤害，因此利用衰减器（Attenuator）对它的能量进行一定的控制。透过硅片（Si）的太赫兹波和经硅片反射的探测光共线入射到电光晶体（EO）上，太赫兹电场会改变电光晶体的折射系数，使晶体具有双折射的性质，线偏振的探测光在太赫兹电场作用下，偏振态变为椭圆偏振，最后利用平衡探测器（Detector）来测量探测光的偏振态变化，从而得到太赫兹时域信号。
2 实验结果及分析
2.1 BBO晶体角度对太赫兹电场强度的影响
转动用于固定BBO晶体的圆盘角度，即改变BBO晶体的光轴与入射激光的夹角，从而改变基频光和倍频光的光强。由公式（2）可知，这会影响等离子体辐射出的太赫兹波强度。本次实验以10°为步长转动圆盘角度，即让BBO晶体的光轴与入射激光的夹角每次变化10°，利用Avantes公司的多通道光谱仪分别测量不同夹角时，入射的800nm激光经过BBO晶体后产生的400nm倍频光和剩余的800nm基频光的光强，得到相应夹角时的两种光强度。然后再利用1mm厚的ZnTe晶体探测相应夹角时的太赫兹波形，并提取出太赫兹波的电场强度，将BBO晶体的光轴与入射激光处于不同夹角时的基频光和倍频光光强以及太赫兹波电场强度绘制在同一个图形中，如图2所示。
从图2可以看出，随着BBO晶体角度从0°旋转到360°时，400nm倍频光的变化趋势与800nm基频光的变化趋势几乎相反，两种激光强度呈周期变化，这符合负单轴BBO晶体的倍频原理。同时，随着BBO晶体角度在360°范围内变化，太赫兹场强出现四个峰值点，分别是60°、150°、240°和330°。不难发现，在360°范围内转动BBO晶体圆盘，即转动BBO晶体光轴角度时，太赫兹电场强度呈周期变化，周期为90°。BBO晶体角度在110°或290°附近时，由于二次谐波产生的效率很低（几乎为零），等离子体向外辐射太赫兹波强度几乎为零；当BBO角度在20°或200°附近时，基频光和倍频光都具有一定的光强，且此时BBO晶体的倍频效率最大，实现了I类相位匹配，然而此时的太赫兹电场却接近为零。由公式（2）可知，导致此时太赫兹电场强度为零的原因是三阶非线性系数。当基频光和倍频光的偏振方向垂直时，为零。因此我们推断，当BBO角度在20°或200°附近时，产生的倍频光的偏振方向与剩余基频光的偏振方向垂直，从而使辐射的太赫兹电场为零。
2.2 ZnTe晶体和GaP晶体探测太赫兹波
随着太赫兹技术的不断发展，宽带太赫兹波的探测受到越来越多人的关注。目前人们应用比较多的探测方式是电光取样法，其采用的晶体一般为ZnTe晶体，然而由于ZnTe晶体的材料特性限制，它最高只能探测到3THz左右的太赫兹波。为了验证空气产生了高于3THz的太赫兹带宽和研究空气产生太赫兹波的特点，我们利用ZnTe晶体和GaP晶体进行太赫兹波的探测，对两种晶体探测的结果进行比较及分析。
将图1中的BBO晶体固定到最佳的60°位置，并把电光晶体架上安装1mm厚的<110>碲化锌（ZnTe）晶体，利用平衡探测器去测量被调制后的探测光，得到太赫兹时域波形图，如图3（a）中黑线所示。从图3（a）中可以得到，ZnTe晶体探测时的太赫茲波信号的峰峰值为。
将上面的ZnTe晶体换成0.5mm厚的<110>GaP晶体，并优化相关参数，实现GaP晶体探测太赫兹，得到的太赫兹时域波形，如图3（a）中红线所示。从图3（a）可以看出，GaP晶体探测时的太赫兹波信号的峰峰值为。
2.3 ZnTe晶体与GaP晶体探测结果的比较及分析
图3为ZnTe晶体和GaP晶体在时域和频率中的探测结果比较。通过两种晶体分别对同一个太赫兹信号进行探测，测得两种晶体探测下太赫兹波的带宽和峰值强度。从图3（a）可以看出，GaP晶体探测时的太赫兹波峰值比ZnTe晶体探测时的太赫兹波峰值小很多，这主要是由于GaP晶体的非线性效应不及ZnTe晶体造成的。整理出两种晶体的相关参数和探测结果，如下表所示，其中包含了晶体厚度d、半波电场、探测到的太赫兹带宽和太赫兹峰峰值。由公式可以推算出上述结果，其中与成正比，是太赫兹电场在电光晶体中导致的最大相位延迟，为相位延迟，为太赫兹电场强度，可以计算出GaP晶体探测时的太赫兹波峰值比ZnTe晶体探测时的太赫兹波峰值小，这符合实际测量结果。同时，由图（b）的频域图可知，ZnTe晶体探测到的太赫兹带宽大约为2.5THz，GaP晶体探测到的太赫兹带宽大约为4.2THz，这主要是由于晶体的横光学声子频率影响造成的。当太赫兹波与电光晶体相互作用时，相应频段的太赫兹波会与晶体的光学声子发生共振吸收而衰减，造成探测带宽的限制。而GaP晶体的横光学声子频率高于ZnTe晶体的横光学声子频率，因此GaP晶体可以实现更高带宽的太赫兹波探测。
3 结论
本次实验利用双色激光激励空气形成等离子体，等离子体向外辐射出了宽带太赫兹波。采用ZnTe晶体探测太赫兹波时，带宽达到了2.5THz左右，高于一般光电导天线产生的2THz带宽；采用GaP晶体探测太赫兹脉冲时，太赫兹带宽可以达到4.2THz左右，实现了晶体探测高于3THz的宽带太赫兹波，为人们在高于3THz以上的太赫兹波段研究物质特性提供了一种方法。将BBO晶体在360°范围内转动，太赫兹信号强度出现了四个峰值点，分别是60°、150°、240°和330°，太赫兹信号强度成90°周期变化，这为以后进一步研究BBO晶体在太赫兹光路中的作用打下了基础。
参考文献：
[1]刘影，赵国忠，申彦春.连续太赫兹波偏振成像检测[J].中国激光，2016（1）：177-183.
[2]Hangyo M.Development and future prospects of terahertz technology[J].Japanese Journal of Applied Physics，2015，54（12）：120101.
[3]Jha K R，Singh G.Terahertz planar antennas for future wireless communication：A technical review[J].Infrared Physics & Technology，2013，60（5）：71-80.
[4]叶全意.光子学太赫兹源的研究进展[J].中国光学，2011.
[5]Fedorov V Y，Koulouklidis A D，Tzortzakis S.THz generation by two-color femtosecond filaments with complex polarization states：Four-wave mixing versus photocurrent contributions[J].Plasma Physics & Controlled Fusion 2016，59（1）：014025.
作者简介：张前成（1991—），男，汉族，重庆开州人，西南科技大学，硕士在读，主要从事太赫兹时域光谱技术方面的研究。