太赫兹波远程探测的最新研究进展

吴四清，刘劲松，汪盛烈，胡 兵

(1.华中科技大学武汉光电国家实验室/光学与电子信息学院，湖北武汉430074;2.湖北科技学院电子与信息工程学院，湖北咸宁437100)

1 引言

太赫兹波是指振荡频率在1012量级，位于电磁波谱中微波和红外之间特定波段的电磁波。该波段电磁波具有很多独特的性质［1－3］，在许多科学技术领域具有广泛的应用前景。如:太赫兹波对许多非极性物质和介电材料具有良好的穿透性，可对不透明物体进行成像［4－7］，是超声波和X射线成像技术的有效补充;太赫兹光子能量为4.1 meV，低于各种化学键能，是X射线光子能量的107～108分之一，太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质，非常适用于针对人体或其他生物样品的活体无损检测;太赫兹波段包含了丰富的化学和物理信息，大多生物大分子和极性分子的转动和振动能级跃迁都处在这一波段，根据这些指纹谱［8］，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，鉴别物体的组成成分，方便分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和技术支撑。目前太赫兹波的探测方法主要有光导天线探测［9］、电光晶体探测［10］和空气探测［11］。光导天线探测法利用太赫兹电场驱动探测激光脉冲在半导体内产生瞬时载流子形成光电流，根据光电导天线中所产生的光电流与驱动它的太赫兹电场成比例现象，间接探测太赫兹电场。该方法适用于低频太赫兹波的探测，有很好的信噪比和灵敏度，但探测带宽窄。电光晶体探测法是将探测光与太赫兹辐射同时作用在一块电光晶体上，通过测量载有太赫兹信息的探测光束偏振态的改变，得到太赫兹电磁辐射脉冲的电场信息。该方法适用于高频太赫兹的探测，具有响应时间短、探测带宽大、信噪比和灵敏度高等优点。空气检测法是最近出现的一种方法，该方法通过探测由太赫兹波产生的二倍频光的强度随泵浦和探测激光脉冲之间的时间延迟关系，得到太赫兹脉冲光强随时间的变化。该方法所探测的光信号频率不同于探测脉冲本身的频率，因而可以避免背景光的干扰，能探测到很弱的信号，探测频谱宽度可以超过8 THz，实现动态范围可达30 dB。

然而，由于大气中水气对太赫兹波具有很强的吸收(大于100 dB/km)特性［12］，太赫兹波在空气中传播的距离非常有限，上述常规的探测技术无法实现太赫兹波的远程检测，导致其在国土安全、环境监测以及天文学等众多领域中的应用受到阻碍。最近，美国伦斯特理工学院太赫兹研究中心，提出了太赫兹增强荧光(THz－REEF，Terahertz－Radiation－Enhanced Emission of Fluorescence)［13－15］和太赫兹增强声波(TEA，Terahertz－Enhanced－Acoustics)［15－17］两种太赫兹远程探测方法。以下篇幅将对这两种方法做详细的介绍。

2 THz－REEF和 TEA太赫兹波远程探测方介法绍

最近，美国伦斯勒理工学院太赫兹研究中心的张希成小组在实验时发现，强飞秒激光脉冲在空气中聚焦后会将大气分子电离，形成空气等离子体，并辐射荧光和声波。与此同时，若将一束太赫兹波照射到该等离子体，能够增强荧光(THz－REEF)和声波的强度(TEA)，并将太赫兹波的信息加载到荧光和声波上。由于荧光和声波在大气环境下传播损耗较小，因此可以通过在远距离探测荧光和声波来获得太赫兹波的信息，这样就能够间接的实现太赫兹波远程探测。

图1是张希成小组设计的THz－REEF远程太赫兹波探测实验示意图［12］。由波长800 nm的飞秒激光脉冲Eω经BBO晶体倍频后产生波长400nm的倍频激光脉冲E2ω，基频和倍频组成的双色激光在空气中被聚焦。在焦点处，激光脉冲的光强在1013～1014W/cm2量级，激光引起的多光子电离(mult iphoton ionization)［18－19］过程将气体分子电离，在空气中形成等离子体。空气等离子体中含有氮气离子和氧气离子组成的正电荷，也含有自由电子组成的负电荷。在等离子体中，被激发的气体分子和气体离子会以紫外荧光的形式辐射能量。采用单色仪和光电倍增管组成的荧光探测系统，可以在较远距离处探测到等离子体发射的荧光谱。

图1 THz－REEF太赫兹波远程探测实验设计图Fig.1 THz－ REEF experimental schematic for THz waves remote detection

对于THz－REEF现象潜在的物理机制，可以做如下解释。当太赫兹电场和等离子体相互作用时，太赫兹电场会使电子的运动加速，从而使其获得更高的动能。在这些高能量的电子的一系列非弹性碰撞作用下，氮气分子N2会从高位里德伯态(highlying Rydberg states)演变成氮气离子。当大量的氮气离子形成后，先和N2结合生成，然后通过)+N2形成激发态的氮气分子N2(C3Ππ)。然后，在接下来的几纳秒之内，处于激发态的氮气分子会由激发态回到基态，同时向外发射出紫外荧光。由此可见，太赫兹电场能够通过加速电子导致电离，从而引起荧光增强。

TEA太赫兹远程探测过程如图2所示［16］。由时间相差tR的基频光(800 nm)和倍频光(400 nm)组成的双色飞秒激光脉冲在空气中被聚焦后，将空气电离形成等离子体，同时向周围辐射声波，等离子体辐射的声波可使用高灵敏度麦克风探测到。经间隔时间tD，将一束太赫兹波以与激光束同轴的方向照射到等离子体上，同时探测此时等离子体辐射的声波。对比附加太赫兹波前后的声波，得到声波增强的信息，可以获得太赫兹波的变化规律。对于TEA现象的物理机制，根据现有的理论可解释为:飞秒激光激发大气等离子体，形成自由电子群，入射的太赫兹波“加热”了电子群，提高了电子碰撞粒子(包括离子和没有电离的分子、原子)的能量，“加热”了的电子群可以有更多的能量传递给周围的粒子，提高了等离子体的声压，进而提高了声波的强度。

图2 TEA太赫兹波远程探测示意图Fig.2 TEA schematic for THz waves remote detection

3 结语

一直以来，由于水蒸气对太赫兹波的强吸收，太赫兹波在大气中传播时的衰减高于100 dB/km，远距离宽带太赫兹波的探测被认为不可能，最近出现的两种方法使远程太赫兹波探测成为可能。本文在介绍了三种常规的太赫兹波探测方法的基本原理、物理过程及其所具有的特点的基础上，详细阐述了THz－REEF和TEA两种太赫兹波远程探测技术，就两种技术的远程太赫兹波探测过程和探测系统的结构进行了分析，并对其内在的物理机制做了解释。远程太赫兹波探测为研究强光和物质相互作用中的等离子体的检测提供了一种有效方法［21］，也为太赫兹技术在安全检测、环境控制等领域的应用提供了更广阔的应用空间。

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