D、THz科學(xué)技術(shù)是新一代IT產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)

（1）科學(xué)家們預(yù)計，一旦THz輻射源、THz檢測技術(shù)等發(fā)展以后，THz可以在現(xiàn)代IT科學(xué)技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域有極強(qiáng)的競爭力。下面將要說明這種競爭實(shí)際上已經(jīng)開始。

（2）隨著THz科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多高科技公司相繼誕生，例如：英國Rultherford國家實(shí)驗(yàn)室(Rutherford Appleton Lab（RAL）)及歐洲航天局(ESA)于2002年起，執(zhí)行Star Ti ger 計劃成功后，建立了一個公司ThruVision公司，專門從事有關(guān)THz成像的商品化工作，開發(fā)出被動式THz成像儀，有以下特點(diǎn)：  a．被動式不需要THz源；b．可實(shí)時成像。英國劍橋大學(xué)孵化出(Spinoff)一個高科技公司一TeraView Ltd．從事THz攝像機(jī)的開發(fā)；

（3）美國Michigen大學(xué)及Stanford大學(xué)孵化出Picometrix；Physicalscience Inc．；Calabazas Creek Res．Inc．等公司。基地設(shè)在加州的Picometrix公司的任務(wù)是“將THz科學(xué)技術(shù)交給政府及大學(xué)實(shí)驗(yàn)室手中，以便他們用于各項研究工作”。

（4）日本也有很多公司，它們已經(jīng)在從事包括高功率THz源在內(nèi)的有關(guān)THz科學(xué)技術(shù)的研究、開發(fā)及成果的商業(yè)化等工作。可見，以THz科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代IT產(chǎn)業(yè)已開始逐步形成。

E．研究THz技術(shù)本身就是一門重要的學(xué)科

如各種THz輻射的產(chǎn)生機(jī)制、超短脈沖THz的傳播和傳輸、THz與物質(zhì)的相互作用等。

下面給出幾幅THz成像及THz波譜的結(jié)構(gòu)框圖。其中，有一幅是JPL研制的150微米的THz成像框圖。由這些框圖可以看到THz成像和THz波譜的發(fā)展和應(yīng)用。

同時也可以看到為了建立THz成像和THz波譜需要研究哪些THz器件和元件，如：THz源，THz檢測，混頻，THz傳輸、諧振等，以構(gòu)成一個完整的THz成像和THz波譜系統(tǒng)。從下節(jié)起，我們將討論這些器件和元件。

四、太赫茲輻射源

有很多方法都可以產(chǎn)生THz輻射。

（1） 半導(dǎo)體THz源（包括THz量子級聯(lián)激光器等）。
（2） 基于光子學(xué)的THz發(fā)生器。
（3） 利用自由電子的THz輻射源（包括THz真空器件，電子回旋脈塞和自由電子激光）。
（4） 基于高能加速器的THz輻射源

不同的用途對THz源可能提出不同的要求。有點(diǎn)要求輸出功率較大，有的要求有較合適的頻率。
2002年在Nature上發(fā)表了兩篇THz源的重要文章。這兩篇文章對THz源的發(fā)展起到了很大的推動作用。

（1）“Terahertz  semiconductor  heterostructure  laser”，Nature417，156－159，2002．By Italian and UK Scientists，Radiomen Kiblen etc，It is considered as a breakthrough in the Quantum cascade lasers．
（2）“High  power  Terahertz  Radiation  From  RelativisticElectronics”，Nature 420，153—156，2002，這篇文章被Nature編輯部確定為“研究亮點(diǎn)(Research highlights)”．這項工作是由以下三個美國國家實(shí)驗(yàn)室：Lawrence Livermoe，Brookhaven and Jeffersan NationalLabs完成的。

兩篇文章中一篇是有關(guān)量子級聯(lián)激光的突破，這是一種非常重要的半導(dǎo)體THz輻射源。另一篇是基于自由電子的有關(guān)高功率THz輻射的，結(jié)合了光子學(xué)和電子學(xué)技術(shù)。

1、半導(dǎo)體太赫茲源

固態(tài)THz源具有小巧、價格低廉和頻率可調(diào)的特點(diǎn)，是人們希望的一種THz源。但半導(dǎo)體器件的工作頻率難于達(dá)到1THz以上，而半導(dǎo)體THz激光器，特別是THz量子級聯(lián)激光器是目前的發(fā)展重點(diǎn)之一。第一篇關(guān)于量子級聯(lián)激光的文章有Melvin Lax等發(fā)表于1960年，其后于1994年起，Bell實(shí)驗(yàn)室的J．Faist做了很多有益的工作（Science，264，22，1994)。在俄國這方面的工作也做了不少(Kazarinov，Sov．Phys．Semi．5，207，1971)，但實(shí)驗(yàn)長期沒有突破。朗訊曾把QCL作為一個研發(fā)重點(diǎn)，但沒有結(jié)果。直至2002年由英國和意大利科學(xué)家獲得突破（Nature 417，156－159，2002）。

量子級聯(lián)激光器(QCL)是以異結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（GaAs／AIGaAs）的導(dǎo)帶中的次能級間的躍遷為基礎(chǔ)的一種激光器。利用縱向光學(xué)聲子的諧振產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

2002年的結(jié)果是頻率4.4THz，溫度50K，脈沖功率20mW。

此后，很多國家都積極開展QCL的研究工作，采用了不同的材料。

到2004年，美國MIT最新的結(jié)果是：2.1 THz，CW功率lmW(溫度93K)，脈沖功率為20mW（溫度137K）。

到2005年，MIT  QCL已經(jīng)用于THz成像，可見THz技術(shù)發(fā)展的速度比我們想象的要快得多。

在我國，中國電子集團(tuán)南京55所，渡越雪崩二極管可以做到0.1THz。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，已開展QCL的研究工作并已作出一定的成果。

半導(dǎo)體THz輻射源已安排了一個專題報告進(jìn)行詳細(xì)論述。

2、基于光子學(xué)的太赫茲輻射源

飛秒激光脈沖的發(fā)展給THz源帶來了很大的機(jī)遇。已經(jīng)發(fā)展了很多基于飛秒激光脈沖和非線性光學(xué)晶體的THz激光源。

如THz光導(dǎo)天線、光整流、非線性差頻、THz參量振蕩器和放大器（TPG，TPO，TPA）和光學(xué)Cherenkov輻射等等。

這種方法產(chǎn)生的THz輻射，可以是脈沖的，也可以是連續(xù)波的。

下圖表示光脈沖通過非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生THz輻射的典型情況。差頻發(fā)生器（DEG），是一個三波混頻非線性過程。

這方面的研究工作，我國天津大學(xué)等單位，也已開展了研究工作，并作出了一定的成果。詳細(xì)內(nèi)容將在專題報告中給出。

3、基于真空電子學(xué)的太赫茲源

近兒年來，隨著THz科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用真空電子學(xué)產(chǎn)生THz輻射的研究工作取得了很大的進(jìn)步，其中包括真空電子器件、電子回旋脈塞、自由電子激光、Cherenkov輻射，甚至使用儲存環(huán)加速器來產(chǎn)生高亮度THz輻射。

某些真空電子器件如返波管（BWO）、擴(kuò)展互作用振蕩器（E1O）、繞射輻射器件(Orotron)等的工作頻率己接近或達(dá)到1THz。

回旋管可望在1THz產(chǎn)生千瓦級的脈沖輸出，平均功率可達(dá)幾十瓦以上。

特別是由CIT的JPL實(shí)驗(yàn)室等研究的“納米速調(diào)管”可望在1—3THz頻率上工作。納米速調(diào)管結(jié)合了電子學(xué)、光子學(xué)和微加工技術(shù)，是很有創(chuàng)新意義的一種新器件。

納米速調(diào)管由于使用微加工技術(shù)，所以保證每個納米速調(diào)管頻率和相位的一致性，因此可以組成納米速調(diào)管陣列，以大大提高輸出功率。利用構(gòu)成THz陣列輻射源是提高THz輻射功率的一個重要途徑。

自由電子激光可工作于THz。自由電子激光的波長主要取決于搖擺器的周期和電子束的能量：
λ≈λ_ω／4γ² γ＝（1－β²）^-1  β＝v/c
其中λ_w是搖擺器周期，γ是相對論因子。

今年1月13一14日，在美國Honolulu召開的THz輻射源研討會上，報告了一篇用lMeV靜電加速器的FEI，可以在2mm到500微米，（0.15—6）THz，產(chǎn)生lkW的準(zhǔn)連續(xù)波輸出，這一結(jié)果被認(rèn)為是迄今為止最重要的成果之一。

2002年，在Nature上發(fā)表的另一篇論文體現(xiàn)了電子學(xué)和光子學(xué)相結(jié)合的方法。利用飛秒激光照射GaAs光學(xué)晶體，發(fā)射出電子束，再用加速器將電子束加速到40MeV。電子在磁場作用下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從而發(fā)射出THz輻射，由于電子束的尺度遠(yuǎn)小于波長，所以輻射是相干的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到20w連續(xù)波的THz輻射。所以，如前所述，Nature編輯部將這篇文章定為研究亮點(diǎn)。

我國真空電子器件已有相當(dāng)好的基礎(chǔ)，回旋管的研究工作已在電子科技大學(xué)和中科院電子所進(jìn)行，在0.1THz已作出近100KW脈沖輸出的回旋管。FEL己在中科院高能物理所、中國工程物理研究院、北京大學(xué)和電子科技大學(xué)進(jìn)行，并取得一定的成果。

利用自由電子產(chǎn)生THz輻射的詳細(xì)論述將在另一專題報告中給出。