吳四清，劉勁松，汪盛烈，胡 兵

(1.華中科技大學(xué)武漢光電國家實驗室/光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢430074;2.湖北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖北咸寧437100)

1 引言

太赫茲波是指振蕩頻率在1012量級，位于電磁波譜中微波和紅外之間特定波段的電磁波。該波段電磁波具有很多獨特的性質(zhì)［1－3］，在許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。如:太赫茲波對許多非極性物質(zhì)和介電材料具有良好的穿透性，可對不透明物體進行成像［4－7］，是超聲波和X射線成像技術(shù)的有效補充;太赫茲光子能量為4.1 meV，低于各種化學(xué)鍵能，是X射線光子能量的107～108分之一，太赫茲輻射不會導(dǎo)致光致電離而破壞被檢物質(zhì)，非常適用于針對人體或其他生物樣品的活體無損檢測;太赫茲波段包含了豐富的化學(xué)和物理信息，大多生物大分子和極性分子的轉(zhuǎn)動和振動能級躍遷都處在這一波段，根據(jù)這些指紋譜［8］，太赫茲光譜成像技術(shù)能夠分辨物體的形貌，鑒別物體的組成成分，方便分析物體的物理化學(xué)性質(zhì)，為緝毒、反恐、排爆等提供相關(guān)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。目前太赫茲波的探測方法主要有光導(dǎo)天線探測［9］、電光晶體探測［10］和空氣探測［11］。光導(dǎo)天線探測法利用太赫茲電場驅(qū)動探測激光脈沖在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生瞬時載流子形成光電流，根據(jù)光電導(dǎo)天線中所產(chǎn)生的光電流與驅(qū)動它的太赫茲電場成比例現(xiàn)象，間接探測太赫茲電場。該方法適用于低頻太赫茲波的探測，有很好的信噪比和靈敏度，但探測帶寬窄。電光晶體探測法是將探測光與太赫茲輻射同時作用在一塊電光晶體上，通過測量載有太赫茲信息的探測光束偏振態(tài)的改變，得到太赫茲電磁輻射脈沖的電場信息。該方法適用于高頻太赫茲的探測，具有響應(yīng)時間短、探測帶寬大、信噪比和靈敏度高等優(yōu)點?？諝鈾z測法是最近出現(xiàn)的一種方法，該方法通過探測由太赫茲波產(chǎn)生的二倍頻光的強度隨泵浦和探測激光脈沖之間的時間延遲關(guān)系，得到太赫茲脈沖光強隨時間的變化。該方法所探測的光信號頻率不同于探測脈沖本身的頻率，因而可以避免背景光的干擾，能探測到很弱的信號，探測頻譜寬度可以超過8 THz，實現(xiàn)動態(tài)范圍可達30 dB。

然而，由于大氣中水氣對太赫茲波具有很強的吸收(大于100 dB/km)特性［12］，太赫茲波在空氣中傳播的距離非常有限，上述常規(guī)的探測技術(shù)無法實現(xiàn)太赫茲波的遠程檢測，導(dǎo)致其在國土安全、環(huán)境監(jiān)測以及天文學(xué)等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用受到阻礙。最近，美國倫斯特理工學(xué)院太赫茲研究中心，提出了太赫茲增強熒光(THz－REEF，Terahertz－Radiation－Enhanced Emission of Fluorescence)［13－15］和太赫茲增強聲波(TEA，Terahertz－Enhanced－Acoustics)［15－17］兩種太赫茲遠程探測方法。以下篇幅將對這兩種方法做詳細的介紹。

2 THz－REEF和 TEA太赫茲波遠程探測方介法紹

最近，美國倫斯勒理工學(xué)院太赫茲研究中心的張希成小組在實驗時發(fā)現(xiàn)，強飛秒激光脈沖在空氣中聚焦后會將大氣分子電離，形成空氣等離子體，并輻射熒光和聲波。與此同時，若將一束太赫茲波照射到該等離子體，能夠增強熒光(THz－REEF)和聲波的強度(TEA)，并將太赫茲波的信息加載到熒光和聲波上。由于熒光和聲波在大氣環(huán)境下傳播損耗較小，因此可以通過在遠距離探測熒光和聲波來獲得太赫茲波的信息，這樣就能夠間接的實現(xiàn)太赫茲波遠程探測。

圖1是張希成小組設(shè)計的THz－REEF遠程太赫茲波探測實驗示意圖［12］。由波長800 nm的飛秒激光脈沖Eω經(jīng)BBO晶體倍頻后產(chǎn)生波長400nm的倍頻激光脈沖E2ω，基頻和倍頻組成的雙色激光在空氣中被聚焦。在焦點處，激光脈沖的光強在1013～1014W/cm2量級，激光引起的多光子電離(mult iphoton ionization)［18－19］過程將氣體分子電離，在空氣中形成等離子體?？諝獾入x子體中含有氮氣離子和氧氣離子組成的正電荷，也含有自由電子組成的負電荷。在等離子體中，被激發(fā)的氣體分子和氣體離子會以紫外熒光的形式輻射能量。采用單色儀和光電倍增管組成的熒光探測系統(tǒng)，可以在較遠距離處探測到等離子體發(fā)射的熒光譜。

圖1 THz－REEF太赫茲波遠程探測實驗設(shè)計圖Fig.1 THz－ REEF experimental schematic for THz waves remote detection

對于THz－REEF現(xiàn)象潛在的物理機制，可以做如下解釋。當(dāng)太赫茲電場和等離子體相互作用時，太赫茲電場會使電子的運動加速，從而使其獲得更高的動能。在這些高能量的電子的一系列非彈性碰撞作用下，氮氣分子N2會從高位里德伯態(tài)(highlying Rydberg states)演變成氮氣離子。當(dāng)大量的氮氣離子形成后，先和N2結(jié)合生成，然后通過)+N2形成激發(fā)態(tài)的氮氣分子N2(C3Ππ)。然后，在接下來的幾納秒之內(nèi)，處于激發(fā)態(tài)的氮氣分子會由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，同時向外發(fā)射出紫外熒光。由此可見，太赫茲電場能夠通過加速電子導(dǎo)致電離，從而引起熒光增強。

TEA太赫茲遠程探測過程如圖2所示［16］。由時間相差tR的基頻光(800 nm)和倍頻光(400 nm)組成的雙色飛秒激光脈沖在空氣中被聚焦后，將空氣電離形成等離子體，同時向周圍輻射聲波，等離子體輻射的聲波可使用高靈敏度麥克風(fēng)探測到。經(jīng)間隔時間tD，將一束太赫茲波以與激光束同軸的方向照射到等離子體上，同時探測此時等離子體輻射的聲波。對比附加太赫茲波前后的聲波，得到聲波增強的信息，可以獲得太赫茲波的變化規(guī)律。對于TEA現(xiàn)象的物理機制，根據(jù)現(xiàn)有的理論可解釋為:飛秒激光激發(fā)大氣等離子體，形成自由電子群，入射的太赫茲波“加熱”了電子群，提高了電子碰撞粒子(包括離子和沒有電離的分子、原子)的能量，“加熱”了的電子群可以有更多的能量傳遞給周圍的粒子，提高了等離子體的聲壓，進而提高了聲波的強度。

圖2 TEA太赫茲波遠程探測示意圖Fig.2 TEA schematic for THz waves remote detection

3 結(jié)語

一直以來，由于水蒸氣對太赫茲波的強吸收，太赫茲波在大氣中傳播時的衰減高于100 dB/km，遠距離寬帶太赫茲波的探測被認為不可能，最近出現(xiàn)的兩種方法使遠程太赫茲波探測成為可能。本文在介紹了三種常規(guī)的太赫茲波探測方法的基本原理、物理過程及其所具有的特點的基礎(chǔ)上，詳細闡述了THz－REEF和TEA兩種太赫茲波遠程探測技術(shù)，就兩種技術(shù)的遠程太赫茲波探測過程和探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了分析，并對其內(nèi)在的物理機制做了解釋。遠程太赫茲波探測為研究強光和物質(zhì)相互作用中的等離子體的檢測提供了一種有效方法［21］，也為太赫茲技術(shù)在安全檢測、環(huán)境控制等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更廣闊的應(yīng)用空間。

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