用于太赫茲科學(xué)技術(shù)的材料

1、用于太赫茲科學(xué)技術(shù)的材料Bradley Ferguson and Xi-cheng Zhang太赫茲光譜系統(tǒng)用電磁譜中原本難以實(shí)現(xiàn)的部分，即遠(yuǎn)紅外輻射來(lái)提取分子的光譜信息。對(duì)材料的研究已經(jīng)成為現(xiàn)代太赫茲系統(tǒng)的重要組成部分：新型的，高能量的太赫茲源在很大程度上依賴于像量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的新型材料。同時(shí)，太赫茲光譜和成像又為表征眾多材料，包括半導(dǎo)體和生物分子的特性提供了一種很有效的工具。最近幾年，由于高功率源和更為靈敏的探測(cè)器為太赫茲系統(tǒng)開(kāi)辟了更多潛在的用途，利用太赫茲系統(tǒng)進(jìn)行材料診斷領(lǐng)域已經(jīng)有了眾多非常重要的進(jìn)展。包括半導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體的特性研究，層析成像，無(wú)標(biāo)定遺傳分析，細(xì)胞層面上的成像和化學(xué)、生物

2、傳感等應(yīng)用使得太赫茲研究從默默無(wú)聞發(fā)展到引人注目。電磁波譜的太赫茲（THz）波段被認(rèn)為是最難捕捉的一段譜線。太赫茲輻射泛泛的定義為頻率在0.1THz（每秒1012次）和10THz之間的頻率范圍。頻率處于紅外光波和微波之間（圖1），致使在鄰近波帶已經(jīng)嫻熟應(yīng)用的技術(shù)對(duì)于太赫茲波段卻無(wú)法使用。高的大氣吸收損耗使早期對(duì)太赫茲的興趣和資金投入受到了限制。歷史上，太赫茲光譜學(xué)主要被化學(xué)家和天文學(xué)家用于研究簡(jiǎn)單分子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)共振以及熱發(fā)射譜線的研究。在最近20年，由于先進(jìn)材料的發(fā)展為其提供新的高功率的源，太赫茲系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了革命性的變化，而且其在高等物理研究領(lǐng)域以及其商業(yè)領(lǐng)域的潛力已經(jīng)被證實(shí)。太赫茲技術(shù)已

3、經(jīng)吸引了眾多領(lǐng)域的關(guān)注，比如半導(dǎo)體領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，加工領(lǐng)域和太空防衛(wèi)領(lǐng)域。最近的幾項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步極大的擴(kuò)寬了太赫茲系統(tǒng)的潛力和應(yīng)用范圍。這些進(jìn)展包括量子級(jí)聯(lián)激光器的開(kāi)發(fā)，太赫茲用于飛摩爾量級(jí)濃度的DNA中單堿基對(duì)不同之處的檢測(cè)的驗(yàn)證，以及把太赫茲光譜用于多粒子電荷反應(yīng)變化的研究。本文概述了以上和其他一些非常重要的新進(jìn)展。圖1 電磁波譜太赫茲光譜系統(tǒng)太赫茲光譜系統(tǒng)能夠檢測(cè)材料的遠(yuǎn)紅外光學(xué)性質(zhì)隨頻率的變化。獲得材料的遠(yuǎn)紅外光學(xué)性質(zhì)能使得我們洞察諸多引用中的材料特性。現(xiàn)在有很多不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)THz光譜測(cè)量。傅里葉變換光譜學(xué)（FTS）可能是研究分子共振最普遍的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是帶寬很寬，因此可以從太赫茲

4、頻率直到紅外范圍表征材料特性。在傅里葉變換光譜系統(tǒng)中，樣本被寬頻熱源照射，比如弧光燈或者碳化硅棒。樣品放在一個(gè)光學(xué)干涉系統(tǒng)中，并且其中的一個(gè)干涉臂光程變化來(lái)用于掃描。一個(gè)直接的探測(cè)器比如液氦冷卻的輻射熱計(jì)用于檢測(cè)干涉信號(hào)。對(duì)信號(hào)做傅里葉變換就產(chǎn)出了樣本的功率譜密度。傅里葉變換光譜學(xué)的一個(gè)缺點(diǎn)就是其有限的頻譜分辨率?？捎靡粋€(gè)可調(diào)太赫茲源或者探測(cè)器的窄帶系統(tǒng)獲得具有更高分辨率的光譜測(cè)量。在這些系統(tǒng)中，光源或者探測(cè)器在期望的頻帶范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并且直接測(cè)量樣本的頻譜響應(yīng)。不管是傅里葉變換光譜學(xué)還是窄帶光譜學(xué)都被廣泛應(yīng)用在無(wú)源系統(tǒng)中以此來(lái)檢測(cè)分子的熱發(fā)射譜線，尤其是在天文學(xué)中的應(yīng)用。第三種近期出現(xiàn)的方法叫

5、做太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（THz-TDS）。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)采用寬帶太赫茲輻射短脈沖，一般這種脈沖都是由超快激光脈沖產(chǎn)生。這種技術(shù)最先產(chǎn)生于上世紀(jì)八十年代的AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室和IBM 的T.J Watson研究中心。雖然太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的分辨率跟窄帶系統(tǒng)相比較粗糙，并且它的光譜范圍也比傅里葉變換光譜系統(tǒng)要小很多，但是它卻具有很多的其他優(yōu)點(diǎn)，并且最近這些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)引起了一些重要的應(yīng)用。透過(guò)的太赫茲電場(chǎng)被相干測(cè)量，由此可以同時(shí)提供高靈敏度和時(shí)間分辨的相位信息，而且還可以通過(guò)一個(gè)成像系統(tǒng)來(lái)獲得豐富的光譜圖像信息。圖2顯示了一個(gè)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)。一般的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的頻率帶寬在2THz到5

6、THz，光譜分辨率為50GHz,信號(hào)采集時(shí)間一般在一分鐘以內(nèi)，電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)范圍一般是。采用信號(hào)處理算法可以提高測(cè)量信號(hào)的信噪比近。圖2 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖太赫茲源限制現(xiàn)代太赫茲系統(tǒng)發(fā)展的最主要的一個(gè)原因就是缺少一個(gè)高功率、低成本、輕便并且可以工作在室溫條件下的太赫茲源。然而，現(xiàn)在已經(jīng)有許多具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)的潛在太赫茲源，并且高速電子學(xué)、激光和材料研究領(lǐng)域的進(jìn)展也繼續(xù)在提供新的源。源可以粗略分為幾種：不相干的熱輻射源、寬帶脈沖（T射線）技術(shù)和窄帶的連續(xù)波。寬頻太赫茲源大部分的寬帶脈沖太赫茲源都是基于超短激光脈沖激發(fā)不同的材料。一些不同的方法已經(jīng)用來(lái)產(chǎn)生太赫茲輻射，包括光電導(dǎo)天線中光生載流子的加速

7、運(yùn)動(dòng)，電光晶體中的二階非線性效應(yīng)，等離子體震蕩和電子學(xué)的非線性傳輸線。通常，以上幾種源的轉(zhuǎn)換效率都比較低，所以太赫茲光束的平均功率一般都是納瓦到微瓦量級(jí)的，相比較而言，飛秒光源的功率一般都在1W左右。產(chǎn)生寬帶太赫茲光束的最常用方法有光電導(dǎo)和光整流兩種。光電導(dǎo)的方法就是用高速的光電導(dǎo)體作為輻射天線的瞬變電流源。典型的光電導(dǎo)有高電阻率的GaAs，InP和輻射損傷的硅片，金屬電極用來(lái)使光電導(dǎo)之間的空隙產(chǎn)生偏壓并且形成天線。在光電導(dǎo)天線之間產(chǎn)生太赫茲光束的物理機(jī)制是由于超快激光脈沖（光子能量要比材料的能帶大，即hEg）照射在光電導(dǎo)上使其產(chǎn)生電子空穴對(duì)，由此產(chǎn)生的自由載流子在偏置的靜電場(chǎng)中被加速形成瞬間

8、的光電流，這些快速并且隨時(shí)間變化的電流就會(huì)向外輻射出電磁波。產(chǎn)生的太赫茲輻射強(qiáng)度和帶寬受到一些材料參數(shù)的影響。當(dāng)光電流上升和衰減時(shí)間比較快時(shí)，太赫茲輻射效率較高，所以像InAs和InP這種具有較小的有效電子質(zhì)量的半導(dǎo)體就備受大家矚目。最大的漂移速度也是一個(gè)非常重要的材料參數(shù)，但是這個(gè)參數(shù)一般受到像GaAs這樣的直接半導(dǎo)體的帶內(nèi)散射率或者是谷間散射的限制。因?yàn)檩椛淠芰恐饕獊?lái)源于以靜態(tài)偏置電場(chǎng)形式存儲(chǔ)的表面能量，所以輻射能量正比于偏壓和光通量。材料的擊穿電場(chǎng)是另外一個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了所加的最大偏置電壓。光電導(dǎo)發(fā)射器產(chǎn)生的太赫茲的功率提可達(dá)40µW，并且?guī)捘軌虻?THz。光整

9、流是產(chǎn)生太赫茲脈沖的另外一種途徑，它是基于光電效應(yīng)的逆過(guò)程。同樣，飛秒激光脈沖也是必需的，但是與在光電導(dǎo)方法中作為一個(gè)觸發(fā)器相反，光整流中太赫茲輻射能量直接來(lái)源于激發(fā)激光脈沖。光整流的轉(zhuǎn)換效率主要取決于材料的非線性系數(shù)和相位匹配條件。這項(xiàng)技術(shù)最先被證明可以產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射用的是LiNbO3晶體。很多的研究已經(jīng)開(kāi)始專注于通過(guò)研究不同材料的電光性能，以此來(lái)獲取產(chǎn)生太赫茲的最佳條件，這些材料既包括像GaAs和ZnTe這樣的傳統(tǒng)材料，也包括像離子鹽4三氟化二乙氨基硫（DAST）這樣的有機(jī)晶體。由于光整流是在相對(duì)較低的效率下把入射光功率耦合到太赫茲頻率中，所以它的輸出功率往往比光電導(dǎo)天線要低，但是它卻具有

10、高達(dá)50THz帶寬的優(yōu)點(diǎn)。在GaSe晶體中的相位匹配光整流能夠產(chǎn)生具有可調(diào)中心波長(zhǎng)的超寬帶太赫茲脈沖。通過(guò)繞垂直于泵浦光的橫軸方向傾斜晶體以此來(lái)改變相位匹配條件，就可以產(chǎn)生頻率調(diào)諧到為41THz的太赫茲光。窄帶太赫茲源窄帶太赫茲源對(duì)于高分辨率的光譜學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要，同時(shí)，在通訊領(lǐng)域也具有極其廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在極寬帶寬的衛(wèi)星間信號(hào)連接方面。正因如此，在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里對(duì)于窄帶太赫茲源的研究極為關(guān)注。包括電子射頻源的上頻率轉(zhuǎn)換，光學(xué)源的下變頻轉(zhuǎn)換，激光和反向波電子管等眾多技術(shù)正在快速發(fā)展當(dāng)中。這個(gè)領(lǐng)域有一些非常全面的綜述。產(chǎn)生低功率（<100µW）的連續(xù)波太赫茲輻射的最常用技術(shù)

11、是通過(guò)將像壓控振蕩器和電介質(zhì)諧振器振蕩器這種低頻微波振蕩器進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換。頻率上轉(zhuǎn)換通常是通過(guò)平面GaAs肖特基二極管倍增器鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用這些方法已經(jīng)產(chǎn)生的頻率為2.7THz。仍有研究繼續(xù)通過(guò)使用交替半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和優(yōu)化加工工藝的辦法來(lái)將耿氏和IMPATT二極管的頻率增高至太赫茲譜的低頻范圍。氣體激光器是另一種比較常見(jiàn)的太赫茲源，它是用一個(gè)二氧化碳激光器泵浦低壓氣體腔，以此在氣體分子的發(fā)射線頻率附近產(chǎn)生激光。這種源并不是連續(xù)可調(diào)的，通常需要一個(gè)大的諧振腔和千瓦級(jí)的泵浦功率，然而它卻能提供30mW的輸出功率。甲醇和氰化氫氣體激光器是最為常見(jiàn)的，一般都用于光譜成像和外差接收器。最近，用具有能量補(bǔ)償線性

12、加速器的自由電子激光器來(lái)產(chǎn)生極高功率的太赫茲輻射的方法已被證實(shí)可行。自由電子激光器是用一束在真空中通過(guò)一空域變化的強(qiáng)磁場(chǎng)傳播的高速電子束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)磁場(chǎng)引起電子束的振蕩并輻射出光子，用反光鏡來(lái)限制這些光子在電子束的附近，因?yàn)殡娮邮羌す馄鞯脑鲆娼橘|(zhì)。這種系統(tǒng)的價(jià)格之高，尺寸之大，令人望而卻步，并且需要一套專屬的裝置。然而它卻可以產(chǎn)生連續(xù)和脈沖這兩種波，并且能夠產(chǎn)生的平均亮度比通常光電導(dǎo)天線發(fā)射器高六個(gè)量級(jí)。自由電子激光器在某些需要高的信噪比或者是非線性太赫茲光譜的應(yīng)用中具有非常大的潛力。同一技術(shù)方案的臺(tái)面級(jí)裝置，稱為后向波管或返波管，也能在太赫茲波段產(chǎn)生毫瓦級(jí)的輸出功率，并且已經(jīng)有商業(yè)化的產(chǎn)

13、品。一些光學(xué)技術(shù)也被用于產(chǎn)生窄帶太赫茲輻射，最早的努力開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)是把兩個(gè)激光源進(jìn)行非線性混頻，但是卻一直得不到較高的轉(zhuǎn)換效率。這個(gè)技術(shù)是把中心頻率稍微不同的兩束連續(xù)激光在一個(gè)像DAST這樣具有高二階非線性晶體材料中進(jìn)行合束。這兩束激光在材料中相互干涉，以此產(chǎn)生兩個(gè)頻率的合頻和差頻輸出?？梢栽O(shè)計(jì)系統(tǒng)使得差頻在太赫茲頻率范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)可以通過(guò)在低溫生長(zhǎng)的GaAs晶體中將兩束頻率有偏差的激光進(jìn)行混頻或者是將一個(gè)多模激光器的兩個(gè)頻率模式進(jìn)行混頻來(lái)產(chǎn)生可調(diào)的連續(xù)波太赫茲輻射。更進(jìn)一層的技術(shù)是采用光學(xué)參量生成器和振蕩器，其中由Q開(kāi)關(guān)Nd：YAG（摻釹的釔鋁石榴石）作為泵浦在非線性晶

14、體中產(chǎn)生另外一束閑頻光，并且由泵浦光和閑頻光拍頻來(lái)產(chǎn)生太赫茲輻射。光學(xué)技術(shù)提供了較寬范圍內(nèi)的可調(diào)太赫茲輻射，并且由于有固體激光源而結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔。輸出功率可以超過(guò)100毫瓦。光學(xué)下頻率轉(zhuǎn)換是一個(gè)材料研究豐富的領(lǐng)域，因?yàn)榉肿邮庋雍推渌牧系倪M(jìn)展使得生長(zhǎng)具有改進(jìn)混頻特性的工程材料成為可能。半導(dǎo)體激光器在產(chǎn)生窄帶太赫茲方面是非常具有潛力的另一技術(shù)。這種方法產(chǎn)生于20年前，在低摻雜的p型鍺中通過(guò)交叉的電磁場(chǎng)使得空穴數(shù)量反轉(zhuǎn)。這種激光器通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)或者外部壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以給晶體提供一個(gè)強(qiáng)大的單軸壓力來(lái)誘發(fā)空穴數(shù)反轉(zhuǎn)，以此可以在鍺中產(chǎn)生THz激光。這種激光器具有很多內(nèi)在的限制，包括低效率，低輸

15、出功率，為了保持激光工作狀態(tài)還需要低溫冷卻。最近，半導(dǎo)體沉積技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新高度，使得構(gòu)造基于多量子阱半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)用于THz激光發(fā)射成為了可能。量子級(jí)聯(lián)激光器是在1994年首次報(bào)道，它是基于用分子束外延生成的一系列耦合的量子阱。量子級(jí)聯(lián)激光器由耦合量子阱（夾在AlGaAs的電勢(shì)屏障里的納米厚的GaAs層）組成。量子級(jí)聯(lián)由一些重復(fù)單元組成，每一個(gè)單元包括一個(gè)注入器和一個(gè)激活區(qū)組成。在激活區(qū)存在著粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以電子躍遷到低能級(jí)上，并輻射出特定波長(zhǎng)的光子。這些電子在量子阱和注入?yún)^(qū)間隧穿被耦合到下個(gè)重復(fù)單元的活躍區(qū)中的高能級(jí)上。圖3 量子級(jí)聯(lián)激光器的簡(jiǎn)化能帶結(jié)構(gòu)量子級(jí)聯(lián)激光器在早期只能產(chǎn)生紅外光

16、譜，直到最近的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一些關(guān)鍵難題的存在使它不能產(chǎn)生太赫茲波。這要的困難就是太赫茲波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，這點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大的光學(xué)模式，這個(gè)光學(xué)模式又會(huì)導(dǎo)致小增益介質(zhì)和光場(chǎng)之間的耦合效率較低，并由于材料中的自由電子而使得光損失很大（損失與波長(zhǎng)的平方成正比）。最近科勒等人在他們工作在4.4THz的量子級(jí)聯(lián)激光器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中解決了上述以及其他一些難題。這個(gè)激光器包括104個(gè)基本重復(fù)單元（如圖3所示）和總共超過(guò)700多個(gè)量子阱。這個(gè)系統(tǒng)能夠在10K溫度下以脈沖方式工作，然而，優(yōu)化的加工有望使系統(tǒng)能夠在液氮溫度（大約70K）下進(jìn)行連續(xù)波工作。太赫茲探測(cè)器太赫茲頻率信號(hào)的探測(cè)是另外一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。太赫茲

17、源的低輸出功率加上在這個(gè)光譜范圍內(nèi)的相對(duì)較高的熱背景輻射要求找到高靈敏的探測(cè)方法。對(duì)于寬帶探測(cè)，最常用的就是基于熱吸收的直接探測(cè)器。這種探測(cè)器大部分需要冷卻來(lái)降低熱背景輻射，最常見(jiàn)的系統(tǒng)是液氦冷卻的硅，鍺和銻化銦輻射熱測(cè)量?jī)x。熱電紅外探測(cè)器也可以用于太赫茲頻率的檢測(cè)。超導(dǎo)體研究已經(jīng)能夠制作非常靈敏的輻射熱探測(cè)器，它用基于像鈮這樣的超導(dǎo)體的狀態(tài)變化。運(yùn)用直接探測(cè)器，干涉測(cè)量技術(shù)可以用于提取光譜信息。一個(gè)針對(duì)于太赫茲光子的單光子探測(cè)器最近也已問(wèn)世，這種探測(cè)器采用一個(gè)由在高磁場(chǎng)中的量子點(diǎn)構(gòu)成的單電子晶體管來(lái)獲得前所未有的靈敏度。盡管探測(cè)速度現(xiàn)在限制在1ms，但是高速探測(cè)的方案已經(jīng)被提出，并且這可能對(duì)

18、太赫茲探測(cè)方面產(chǎn)生徹底的改革。在需要非常高光譜分辨率的傳感器的應(yīng)用中外差傳感器就備受青睞。這些系統(tǒng)中，在感興趣的太赫茲頻率處的一個(gè)本地振蕩器源和接受信號(hào)混合，下移的信號(hào)被放大并被測(cè)量。在室溫條件下，可以使用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。一個(gè)平面肖基特二極管混頻器已經(jīng)成功的用于2.5THz處的空間傳感。低溫冷卻被用于提高外差超導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏度。有些超導(dǎo)結(jié)構(gòu)已經(jīng)用了20多年了，最廣泛應(yīng)用的是超導(dǎo)-絕緣體-超導(dǎo)體隧道結(jié)混頻器。像YBCO（釔鋇銅氧化物）這樣的高溫超導(dǎo)體由于其具有更高帶寬的潛力也已被重視。有一些關(guān)于窄帶太赫茲接收器的綜述。像電子共振探測(cè)器這樣的窄帶探測(cè)器也已經(jīng)能做到高達(dá)600GHz了，這種探測(cè)器是基于

19、在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的等離子體波的基頻。太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中的脈沖太赫茲的探測(cè)需要相干探測(cè)器。最常用的兩種方法分別是基于光電導(dǎo)取樣和自由空間電光取樣，這兩種方法都是以超快激光為前提的。從基本原理講，電光效應(yīng)是一個(gè)低頻電場(chǎng)（太赫茲脈沖）和一個(gè)激光束（光脈沖）在用于傳感的晶體中進(jìn)行耦合。簡(jiǎn)單的張量分析說(shuō)明，用<110>方向的閃鋅礦晶體作為傳感器可以獲得最高的靈敏度。太赫茲電場(chǎng)調(diào)制了晶體傳感器的雙折射，反過(guò)來(lái)又調(diào)制了通過(guò)晶體的探測(cè)光束的橢圓偏振度，通過(guò)對(duì)光束的橢圓偏振度調(diào)制的分析就可以獲得所加電場(chǎng)的振幅和相位信息。非常短的激光脈沖（<15fs）和薄的晶體傳感器（<30µ

20、m）可以使電光探測(cè)用于中紅外范圍的信號(hào)。圖4a顯示的就是一個(gè)典型的中紅外脈沖太赫茲波形，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換得到圖4b圖形，最高的頻率響應(yīng)已經(jīng)超過(guò)了30THz。在5.3THz處有個(gè)共振吸收峰是由于ZnTe晶體的聲子模式引起的。當(dāng)用很薄的傳感器時(shí)，探測(cè)到的帶寬可高達(dá)100THz。圖4 中紅外寬帶太赫茲脈沖的波形及其頻譜光電導(dǎo)天線被廣泛應(yīng)用在脈沖太赫茲的探測(cè)。使用的結(jié)構(gòu)跟光電導(dǎo)天線發(fā)射器是一樣的。不是在天線的兩電極間提供一個(gè)偏壓，而是用一個(gè)電流放大器和一個(gè)電表來(lái)測(cè)量這個(gè)順變電流。用光電導(dǎo)天線探測(cè)器可以進(jìn)行超過(guò)60THz的超高帶寬檢測(cè)。太赫茲應(yīng)用發(fā)展太赫茲源和光譜系統(tǒng)最初的一個(gè)動(dòng)機(jī)就是它具有其他頻段不

21、能實(shí)現(xiàn)的提取材料特性的潛力。天文學(xué)和太空研究是太赫茲研究的最強(qiáng)推動(dòng)者之一，因?yàn)樵摬ǘ斡兄诤阈菈m埃云、彗星和行星中存在的大量諸如氧、水和一氧化碳分子的豐富信息。近年來(lái)，太赫茲光譜系統(tǒng)不僅應(yīng)用在大量材料特性的基本研究，還用于驗(yàn)證這些材料在傳感和診斷方面的潛在應(yīng)用。我們?cè)u(píng)述一下最近實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一些應(yīng)用。材料特性表征太赫茲光譜系統(tǒng)最主要的一個(gè)應(yīng)用就是材料特性的表征，尤其是重量輕的分子和半導(dǎo)體。太赫茲光譜系統(tǒng)已用于確定諸如GaAs和硅片這樣的摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度和遷移率。可使用Drude模型來(lái)聯(lián)系依賴于頻率的介電相應(yīng)和材料的自由載流子動(dòng)態(tài)特性，這些特性主要包括等離子體角頻率和衰減率。一個(gè)非常重要的研究

22、焦點(diǎn)就是對(duì)薄膜介電常數(shù)的測(cè)量。高溫超導(dǎo)體特性表征是太赫茲光譜的另外一個(gè)重要應(yīng)用。已經(jīng)分析了幾種超導(dǎo)體薄膜，確定包括磁穿透深度和超導(dǎo)體的能帶這樣的材料參數(shù)。最近，太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)被用于研究一種新發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體MgB2。這種材料具有39K這樣很高的相變溫度，其特性尚未完全理解。太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)確定了它的超導(dǎo)帶隙能量閾值大約是5meW，這僅僅相當(dāng)于現(xiàn)有理論預(yù)測(cè)值的一半，因此指出復(fù)雜的材料互作用的存在。用光泵-太赫茲探測(cè)系統(tǒng)所做的一些實(shí)驗(yàn)可以提取材料的一些附加信息。在這些實(shí)驗(yàn)中，用超快光脈沖對(duì)材料激發(fā)，并用太赫茲脈沖對(duì)激發(fā)材料的動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)紅外光學(xué)特性進(jìn)行探測(cè)。Leitenstorfer等人用一個(gè)光泵-太

23、赫茲探測(cè)系統(tǒng)確定了使用超短光脈沖在GaAs中激發(fā)的電子-空穴等離子體中電荷-電荷相互作用的時(shí)間演化。這項(xiàng)研究增加了量子動(dòng)力學(xué)關(guān)于電荷集結(jié)和剝離的準(zhǔn)離子的理論預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。太赫茲影像和成像脈沖太赫茲波成像，或者叫T射線成像，最早在1995年由Hu和Nuss證實(shí)可行，從此就被廣泛應(yīng)用于多種目標(biāo)的成像，包括半導(dǎo)體，癌組織和火焰。太赫茲成像的引人之處在于它的相位敏感的光譜成像，這樣就可以進(jìn)行材料鑒別或者是功能成像。圖5 兩個(gè)塑料圓柱在T射線計(jì)算機(jī)層析中的像太赫茲系統(tǒng)是對(duì)像紙、塑料和陶瓷這樣的干燥電介質(zhì)的理想成像技術(shù)，這些材料相對(duì)而言在太赫茲波段不存在吸收，然而不同材料卻可以根據(jù)太赫茲相位信息中提取的

24、折射率加以區(qū)分。很多這種材料在光頻段是不透明的，并且對(duì)于X射線對(duì)比度又非常的低。太赫茲成像可能在安檢和制造業(yè)的質(zhì)量控制方面找到合適的應(yīng)用。對(duì)于這點(diǎn)的一個(gè)非常重要的目標(biāo)就是三維（3D）層析T射線成像系統(tǒng)。圖5顯示的就是一兩個(gè)折射率不同的塑料圓柱的重構(gòu)的斷面和3D渲染成像。這個(gè)系統(tǒng)和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描的原理是一樣的，但是通過(guò)寬帶、相敏太赫茲探測(cè)可以獲得關(guān)于材料依賴于頻率的光學(xué)特性的豐富的信息。用太赫茲成像來(lái)研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)的興趣也高漲起來(lái)。當(dāng)前情況下根本的限制就是現(xiàn)有系統(tǒng)的分辨率。瑞利判據(jù)將成像系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率限制于波長(zhǎng)量級(jí)（1THz處為0.3mm）。出于這個(gè)原因，研究人員就希望通過(guò)在近場(chǎng)成像來(lái)提高

25、空間分辨率。類(lèi)似于近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，運(yùn)用近場(chǎng)技術(shù)已經(jīng)獲得了當(dāng)中心波長(zhǎng)為600µm時(shí)7µm的分辨率。另外一種提高分辨率的方法就是用更高頻率的太赫茲脈沖。圖6就是一個(gè)洋蔥細(xì)胞薄膜所成的太赫茲像。通過(guò)用持續(xù)到中紅外的非常寬的太赫茲脈沖可以獲得大約50µm的分辨率，圖像中的對(duì)比度主要是由細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間含水量的不同引起的。圖6對(duì)一個(gè)洋蔥細(xì)胞薄膜所成的太赫茲像生物材料太赫茲的應(yīng)用太赫茲系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)方面有非常廣泛的應(yīng)用，比較活躍的研究領(lǐng)域涵蓋了癌細(xì)胞檢測(cè)到遺傳分析。許多蛋白質(zhì)和DNA分子的集體振動(dòng)模式預(yù)測(cè)在THz波段，這一點(diǎn)極大促進(jìn)了太赫茲光譜在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。太赫茲光譜也被預(yù)測(cè)具有推斷生物分子構(gòu)象狀態(tài)信息的潛力。測(cè)定了含有DNA和其他生物分子的壓制小片的復(fù)折射率，其吸收與存在有大密度的在紅外波段活躍的低頻模式一致。DNA分析器被用于確定多種遺傳學(xué)應(yīng)用的核苷酸堿基序列?；蛐酒闹谱魇且粋€(gè)日益流行的技術(shù)，它將未知的DNA分子用一段基序列已知的熒光標(biāo)記的核苷酸相結(jié)合。熒光標(biāo)記會(huì)影響診斷精度并增加成本和基