学科前沿——太赫兹技术

         

太赫兹(Terahertz,1THz=10

12

Hz)波,是指频率范围在0.1~10THz,处于红外与微波之间的电磁辐射。近年来,随着科学技术的发展,太赫兹波的性质及其在物理学、光学、电子学、材料学和生物医学等领域中的应用前景已引起了研究人员的广泛关注,例如太赫兹波的特征光谱特性和生物安全特性,可用于材料分析、产品质量监控、食品安全检测、安全检查以及医学诊疗甚至癌症诊断等;与微波相比太赫兹波的高频和短波长特性,可用于超宽带高速通讯、军事雷达和高分辨率成像等。然而,由于暂时缺乏针对不同应用领域的高品质太赫兹辐射源、探测器和调控器件,目前太赫兹技术的应用,除光谱分析和成像以外,还未能真正深入到其他领域。

这些暂时的问题既是太赫兹科学与技术发展所面临的巨大挑战,同时也是新材料、新技术乃至新兴交叉学科发展的机遇。围绕这些阻碍太赫兹技术发展的瓶颈问题,近年来研究人员提出了一大批新的学术思想和技术方案,以推动该领域的快速发展。其中,基于超材料(Metamaterials)的太赫兹调控器件和基于飞秒激光的太赫兹时域光谱和近场成像技术。

太赫兹的产生和探测

根据太赫兹辐射产生的机理,可以将其辐射源分为光学和电子学方法两大类。光学方法主要包括早期连续光泵浦法以及近期发展迅速的飞秒脉冲泵浦法。近三十多年来快速发展的飞秒激光技术为宽带相干太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激励和探测光源。太赫兹脉冲的辐射方法有多种,包括光导天线、半导体表面辐射、二阶非线性差频即光学整流效应、空气等离子体四波混频和切伦科夫辐射等。近年来相关研究人员通过采用不同的衬底材料、非线性晶体和飞秒激光激励方式不断提高其性能,并利用紧凑型的光学器件来实现系统的小型化。基于电学方法的太赫兹辐射源主要包括太赫兹量子级连激光器(THz-QCL),太赫兹自由电子激光器(Freeelectronlaser,FEL)以及利用GaAs肖特基二极管倍增器实现的电子学频率上转换太赫兹源。

探测方法通常为辐射方法的逆过程,也可相互混用。THz探测器主要分为四大类:(1)辐射量热计(Bolometer)和热释电探测器。这类装置通常需要冷却系统且只能用于非相干检测,响应速度一般比较慢。(2)混频器和差频检测电子探测器,特点是结构紧凑并能获得相干光的相位信息。(3)光电导偶极天线及其阵列,特点是其暗流和噪声较低。(4)用飞秒激光取样的电光晶体如ZnTe,具有极宽的频谱响应和非常高的测量信噪比。

太赫兹超材料功能器件

超材料的出现,为发展太赫兹功能器件提供了有效手段。超材料是一种人工材料,由亚波长的金属或介质微结构阵列组成,其电磁性质主要由微结构所支持的谐振模式所决定。而谐振模式又由微结构决定,因此具有很大的操作自由度,可以用来实现多种功能器件,如滤波器、吸收器、偏振控制器和传输控制器等。超材料的研究,最早始于微波波段,而目前几乎延伸到整个电磁波段。不同波段超材料的一个重要区别在于尺度不同,这主要由波长尺度决定,所以不同波段超材料的功能无法直接在其他波段得到体现,这也成为超材料研究的一个瓶颈问题——尺度壁垒。目前,太赫兹超材料代表性的器件包括:(1)太赫兹完美吸收体:基于超材料的完美吸收体往往由三层材料组成:第一层是周期性排布的金属微结构阵列,其结构和尺寸需要与周围环境达到阻抗匹配,以减少对入射太赫兹波的反射;第二层是介质层共振腔,让太赫兹波在里面多次反射后消耗殆尽;第三层是平面金属层,主要用来阻挡太赫兹的透射。(2)太赫兹透镜:太赫兹透镜常采用聚乙烯或者特氟纶等对太赫兹吸收较少的材料来制备。太赫兹透镜已经被广泛应用在太赫兹光谱仪,太赫兹通信系统,毫米和亚毫米波成像系统。制备太赫兹透镜的另外一个重要方法就是利用很薄的超材料来实现折射率或相位等参数的梯度变化,从而实现对太赫兹强汇聚效果。超材料透镜一般是平面薄层结构,不会像曲面透镜那样引入球面相差。(3)太赫兹偏振控制器:操纵波的偏振态是太赫兹器件研究中的一个既重要又艰巨的任务。常见偏振控制器包括应用各向异性介质制备的薄层偏振器,棱镜偏振器,布鲁斯特角偏振器,金属线栅偏振器等。也有人利用纸、液晶、多层鱼鳞结构、手征性等产生的双折射效应来实现的偏振控制器。(4)太赫兹传感器:太赫兹超材料传感器是一种灵敏度高、可以突破传统的传感器分辨率极限的无标记检测器件。通过优化结构设计能够增强超材料对电磁场的局域性,从而提高其对周围环境中的介质敏感程度。(5)太赫兹隐身:由于太赫兹波段的隐身材料对太赫兹技术的各个方面(如社会安全、太赫兹通信等)有着独特的应用价值。近年来,太赫兹雷达和太赫兹通信技术的高速发展对能工作在太赫兹波段的隐身功能材料的需求与日俱增。但是,相比于光波段和微波段,在太赫兹波段加工三维隐身材料极其困难。(6)太赫兹诱导透明EIT:对于三能级系统,EIT现象可以解释为两种不同的激发跃迁方式之间的相消量子干涉,此过程会在非常深的宽吸收带中产生非常窄的透过窗。自从EIT被发现后,很多激动人心的应用被人们挖掘出来,包括量子非线性效应、慢光、超快转换、光学数据存储、信号处理、光学延迟线等。用超材料来仿效EIT现象的共同点往往是设计两种周期性微结构,一个结构能直接与入射电磁波耦合,其谐振的品质因数一般比较小,称作明模;另一个结构则不能直接与入射电磁波耦合,而是间接与明模产生耦合,其谐振的品质因数一般比较大,称作暗模。把两种结构结合到一起,且两个模式的谐振频率相近,才可能产生EIT现象。(7)太赫兹滤波器:太赫兹滤波器有很多种实现方法,包括基于光子晶体、光栅结构、等离子体等周期性排布结构、量子阱结构、超材料结构等。其中,基于超材料的太赫兹滤波器以其设计的灵活性高、加工工艺成熟、滤波效率高等优点占据了突出位置。

太赫兹时域光谱技术

太赫兹光谱具有较低的光子能量,恰好与分子转动振动、晶格振动以及分子间弱相互作用(如氢键、范德华力等)匹配。不同于反应官能团振动的红外光谱技术,太赫兹光谱能够反映分子细微的结构变化,如鉴定分子的同分异构体。因此,太赫兹光谱具有指纹特性,在鉴定物质成分如爆炸物,农药残留等方面有广泛的应用前景。然而,特定物质的太赫兹指纹谱通常谱线特征复杂且唯一,这也在一定程度上增加了太赫兹光谱技术的广泛应用。通常,太赫兹光谱的指认需要结合密度泛函计算,分子动力学模拟等计算结果的辅助以及大量单一种类分子的太赫兹光谱的积累。太赫兹光谱具有皮秒量级的瞬态性,可以通过泵浦探测等实验手段对各种材料进行时间分辨的研究,例如蛋白质折叠的动力学过程,半导体载流子动力学,以及材料中的热耗散过程。目前应用较多的方面主要是利用可见光泵浦太赫兹探测技术研究各类半导体,如钙钛矿等的载流子迁移复合的动力学过程。太赫兹主要由相干的激光脉冲通过光整流相应产生或是由相干电流驱动的偶极子震荡产生,因此太赫兹光谱还具有相干性,这使得太赫兹光谱技术能够直接获得光谱的振幅和相位信息,可以方便地提取样品的复折射率、吸收系数、复介电常数等重要物理信息。

太赫兹时域光谱系统(Terahertz Time Domain Spectroscopy, THz-TDS)

另外,太赫兹光谱技术在日常及工业场景中有着广泛的应用前景。首先,由于太赫兹辐射对很多非极性材料如常见的塑料包装等具有很强的穿透力,因此可用于对已包装物品进行检测或者用于安全检查。其次,太赫兹光谱技术是一种非接触性测量技术,能够对半导体和电解质薄膜等的载流子特性和介电特性进行快速非接触式测量。特别是在半导体及塑料工业等场景中意义重大。

太赫兹近场成像技术

太赫兹成像应用前景广阔,但受到衍射极限限制传统远场太赫兹成像系统分辨率最小只能到半波长尺度,如1THz的最小分辨率为0.15mm。近场探测的显微技术对于打破远场衍射极限,提高空间分辨率意义重大。近场探测系统采用逐点扫描的方式,得到亚波长量级的空间分辨率。该方法将太赫兹近场显微成像技术的性能提高到了一个新层次。目前太赫兹近场探测已经发展出多种新方法,如共焦法、孔径法、波导法以及光导原理等方法。共焦法基于传统的太赫兹8F共焦时域光谱系统(8FTHz-TDS),在太赫兹波到达探测器之前创建第二个焦点,并在第二个焦点处放置一个小孔光阑以阻挡除探测目标区域外的一切杂散光,完成太赫兹共焦显微,可获得了四分之一波长尺度的分辨率。波导法将平板波导设计成锥形,并结合接收波长,将小孔置于样品足够近位置,使束缚在表面的近场通过小孔耦合,由后面的探测器收集,获取样品的近场信息。通过该方法得到的空间分辨率接近小孔尺度,而不再受波长限制。波导法不仅具有低传输损耗的优势,而且在宽带近场探测中没有群色散。将平板波导设计成锥形,结合接收器,可作为一种反射模式的近场探测器件。直接探测法,则是采用太赫兹源或者探测器直接接近样品的最直接测量方式。比较普遍的做法是利用探测器直接探测样品的近场的信息,如电光晶体和光导探针。使用电光晶体时,要获得更高的分辨率,电光作用区域必须要小,这就要求探测光束聚焦得足够小,且晶体必须足够薄,这就使空间分辨率严重依赖泵浦光斑的尺寸和电光晶体的有限厚度,难以实现超高的空间分辨率。使用光导探针则不存在这些问题,在传统光导天线的设计基础上,进一步优化天线的结构,使它能收集更多的近场信息,达到超高的空间分辨率。将天线的基底形状和两根金属线走向都设计成三角锥形,依据基本的光导原理提取近场信息。通过使用小尺寸光导探针,在足够接近样品表面的基础上得到很高的空间分辨率。该方法系统设计简单,易于调整和操作,在太赫兹近场的扫描实验中,能够完成对表面波以及电学方面的检测,在太赫兹近场探测领域有望取得进一步发展,并同样具有对太赫兹信号的远场测量和空间扫描能力。(供稿:刘立媛)