太赫兹的定义及产生

本文为学习《高能强场太赫兹源与铌酸锂晶体》论文的笔记。

太赫兹波（THz）的频率范围为0.1~10THz，波长为30um~3mm，频率介于微波和红外线之间，能量介于电子和光子之间。1THz等于1*10^12Hz。根据光速是3*10^8m/s，频率乘以波长等于速度，当频率为0.1THz时，3*10^8m/s除以0.1*10^12Hz等于30*10^(-4)m等于3*10^-3m等于30um。

太赫兹的产生主要分为光学效应和电子学效应。光学效应产生的太赫兹辐射是材料表征与器件测量的重要手段。光学效应产生太赫兹辐射的例子包括飞秒激光作用于半导体表面、有机晶体及非线性晶体等。半导体材料如碲化锌（ZnTe）和磷化镓（GaP）等，泵浦光和太赫兹频段的折射率差异较小，可通过共线匹配来满足相位匹配，是产生太赫兹的常用材料。但ZnTe和GaP是宽禁带半导体，强飞秒激光照射易促进光光子或多光子吸收产生高载流子密度，从而能力转换效率难以提升，制约了高效强场太赫兹辐射的输出。有机晶体如DAST、OH1和DSTMS等，非线性效应较强，理论上可实现较高太赫兹效率。但这类晶体易潮解、尺寸小，所用的长波长高能泵浦激光技术不成熟，成本高。非线性晶体如LiNbO3，利用光学整流（OR）技术产生太赫兹。由飞秒激光驱动，利用脉冲激光和非线性介质的相互作用产生低频电极化场。

速度相位匹配技术在铌酸锂晶体中用于解决折射率差异导致的相位匹配失调问题。在非线性晶体的光学整流中，通过角色散引入波面倾斜的计算原理实现了泵浦光-太赫兹脉冲的相位匹配。从飞秒激光器出射的泵浦激光脉冲经过光栅的-1级衍射后，能量传播方向发生倾斜，经过半波片（HWP）和透射镜后入射到LiNbO3晶体，产生太赫兹辐射。泵浦光偏振态平行于晶体Z轴，从而利用铌酸锂晶体的有效非线性系数d33（约27pm/V），从而提高转化效率。泵浦光脉冲的等强度面即波前与等相位面之间的夹角称为倾斜波前角，泵浦光脉冲在介质中传播的群速度为v，波前与传播方向夹角为γ，所以波前的传播速度为vcosγ。因此，波前的传播速度小于泵浦光脉冲的传播速度，调节合适的倾斜角可以使波前的传播速度等于介质中太赫兹波的相速度，即完成速度相位匹配。