太赫兹波的几个基本问题

　　0　引　言

　　THz (1012Hz )波的发现,填补了现有物理学电磁波谱中毫米波和红外线波段之间的一段空白[1]。太赫兹、亚太赫兹波段的频率为0.1~10THz,波长为3mm~30μm。目前,对于太赫兹波频谱范围的定义不尽相同,如有定义0.3~10THz,波长1mm~30μm[2];或者定义为0.3~30THz,其波长1mm~10μm,光子能量( ω)1.25~125meV[3]等。但是,其相对位置都是低端连接毫米波,高端接远红外区,即位于半导体电子器件和光子器件之间的波段。若以应用频率范围的载体为坐标,则太赫兹波“空隙”的位置位于“雷达”与“人”之间。

　　由于技术上的原因,这段介于毫米波和远红外光线之间的波段长时间没有被人涉足。近年来,随着飞秒(10-15s)激光技术的发展和成熟,为发展太赫兹波的研究提供了有效的驱动力。此外,随着现代科学技术的发展,对太赫兹波的迫切需要也唤起人们对研究太赫兹波的极大兴趣。如飞秒激光高次谐波产生相干X射线、飞秒激光器触发太赫兹波的产生及其应用都是飞秒激光技术向相关毫米波段的延伸。

　　这段位于毫米波和红外之间太赫兹波光谱具有极大的吸引力,其研究领域涉及物理、化学、生物、材料科学和药学的边缘科学。太赫兹波兼有连续波(CW)和脉冲两种形式,其脉冲周期数可减少至1周期,峰值功率可高达10MW。

　　从广义上讲,将太赫兹波技术应用于半导体将极大地推动以下科学领域:半导体纳米结构的基本性质;电子器件的基本极限;太赫兹波以上(sub-wavelength THz)的频谱学;相干控制和非线性太赫兹波频谱学;量子光学;量子-信息科学;自旋电子学;太赫兹波高电场物理学和量子非线性动力学。

　　在太赫兹波领域中存在着无限的机会,例如在太赫兹波的电磁波频率范围内,其基本周期约为1ps,尤其适合许多重要领域的研究:完全受激态原子的里德伯(Rydberg)态轨道的电子频率是太赫兹波;小分子的旋转频率是太赫兹波;室温下气态分子的碰撞时间约1ps等。因此,人们正在努力降低进入研究太赫兹波的门槛。

　　1　太赫兹波特性

　　太赫兹波的有关研究和应用都离不开两个重要的特性:①光谱特性　在太赫兹波的范围内,大多数化学物质具有吸收特性,而在0.3THz以下的毫米波和微波范围内,则不存在此特性;②传输特性　在太赫兹波波段,大多数材料是透明的,或者是部分透明的,而在3THz以上的红外范围内，

　　这些材料变成不透明的。由于太赫兹波兼具上述两种性质,使用太赫兹波(T射线)的检查技术就成为一种比X射线更有效和独特的无损检查方法。因为,使用太赫兹波设备的辐射性更小,成像的对比度更清楚,还有可能实现X射线无可比拟的化学识别。太赫兹波的应用范围涉及通信、生物医药、传感领域等。