基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制

频谱可调制的太赫兹波具有广泛的应用价值。利用一台纯相位式的液晶空间光调制器对飞秒激光脉冲进行空间整形,通过改变飞秒激光脉冲的横向空间分布,实现太赫兹波频谱的调制。在实验中,利用光泵浦整流方式产生太赫兹波,并利用太赫兹时域光谱系统对太赫兹信号进行探测。通过GS算法在液晶空间光调制器上加载不同的相位图,获得了不同的飞秒激光脉冲横向空间分布。通过改变探测距离和飞秒脉冲的空间分布参数,实现了太赫兹波频谱的调制。还利用菲涅尔衍射算法对这一过程进行了理论模拟,理论模拟结果与实验结果吻合的较好,这充分说明了基于飞秒脉冲空间整形的太赫兹光谱调制技术的可行性。     

外差式相干探测时域光谱仪对磷化铟（InP）晶片的超宽频带太赫兹光谱的探测

磷化铟（InP）属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 在毫米波的应用中展示出了高性能,在非线性太赫兹器件应用上具有很大的潜力。以前关于InP的研究主要集中于太赫兹频率在0.1～4 THz的频率范围内,在4～10 THz频率范围内InP的太赫兹光学数据还是空白。该研究利用空气等离子体相干探测太赫兹波的时域光谱系统研究了无掺杂的InP晶片在超宽THz频率范围（0.5～18 THz）内的光学特性, 实验中用电离的空气作为太赫兹的发射器和探测器, 利用可以调制的局部偏压诱导二次谐波产生,使在气体中太赫兹波的相干探测成为可能,明显提高了系统的动态范围和灵敏度。产生的太赫兹频谱宽度主要被激光脉冲持续时间所限制,太赫兹脉冲通过InP晶片后相对于参考脉冲会延迟,同时振幅会降低。另外,太赫兹信号的频谱振幅在6.7～12.1 THz范围内下降到本底噪声。同时还可以看出InP晶片在6.7～12.1 THz频率范围内不透光,在0.8～6.7 THz以及12.1～18 THz频率范围内InP的吸收系数相对较低,特别是在15～17.5 THz范围内吸收系数很低并且保持相对稳定,与此同时它的折射率单调增加。这些发现将有助于基于InP晶片的非线性太赫兹器件设计。     

激光大气成丝中的非线性光频转换

超快强激光在光学介质（如空气）中传播时由于克尔自聚焦效应和等离体散焦效应动态平 衡会发生一种独特的非线性激光成丝现象。激光成丝过程会诱导一些独特的物理现象,如非线性 光频转换产生超连续光谱、等离子体诱导高压放电、锥形辐射等,在大气传感、天气控制等研究 领域具有重要的应用前景。本文针对飞秒激光大气成丝过程中与传输介质相互作用所诱导的非线 性发光过程,介绍了激光大气成丝所产生的超连续光谱（白光）激光、谐波产生和太赫兹波辐射 三种非线性光频转换现象,并着重探讨了太赫兹波辐射的物理机理、研究现状和应用前景。     

电子动力学及相干辐射的强场调控与阿秒探测*--强场与阿秒物理领域中的重大课题研究进展

电子动力学及相干辐射的强场调控与阿秒探测是强场物理与阿秒物理领域中的重大课题。通过同步探测阿秒辐射和太赫兹辐射,文章作者首次实现了阿秒精度的太赫兹产生动力学的探测与控制,表明阿秒物理与太赫兹技术的结合有助于深入理解强场驱动下太赫兹产生机制和电子再散射动力学,展示了利用双色场控制电子波包相干相位,实现超快物理过程强场调控的可能。文章作者所提出的精确刻画太赫兹时域瞬时电场方案,有助于推动极化敏感的太赫兹谱学研究。可以预期,阿秒脉冲与太赫兹源技术不会局限于原子分子物理领域。实现阿秒物理与太赫兹技术之间的互为抽运与探测,将会极大地推动化学、材料科学、凝聚态物理等领域的高时空分辨的超快动力学探测。     

利用激光诱导荧光来探测远程宽带太赫兹波

远程太赫兹光谱分析在国土安全和环境监测方面的应用有着巨大的潜力.然而由于大气中的水气在太赫兹频率范围内的强吸收,远程宽带太赫兹探测一直以来都是一个挑战.文章介绍了一种通过相干控制非对称电离气体荧光来实现远程宽带探测太赫兹波的全光学技术.由于荧光在大气中的高透过率以及全方位辐射特性,该技术可用于太赫兹波的远程探测,具有最小水气吸收以及不受光信号收集方向限制两个优点.实验上已经获得了距离为10m量级的太赫兹波相干探测.     

从光子晶体效应到表面等离子波的实时演变

文章报道了激光诱导太赫兹表面等离子谐振效应。采用激光抽运-太赫兹波探测技术，实时改变单晶硅中的载流子浓度，使其介电特性从类绝缘体演变为类金属导体，以支持表面等离子谐振效应，进而实现太赫兹波在周期性亚波长单晶硅孔阵列中的实时可控制谐振增强传输。同时还通过实验观测到太赫兹波从光子晶体效应到表面等离子波的实时演变。文章作者采用Fano模型对实验结果进行模拟分析，获得了与实验数据一致的理论拟合。     

太赫兹波光谱特性分析

目前太赫兹技术的研究主要集中在它的产生、探测机理研究上。由于太赫兹波处于微波和可见光之间的频率范围,已有的微波和光波理论是否能适用于太赫兹波或者具有某些共同的特性仍需实验验证。通过实验分析验证了太赫兹波在空气介质中在垂直于传播方向的平面内场振幅是服从高斯函数分布的,测量给出了太赫兹波的能量分布图。根据测试数据推导出太赫兹波在空气介质中能量衰减公式,利用法布里-珀罗(F-P)干涉仪原理设计出太赫兹波长仪,对美国Corehent公司SIFIR-50THz太赫兹激光器发射的1～3THz波长进行了测量。讨论分析了远场发射角、光束入射角度、机械振动、温度波动和折射率n波动等相关因素对测量精度的影响。     

激光能量对气体等离子体产生太赫兹波的影响

双色激光脉冲激励气体等离子体产生太赫兹波是得到高强度宽频带太赫兹波的重要方法,本文利用光电流模型研究了该方法中激光能量对产生太赫兹波的影响。理论计算表明,太赫兹波随激光能量的增大而增强,而太赫兹波的频谱结构不受激光能量的影响。分析了双色激光能量影响太赫兹波强度的原因,并利用自由电子浓度和电子电流密度诠释了该影响的内在物理机制。该研究为提高太赫兹辐射强度提供了一种有效的途径。     

多脉冲激光增强太赫兹辐射的PIC模拟

 模拟了强激光和稀薄非均匀等离子体相互作用在界面辐射超强太赫兹波的物理过程,提出了利用多脉冲激光增强太赫兹辐射的方案,详细研究了多脉冲激光的脉冲个数（取１～４个）、脉冲间距等因素对太赫兹辐射功率和频率的影响。当入射激光包含4个脉冲时,辐射最强,此时的辐射功率是相同条件下单脉冲的6倍,可达到7.16 MW,辐射的太赫兹波的脉宽约为330 fs,总能量约为1 μJ。研究结果表明:多脉冲激光可以显著增强太赫兹辐射,且随着脉冲个数的增加,激起的电子静电波振幅变大,辐射功率也随之变大,直到尾流场饱和;当脉冲间距等于入射激光脉宽时辐射最强。     

光纤型变角度太赫兹时域光谱测量系统研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种非常有效的相干光谱探测技术,被广泛应用于材料特性分析、爆炸物探测、医学诊断以及气体检测等众多领域。传统THz-TDS系统采用钛宝石飞秒激光器作为光源,体积大、成本高,限制了THz-TDS的大规模应用。光纤激光技术近年来发展迅速,光纤飞秒激光器近年来已实现商用,尤其是掺铒光纤飞秒激光器,具有成本低、体积小、稳定性好等优点。采用全光纤的设计方案, THz-TDS系统可设计的非常紧凑和灵活,同时由于飞秒激光在光纤中传输,大大提高了系统的抗环境干扰能力,在工业和现场测量方面具有巨大的应用潜力。但另一方面,由于色散展宽、偏振方向不匹配等效应的影响,会对THz-TDS系统的性能造成严重影响,需要在系统设计时充分考虑。本文设计研制了光纤型THz-TDS系统,对光学、电学和软件三个子系统分别进行了简要介绍。通过插入色散补偿光纤进行色散管理实现了飞秒脉冲宽度的控制,使得到达太赫兹光电导天线的飞秒脉冲宽度保持在50 fs左右,从而消除了因飞秒脉冲展宽导致的太赫兹时域脉冲展宽。通过对飞秒激光偏振态的精确控制,使泵浦激光和探测激光偏振方向与保偏光纤的快轴或慢轴保持平行,避免飞秒脉冲同时沿快慢轴传输导致到达太赫兹天线的时间存在先后,从而消除了太赫兹时域脉冲的分裂现象,获得了信噪比优于12 000的单脉冲太赫兹时域波形。采用变角度光路结构设计,实现了太赫兹透、反射光谱测量的便捷切换,以及变角度太赫兹光谱的测量,给THz-TDS系统的应用带来了很大的方便。     

Detection of broadband terahertz waves with a laser-induced plasma in gases

We report the experimental results and theoretical analysis of broadband detection of terahertz (THz) waves via electric-field-induced second-harmonic generation in laser-induced air plasma with ultrashort laser pulses. By introducing the second-harmonic component of the white light in the laser-induced plasma as a local oscillator, coherent detection of broadband THz waves with ambient air is demonstrated for the first time. Our results show that, depending on the probe intensity, detection of THz waves in air can be categorized as incoherent, hybrid, and coherent detection. Coherent detection is achieved only when the tunnel ionization process dominates in gases.     

Coherent control of THz wave generation in ambient air

Our study of THz wave generation in the pulsed laser induced air plasma with individually controlled phase, polarization, and amplitude of the optical fundamental wave (omega) and its second harmonic (2omega) indicates that the third-order nonlinear optical process mixing the omega and 2omega beams in the ionized plasma is the main mechanism of the efficient THz wave generation. The polarity and the strength of the emitted THz field are completely controlled by the relative phase between the omega and 2omega waves. The measured THz field amplitude is proportional to the pulse energy of the fundamental beam and to the square root of the pulse energy of the second-harmonic beam once the total optical pulse energy exceeds the plasma formation threshold. The optimal THz field is achieved when all waves (omega, 2omega, and THz waves) are at the same polarization in the four-wave-mixing process.     

Field effect transistors for terahertz detection - silicon versus III–V material issue

Resonant frequencies of the two-dimensional plasma in FETs reach the THz range for nanometer transistor channels. Non-linear properties of the electron plasma are responsible for detection of THz radiation with FETs. Resonant excitation of plasma waves with sub-THz and THz radiation was demonstrated for short gate transistors at cryogenic temperatures. At room temperature, plasma oscillations are usually over-damped, but the FETs can still operate as efficient broadband THz detectors. The paper presents the main theoretical and experimental results on detection with FETs stressing their possible THz imaging applications. We discuss advantages and disadvantages of application of III–V GaAs and GaN HEMTs and silicon MOSFETs.     

Nonlinear optical terahertz wave sources

We developed a Cherenkov phase-matching method for monochromatic THz-wave generation using the DFG, process with a lithium niobate crystal, which resulted in both high conversion efficiency and wide tunability. Although THz-wave generation by Cherenkov phase matching has been demonstrated using femtosecond pumping pulses, producing very high peak power, these THz-wave sources are not monochromatic. Our method generates monochromatic and tunable THz, waves using a nanosecond pulsed laser source. We also show that Cherenkov radiation with waveguide structure is an effective strategy for achieving extremely wide tunable THz-wave source. We fabricated MgO-doped lithium niobate slab waveguide and demonstrated difference frequency generation of THz-wave generation with Cherenkov phase matching. Extremely frequency-widened THz-wave generation, from 0.1 to 7 THz was observed.     

Plasma wave field effect transistor as a resonant detector for 1 terahertz imaging applications

The possibility of using plasma wave field effect transistor in a time domain terahertz (THz) spectroscopy setup is presented. We demonstrate that High Electron Mobility Transistors (HEMTs) is an efficient device for detection of pulsed terahertz electric fields generated with a femtosecond laser oscillator. The response was observed in the frequency range of about 1 THz, far above the cutoff frequency of the transistors at room temperature. We show that the physical mechanism of the detection is related to the plasma waves excited in the transistor channel and that significant improvement of the active device can be achieved by increasing the drain current. The two-dimensional terahertz imaging applications clearly demonstrate that plasma wave nanometer HEMT should be employed as efficient future detectors in a matrix configuration.     

Broadband terahertz spectroscopy

An overview of the major techniques to generate and detect THz radiation so far,especially the major approaches to generate and detect coherent ultra-short THz pulses using ultra-short pulsed laser,has been presented.And also,this paper,in particularly,focuses on broadband THz spectroscopy and addresses on a number of issues relevant to generation and detection of broadband pulsed THz radiation as well as broadband time-domain THz spectroscopy (THz-TDS) with the help of ultra-short pulsed laser.The time-dom...     

Terahertz surface-wave resonant sensor with a metal hole array

A surface-wave sensor based on the resonant transmission characteristics of metal hole arrays is demonstrated in the terahertz (THz) region. Since the frequency of the transmission peak of a metal hole array, which corresponds to the resonant frequency of the surface waves, is particularly sensitive to the refractive index in the vicinity of the metal surface, a very small change in the substances attached to the surface can be detected by monitoring the transmission spectrum. By attaching a layer of substance (thickness t < 5 microm) much thinner than the wavelength of the THz wave (lambda(THz) = 1 mm at 0.3 THz) to the surface of a metal hole array, we demonstrated that the existence of such a small amount of substance can be detected more easily than without the metal hole array. This demonstration of THz sensing with metal hole arrays indicates the possibility of realizing THz surface-wave sensors for biochemical molecules in the THz region.     

基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

太赫兹生物医学是目前光谱研究领域的热点,其主要难点在于如何有效避免水分的干扰,进行液相环境下样本的灵敏分析与检测。超材料太赫兹传感器由于具有高灵敏、快速检测、痕量分析等优势,而成为太赫兹生物医学传感领域的重要研究方法。设计加工了一种基于单开口谐振环超材料的太赫兹液相传感芯片,为了有效克服水对太赫兹波的强烈吸收,利用微纳加工技术刻蚀深度为50 μm的流体通道。传感芯片整合了超材料基底与PDMS流道,在THz频段有两个位于0.771和2.129 THz的谐振峰。以水、无水乙醇作为常见化学溶剂进行传感实验,相对于空白传感器本身的THz时域谱而言,液体的加入导致时域峰的相位延迟和幅度减小。同时,由于水的折射率大于乙醇,THz透射频谱结果显示为水的频移改变量大于乙醇,且峰2大于等于峰1。上述结果表明,构建的超材料液相传感芯片是一个灵敏的折射率传感器,也证明了该传感器在测量液态样品方面的可行性。此外,利用该芯片研究了不同浓度的PBS溶液,发现水溶液中加入离子会导致谐振频率红移（以水为参考）,随着离子浓度增加,谐振频率改变量依次增加,10X PBS红移量最大,峰1为22.9 GHz,峰2为30.5 GHz。比较两个谐振峰的传感性能,峰2的传感能力更好,但是峰1对低浓度的离子溶液更加敏感。因此,构建的微流体传感器及检测体系作为一个灵敏的折射率传感器,可开发一个灵敏的无标记THz传感平台,为太赫兹生物医学研究提供新思路。     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐振环阵列设计实现了具有连续介质层、非连续介质层和微腔结构的3款太赫兹超材料吸波器,并对其传感特性与传感机理进行了深入研究.结果表明,为了提高太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度、最大探测范围等传感特性,除了可以选用相对介电常数较小的材料作为中间介质层外,还可以改变中间介质层的形态,进而减小中间介质层对谐振场的束缚,增强谐振场与被测分析物之间的耦合.与传统的具有连续介质层的太赫兹超材料吸波器相比,具有非连续介质层和微腔结构的超材料吸波器具有更优越的传感特性,可应用于对待测分析物的高灵敏度、快速检测,在未来的传感领域具有更加广阔的应用前景.     

基于LT-GaAs外延片的THz片上系统

太赫兹（THz）波在物质检测方面发挥着巨大的作用,是一种非常有潜力的生化传感工具。但是传统的太赫兹时域光谱系统（TDS）结构复杂,系统的集成度低,占用空间较大。所以,如何对THz波进行有效引导、实现集成化传输并得到高质量光谱就成为太赫兹光谱系统的研究热点。太赫兹片上系统是将THz的产生、传输以及探测都集成到同一芯片上,然后通过相干探测的方法获得THz时域光谱。它可以实现对多种样品的检测,尤其在对难于取样的微量样品探测方面具有广泛的应用价值。它无需光路准直,操作简便,成品率高。两个研究工作都是基于低温砷化镓(LT-GaAs)外延片开展的。首先将一根直径为200 μm的铜线固定在LT-GaAs外延片的上方,通过真空蒸镀的方法制备出天线电极,同时得到天线间隙,研制出基于LT-GaAs外延片的THz天线。利用波长为800 nm的飞秒激光对其进行测试,得到了质量较高的THz信号,验证了天线的实用性。然后在另一外延片上利用光刻微加工工艺制作出传输线和微电极,得到了集成的THz片上系统。使用波长为1 550 nm的飞秒激光分别激发片上系统的太赫兹产生天线和探测天线,天线产生的太赫兹波在传输线上传播,在探测端同样得到了质量较高的THz时域信号,证实了THz片上系统的可行性。该方法省去了腐蚀牺牲层以及LT-GaAs薄膜的转移、键合等步骤,极大地提高了片上系统的成品率,避免了薄膜转移过程中易破碎及腐蚀液存在毒性的问题。最后,研究了外加电压对从片上系统中获得的THz波性能的影响,结果为电压越高,THz波的信号强度越强;另外,通过在传输线上方垂直放置铜箔的方法验证了THz波沿着传输线传播的事实。该研究中采用的基于LT-GaAs外延片的片上系统的制备方法简单,制作周期短,制作过程安全,应用领域广泛,这为将来与微流控芯片相结合实现对液体样品的探测打下了基础。