使用激光技术获得太赫兹电磁波

Jan.2008 www.omeinfo.com.cn 生太赫兹电磁波的方法。 1 太赫兹电磁波的光谱特性 太赫兹电磁波涵盖的频率范围为 300GHz～ 10THz(相当于波长 1mm~30μm),处于远红外与 微波的波段之间。在这个光谱范围内,电磁辐射被 分子的转动和振动跃迁强烈吸收。通过分析吸收曲 线发现,小分子对高频的太赫兹电磁波吸收强烈而 高分子则对低频的太赫兹电磁波吸收强烈。 水是最主要的吸收体,其利弊视应用领域不同 而转换。例如,在潮湿的空气中太赫兹电磁波只能 够传播几米的距离;但另一方面,这种 “指纹”一 样的吸收特性却可以用于湿度的高精度测量。 太赫兹电磁波的第 2个特性是散射 。与 X射 使用激光技术获得太赫兹电磁波 太赫兹电磁波有很多潜在的应用领域,但是至 今还没有一种简便的产生太赫兹电磁波的方法。 TOPTICA Photonics公 司 的 Anselm Deninger和 ThomasRenner对使用分布反馈二极管激光器和飞秒 光纤激光器这两种产生太赫兹电磁波的方法进行了 分析和比较。 太赫兹波段的研究是电磁波谱研究中最后的前 沿课题。在过去的几年间,随着研究的深入,人们 已逐渐认识到太赫兹电磁波在医药、安全检察和材 料科学领域的新应用前景。由于太赫兹电磁波处于 高载波频率范围,所以它在高速无线通讯方面也有 很大的应用潜力。 不幸的是,要产生具有一定强度的、定向的太 赫兹电磁波十分困难,因为对于光学技术而言,太 赫兹电磁波的波长太长;而对电子设备而言,其波 长又太短。近期的研究工作表明,以可调谐二极管 激光器或飞秒激光器为基础的间接方法很可能成为 产生太赫兹电磁波的主流技术。表 1比较了几种产 ●张 岩 频率 功率 优 点 缺 点 量子级联激光器(直接方法) 1.5~10THz 10~100mW 高功率 低温工作、可调性差,不能产生低频段THz 气体激光器(直接方法) 1~100THz 10~100mW 在所选频率具有高功率 不可调,技术复杂 肖特基,耿氏二极管 ﹤100GHz nW 低频功率非常高 在相关范围内功率很低,一定限度内可调 (直接方法) (倍频﹤1.5THz) 连续波光混合器 0~5THz 50~1000nW 光谱分辨率高、覆盖 非直接方法,功率较低 (间接方法) 面广、可调性好 飞秒激光器(间接方法) 0.1~5THz 10~100μW 光谱和瞬时信息,宽带 非直接方法,分辨率低于连续波 表1 太赫兹电磁波的产生方法 LaserTechnology&Applications 激光技术与应用 17 光机电信息 Jan. 2008 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 线类似,太赫兹波可以穿过很多非晶态物质而不产 生任何电离影响。太赫兹电磁波对于衣服、纸张及 塑料等物质的穿透能力加之其光谱灵敏度,使太赫 兹电磁波在光谱和成像等方面具有广泛的应用。 2太赫兹电磁波的产生 没有任何一种简单的光学或电子学的方法可以 获得太赫兹电磁波。直接产生太赫兹电磁波的激光 器由于要解决在较高激光能级上的热布居问题,所 以通常需要在低温下工作。量子级联半导体激光器 和二氧化碳泵浦的气体激光器,可产生高频率范围 的离散的太赫兹电磁波,但仍然无法获得低频的太 赫兹电磁波,无法实现波长可调。 电子设备只能提供最高100 GHz高频的有效功 率输出,更高的频率只有通过倍频才能实现,但是 这样会造成大量的损耗。而且即使频率可以调谐, 其调节的范围也十分有限。 现在,在光谱分析方面具有重要意义的0.5~5THz 的太赫兹电磁波是使用激光技术通过间接方法获得 的。最常见的2种方法,一是依靠快速调制半导体 天线中的光电流;二是使用超短脉冲激光器照射光 电开关。这两种方法使用的都是可见或者近红外的 激光器:前者使用的是连续可调的二极管激光器, 后者使用的是飞秒光纤激光器。 3连续可调谐的太赫兹电磁波 连续可调谐的太赫兹电磁波可以通过 2台具有 相邻波长的激光器的差频混合来获得。电磁波叠加 在一个半导体天线的结构中,如砷化镓 (GaAs), 此结构作为一个太赫兹电磁波的辐射源。2种不同 频率的激光束在半导体中产生光电流,通过调整这 两束激光的频率差,就可以获得不同频率的太赫兹 电磁波。 这里所使用的激光器是分布反馈式 (DFB)二 极管半导体激光器。DFB半导体激光器把一种光栅 结构与半导体有源区集成在一起,在光栅的限制作 用下,半导体激光器的发射模式为单纵模发射。输 出波长的改变可以通过调节光栅间距的方式 (有热 和电2种调节方式)来实现,通过热调节的方式可 以获得超过1 000 GHz的调节输出范围。 波长处于 850~860 nm间的 DFB激光器特别适 用于产生可调谐的太赫兹电磁波。其主要优点是输 出功率高、可调谐频率范围宽以及发射波长低于 GaAs带隙。使用中心波长为 853~855 nm的激光器 可以获得0~2 THz调谐范围的电磁波;而使用855~ 860 nm的激光器可以获得频率范围为 0.6~2.9 THz 的电磁波。工业上使用的大部分气体、化学试剂和 炸药的吸收波段都为这些太赫兹电磁波段所覆盖。 图 1是产生太赫兹电磁波的 2种激光器系统的示 例。 这套先进的激光器系统采用了 2台光纤输出功 率约为75 mW的激光器。光混合器将其发出的激光 转换成功率为 50~1 000 nW的太赫兹电磁波,50 ~ 1 000 nW的功率对于通常的光谱应用已经足够。虽 然尚未达到实用,但这套系统已成功地证明了 太赫兹电磁波可以被用于成像。 如果实验需要更高的功率 (前提是光混合器也 具有足够的损伤阈值),图 1的系统可以改变成主 振荡功率放大器系统。这样,2台 DFB半导体激光 器同时被耦合进同一台半导体放大器中,该放大器 可以输出功率为 500~1 000 mW的近衍射极限的光 束。与此同时,DFB半导体激光器的调谐范围和光 谱性质保持不变。 某些精确检测和定量测量有害气体的测量技术 需要频率精确控制的太赫兹电磁波。对激光器而言, 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 Laser Technology&Applications 激光技术与应用 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 图 1 产生太赫兹电磁波的 2种激光器系统 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 Control electronics Computer control 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 30 dBisolator T>90% 图1 产生太赫兹电磁波的 2种激光器系统 Fibre coupler 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 Output 2 (toTHzdetector) 图 1 产生太赫兹电磁波的 2种激光器系统 PMfibre combiner 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 Output 1 (toTHzdetector)图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 Diode 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 DFBlaser #2 P>100 mW DFBlaser #1 P>100 mW 图1 产生太赫兹电磁波的2种激光器系统 Prismpair 18 Jan.2008 www.omeinfo.com.cn 图2 可见光和太赫兹电磁波成像的对比图 要求其发射的波长精确稳定。TOPTICA公司开发了 一种基于正交干涉仪的锁模技术,此技术可以通过 计算机控制,获得频率误差在1MHz的频率高度精 确的太赫兹电磁波。 4 超快的宽带太赫兹电磁波 太赫兹脉冲电磁波可以通过使用飞秒激光器和 半导体天线组成的辐射源来获得。入射的飞秒脉冲 产生自由电荷载流子,这些载流子可在内部或外部 电场的作用下加速,电流的通断诱发了一种暂时性 的、具有宽泛频谱范围的电磁场。这样,在近红外 光谱范围内对应于谱线范围为 4~5THz、脉冲宽度 为100fs的太赫兹电磁波脉冲就产生了。 最早研制成功的太赫兹辐射源使用的是 GaAs 天线,它在800nm附近受到激发。当然也有许多其 它方法,如使用波长约为1550nm的通信用波段。 太赫兹辐射源的方案之一是使用小型化、价格 合理且可靠性强的超快光纤激光器。掺铒玻璃光纤 飞秒激光器可以输出波长约 1550nm、脉冲宽度小 于 100fs、平均功率高于 250mW的激光束。将其 发出的光倍频正好处于 GaAs天线的吸收波段。在 775nm处,现在的飞秒光纤激光器可以实现脉冲宽 度为 150fs和平均功率超过 100mW的激光输出, 正好可以用于现有的GaAs天线。 研究人员在一项实验中发现,使用TOPTICA公 司的光纤激光器产生的太赫兹电磁波的信噪比可以 与使用钛-蓝宝石激光器获得的太赫兹电磁波的信 噪比相比拟。而使用其它同样的实验装置,光纤激 光器产生的太赫兹电磁波的信噪比增加了2倍。 5太赫兹电磁波的实际应用 脉冲太赫兹电磁波和连续太赫兹电磁波各有适 合于自身特点的应用领域。超快太赫兹电磁波可以 应用于时域光谱。脉冲太赫兹电磁波可在短时间内 提供宽带光谱数据,也可在超短的时间内测量出样 品的深度。 连续太赫兹电磁波可提供更高的光功率,因此 具有更好的频率分辨率。这种方法是利用频域谱测 量窄光谱特性的主要方法,其所需的激光器也比目 前现有的飞秒光源经济。 前文所述的太赫兹电磁波间接生成技术为新的 应用铺平了道路。太赫兹电磁波最有前途的应用领 域是传感和通信领域。由于太赫兹电磁波能够穿过 非透明物质并且具有良好的光谱灵敏度,因此非常 适用于各种安全系统。在安全系统中太赫兹电磁波 主要用于探测隐藏于衣服或信封内的有毒或爆炸性 物质。太赫兹电磁波的另一个相关应用领域是医学 影像,在癌症的探测方面有很好的应用前景。不幸 的是,人体组织中水分的高含量使太赫兹电磁波的 穿透深度只有十几毫米,因此当前的研究重点只能 放在皮肤检查和伤口愈合等人体表面的研究方面。 太赫兹电磁波在工业上也有自己的用武之地, 尤其是在质量检测和控制方面。在制药、半导体检 测和汽车生产等行业中都可以利用太赫兹电磁波来 探测材料的缺陷,如检测隐藏在合成衬底背面或清 漆薄层中其它检测方法无法探测到的材料缺陷。 最后,通讯领域是太赫兹电磁波一个重要的潜 在市场。通讯产业目前的研究重点是 40Gbit/s的数 LaserTechnology&Applications 激光技术与应用 图2 可见光和太赫兹电磁波成像的对比图 Visibleimage THzimage Clothedgex y 19 光机电信息 Jan. 2008 Laser Technology&Applications 激光技术与应用 据传输速率,显然,更快的传输速率需要更高的载 波频率。100 GHz的频率预计在 10年之内就会实 现,但问题是始终没有找到合适的材料作为传输线 路。在自由空间的通信频道 (卫星通信、高清晰视 频的热点无线下载)方面则不存在这样的问题,对 更高频率的技术要求非常明确。 6 结 论 太赫兹电磁波光谱和通信是非常有吸引力的尖 端技术,但直至今天,其技术可行性还远未达到人 们的期望值,尤其是成本可以接受的高功率太赫兹 电磁波辐射源还有待发展。DFB二极管激光器和飞 秒光纤激光器的混频技术很有希望获得成功,目前 在实验室和一些初始的工业装置中这两种技术已经 有所应用。 (No.4) 首尔半导体发表全球最薄高亮度LED 厚度仅有0.17mm 首尔半导体近日发布了全球最薄的LED,厚度仅为0.17mm,能够产生现有LED2倍 的亮度。首尔半导体现已申请此项技术的专利。 首尔半导体新LED芯片WH108,宽度为1.6mm,长度为0.8mm,高度为0.17mm,在 厚度上有明显降低。WH108较目前产 业现有LED的0.2mm厚度还要薄15%,芯片的发光 亮度也达到240mcd,为目前5mALED亮度的2倍。 WH108的超薄封装与高亮度的表现,使手机键盘模块和触控键可以更加轻薄。此外, WH108也能够在相同亮度下达到更省电的效果,有助于延长便携式产品如手机、数码相机 电池的续航力。 WH108也强化散热的特性,可以有效地应用在更吃力的环境,如冰箱内部的照明灯、 阅读灯,车用用途以及特殊用途的照明,如内视镜的灯光与车用仪表板的光源。 WH108的样品有白光、蓝光与绿光,被韩国及全球的手机厂商广泛应用。预计2008年 第1季首尔半导体的WH108的量产规模将会超过每月1000万颗。 20