用于太赫兹科学技术的材料

1、用于太赫兹科学技术的材料Bradley Ferguson and Xi-cheng Zhang太赫兹光谱系统用电磁谱中原本难以实现的部分，即远红外辐射来提取分子的光 谱信息。对材料的研究已经成为现代太赫兹系统的重要组成部分：新型的，高能量的太赫兹源在很大程度上依赖于像量子级联结构的新型材料。同时，太赫兹光谱和成像又为表征众多材料，包括半导体和生物分子的特性提供了一种很有效的 工具。最近几年，由于高功率源和更为灵敏的探测器为太赫兹系统开辟了更多潜在的用 途，利用太赫兹系统进行材料诊断领域已经有了众多非常重要的进展。包括半导体和高温超导体的特性研究，层析成像，无标定遗传分析，细胞层面上的成像和 化

2、学、生物传感等应用使得太赫兹研究从默默无闻发展到引人注目。电磁波谱的太赫兹（THz）波段被认为是最难捕捉的一段谱线。太赫兹辐射泛泛 的定义为频率在0.1THz（每秒次）和10THZ之间的频率范围。频率处于红外光波和微波之间（图1），致使在邻近波带已经娴熟应用的技术对于太赫兹波段 却无法使用。高的大气吸收损耗使早期对太赫兹的兴趣和资金投入受到了限制。 历史上，太赫兹光谱学主要被化学家和天文学家用于研究简单分子的旋转和振动 共振以及热发射谱线的研究。在最近20年，由于先进材料的发展为其提供新的高功率的源，太赫兹系统已经 发生了革命性的变化，而且其在高等物理研究领域以及其商业领域的潜力已经被 证实。

3、太赫兹技术已经吸引了众多领域的关注，比如半导体领域，医学领域，力卩 工领域和太空防卫领域。最近的几项重大技术进步极大的扩宽了太赫兹系统的潜 力和应用范围。这些进展包括量子级联激光器的开发， 太赫兹用于飞摩尔量级浓 度的DNA中单碱基对不同之处的检测的验证，以及把太赫兹光谱用于多粒子电 荷反应变化的研究。本文概述了以上和其他一些非常重要的新进展。MicrwavesMF.HEVHR JHF.SHREHFZVisibleX-rayy圈TTT/ iITT10°1(Pkp苗1呷i(p皿kilomegateraexazettayottaExampleRadioRadar?OpticalMedic

4、al Asinophysicsindustrws： communicatofiscommunicationfiimaging ；T：riTI'Z riuturiFrequency (Hz)图1电磁波谱太赫兹光谱系统太赫兹光谱系统能够检测材料的远红外光学性质随频率的变化。获得材料的远红外光学性质能使得我们洞察诸多引用中的材料特性。 现在有很多不同的方法来实 现THz光谱测量。傅里叶变换光谱学(FTS可能是研究分子共振最普遍的技术， 其优点是带宽很宽，因此可以从太赫兹频率直到红外范围表征材料特性。在傅里 叶变换光谱系统中，样本被宽频热源照射，比如弧光灯或者碳化硅棒。样品放在 一个光学干涉系

5、统中，并且其中的一个干涉臂光程变化来用于扫描。 一个直接的 探测器比如液氦冷却的辐射热计用于检测干涉信号。对信号做傅里叶变换就产出 了样本的功率谱密度。傅里叶变换光谱学的一个缺点就是其有限的频谱分辨率。 可用一个可调太赫兹源或者探测器的窄带系统获得具有更高分辨率的光谱测量。在这些系统中，光源或者探测器在期望的频带范围内调节， 并且直接测量样本的 频谱响应。不管是傅里叶变换光谱学还是窄带光谱学都被广泛应用在无源系统中 以此来检测分子的热发射谱线，尤其是在天文学中的应用。第三种近期出现的方法叫做太赫兹时域光谱技术(THz-TD$。太赫兹时域光谱技 术采用宽带太赫兹辐射短脉冲，一般这种脉冲都是由超快

6、激光脉冲产生。 这种技 术最先产生于上世纪八十年代的 AT&T贝尔实验室和IBM的T.J Watson研究中心 虽然太赫兹时域光谱系统的分辨率跟窄带系统相比较粗糙，并且它的光谱范围也 比傅里叶变换光谱系统要小很多，但是它却具有很多的其他优点，并且最近这些 优点已经引起了一些重要的应用。 透过的太赫兹电场被相干测量，由此可以同时 提供高灵敏度和时间分辨的相位信息，而且还可以通过一个成像系统来获得丰富的光谱图像信息。图2显示了一个太赫兹时域光谱系统。一般的太赫兹时域光谱系统的频率带宽在2THz到5THz，光谱分辨率为50GH乙信号采集时间一般在一分钟以内，电场的 动态范围一般是1 105。

7、采用信号处理算法可以提高测量信号的信噪比近 30%图2太赫兹时域光谱系统结构图太赫兹源限制现代太赫兹系统发展的最主要的一个原因就是缺少一个高功率、低成本、轻便并且可以工作在室温条件下的太赫兹源。 然而，现在已经有许多具有相对优势 的潜在太赫兹源，并且高速电子学、激光和材料研究领域的进展也继续在提供新 的源。源可以粗略分为几种：不相干的热辐射源、宽带脉冲（T射线）技术和窄 带的连续波。宽频太赫兹源大部分的宽带脉冲太赫兹源都是基于超短激光脉冲激发不同的材料。一些不同的方法已经用来产生太赫兹辐射，包括光电导天线中光生载流子的加速运动，电光晶体中的二阶非线性效应，等离子体震荡和电子学的非线性传输线。

8、通常，以上 几种源的转换效率都比较低，所以太赫兹光束的平均功率一般都是纳瓦到微瓦量 级的，相比较而言，飞秒光源的功率一般都在1W左右。产生宽带太赫兹光束的最常用方法有光电导和光整流两种。光电导的方法就是用高速的光电导体作为辐射天线的瞬变电流源。 典型的光电导有高电阻率的 GaAs， InP和辐射损伤的硅片，金属电极用来使光电导之间的空隙产生偏压并且形成天 线。 在光电导天线之间产生太赫兹光束的物理机制是由于超快激光脉冲 （光子能量要 比材料的能带大，即hv> Eg）照射在光电导上使其产生电子一空穴对，由此产 生的自由载流子在偏置的静电场中被加速形成瞬间的光电流， 这些快速并且随时 间变化

9、的电流就会向外辐射出电磁波。 产生的太赫兹辐射强度和带宽受到一些材 料参数的影响。当光电流上升和衰减时间比较快时，太赫兹辐射效率较高，所以像 InAs 和 InP 这种具有较小的有效电子质量的半导体就备受大家瞩目。 最大的漂移速度也是一 个非常重要的材料参数， 但是这个参数一般受到像 GaAs 这样的直接半导体的带 内散射率或者是谷间散射的限制。 因为辐射能量主要来源于以静态偏置电场形式 存储的表面能量， 所以辐射能量正比于偏压和光通量。 材料的击穿电场是另外一 个非常重要的参数， 因为它决定了所加的最大偏置电压。 光电导发射器产生的太 赫兹的功率提可达40讪，并且带宽能够到4THz。 光整流

10、是产生太赫兹脉冲的另外一种途径，它是基于光电效应的逆过程。同样， 飞秒激光脉冲也是必需的， 但是与在光电导方法中作为一个触发器相反， 光整流 中太赫兹辐射能量直接来源于激发激光脉冲。 光整流的转换效率主要取决于材料 的非线性系数和相位匹配条件。 这项技术最先被证明可以产生远红外辐射用的是 LiNb 晶体。很多的研究已经 开始专注于通过研究不同材料的电光性能，以此来获取产生太赫兹的最佳条件， 这些材料既包括像GaAs和ZnTe这样的传统材料，也包括像离子盐4三氟化二乙氨基硫（DAST）这样的有机晶体。由于光整流是在相对较低的效率下把入射 光功率耦合到太赫兹频率中， 所以它的输出功率往往比光电导天

11、线要低， 但是它 却具有高达50THz带宽的优点。在GaSe晶体中的相位匹配光整流能够产生具有 可调中心波长的超宽带太赫兹脉冲。 通过绕垂直于泵浦光的横轴方向倾斜晶体以 此来改变相位匹配条件，就可以产生频率调谐到为 41THz 的太赫兹光。 窄带太赫兹源窄带太赫兹源对于高分辨率的光谱学应用至关重要， 同时，在通讯领域也具有极 其广泛的应用前景， 尤其是在极宽带宽的卫星间信号连接方面。 正因如此， 在过 去的一个世纪里对于窄带太赫兹源的研究极为关注。 包括电子射频源的上频率转 换，光学源的下变频转换，激光和反向波电子管等众多技术正在快速发展当中。 这个领域有一些非常全面的综述。产生低功率（100

12、 uW）的连续波太赫兹辐射的最常用技术是通过将像压控振荡 器和电介质谐振器振荡器这种低频微波振荡器进行频率上转换。 频率上转换通常 是通过平面GaAs肖特基二极管倍增器链来实现的。用这些方法已经产生的频率为2.7THZ。仍有研究继续通过使用交替半导体结构和优化加工工艺的办法来将 耿氏和IMPATT二极管的频率增高至太赫兹谱的低频范围。 气体激光器是另一种 比较常见的太赫兹源， 它是用一个二氧化碳激光器泵浦低压气体腔， 以此在气体 分子的发射线频率附近产生激光。 这种源并不是连续可调的， 通常需要一个大的 谐振腔和千瓦级的泵浦功率，然而它却能提供 30mW勺输出功率。甲醇和氰化氢 气体激光器是最

13、为常见的，一般都用于光谱成像和外差接收器。最近，用具有能量补偿线性加速器的自由电子激光器来产生极高功率的太赫兹辐 射的方法已被证实可行。 自由电子激光器是用一束在真空中通过一空域变化的强 磁场传播的高速电子束来实现的。 这个磁场引起电子束的振荡并辐射出光子， 用 反光镜来限制这些光子在电子束的附近， 因为电子束是激光器的增益介质。 这种 系统的价格之高，尺寸之大，令人望而却步，并且需要一套专属的装置。然而它 却可以产生连续和脉冲这两种波， 并且能够产生的平均亮度比通常光电导天线发 射器高六个量级。 自由电子激光器在某些需要高的信噪比或者是非线性太赫兹光 谱的应用中具有非常大的潜力。 同一技术方

14、案的台面级装置， 称为后向波管或返 波管，也能在太赫兹波段产生毫瓦级的输出功率，并且已经有商业化的产品。 一些光学技术也被用于产生窄带太赫兹辐射，最早的努力开始于上个世纪 70年 代，当时是把两个激光源进行非线性混频，但是却一直得不到较高的转换效率。 这个技术是把中心频率稍微不同的两束连续激光在一个像 DAST 这样具有高二 阶非线性晶体材料中进行合束。 这两束激光在材料中相互干涉， 以此产生两个频 率的合频和差频输出。 可以设计系统使得差频在太赫兹频率范围内。 实验已经证 实可以通过在低温生长的GaAs晶体中将两束频率有偏差的激光进行混频或者是 将一个多模激光器的两个频率模式进行混频来产生可

15、调的连续波太赫兹辐射。 更进一层的技术是采用光学参量生成器和振荡器，其中由Q开关Nd : YAG （掺钕的钇铝石榴石）作为泵浦在非线性晶体中产生另外一束闲频光，并且由泵浦光和 闲频光拍频来产生太赫兹辐射。光学技术提供了较宽范围内的可调太赫兹辐射， 并且由于有固体激光源而结构相对简洁。 输出功率可以超过100毫瓦。光学下频 率转换是一个材料研究丰富的领域，因为分子束外延和其他材料的进展使得生长 具有改进混频特性的工程材料成为可能。半导体激光器在产生窄带太赫兹方面是非常具有潜力的另一技术。这种方法产生于20年前，在低掺杂的p型锗中通过交叉的电磁场使得空穴数量反转。这种激 光器通过调整磁场或者外部压

16、力来实现调节。实验证实可以给晶体提供一个强大 的单轴压力来诱发空穴数反转，以此可以在锗中产生THz激光。这种激光器具有很多内在的限制，包括低效率，低输出功率，为了保持激光工作状态还需要低 温冷却。最近，半导体沉积技术已经发展到一个新高度， 使得构造基于多量子阱 半导体的结构用于THz激光发射成为了可能。量子级联激光器是在1994年首次 报道，它是基于用分子束外延生成的一系列耦合的量子阱。量子级联激光器由耦 合量子阱（夹在AlGaAs的电势屏障里的纳米厚的 GaAs层）组成。量子级联由 一些重复单元组成，每一个单元包括一个注入器和一个激活区组成。在激活区存 在着粒子数反转，所以电子跃迁到低能级上

17、，并辐射出特定波长的光子。这些电 子在量子阱和注入区间隧穿被耦合到下个重复单元的活跃区中的高能级上。图3量子级联激光器的简化能带结构量子级联激光器在早期只能产生红外光谱， 直到最近的很长一段时间内一些关键 难题的存在使它不能产生太赫兹波。 这要的困难就是太赫兹波长比较长， 这点会 导致一个大的光学模式， 这个光学模式又会导致小增益介质和光场之间的耦合效 率较低，并由于材料中的自由电子而使得光损失很大 （损失与波长的平方成正比） 最近科勒等人在他们工作在 4.4THz 的量子级联激光器的创新设计中解决了上述 以及其他一些难题。 这个激光器包括 104个基本重复单元 （如图 3所示）和总共 超过

18、700 多个量子阱。这个系统能够在 10K 温度下以脉冲方式工作，然而，优 化的加工有望使系统能够在液氮温度（大约 70K ）下进行连续波工作。 太赫兹探测器 太赫兹频率信号的探测是另外一个非常重要的研究领域。 太赫兹源的低输出功率 加上在这个光谱范围内的相对较高的热背景辐射要求找到高灵敏的探测方法。 对 于宽带探测， 最常用的就是基于热吸收的直接探测器。 这种探测器大部分需要冷 却来降低热背景辐射， 最常见的系统是液氦冷却的硅， 锗和锑化铟辐射热测量仪。 热电红外探测器也可以用于太赫兹频率的检测。 超导体研究已经能够制作非常灵 敏的辐射热探测器，它用基于像铌这样的超导体的状态变化。运用直接探

19、测器， 干涉测量技术可以用于提取光谱信息。 一个针对于太赫兹光子的单光子探测器最 近也已问世，这种探测器采用一个由在高磁场中的量子点构成的单电子晶体管来 获得前所未有的灵敏度。尽管探测速度现在限制在1ms,但是高速探测的方案已 经被提出， 并且这可能对太赫兹探测方面产生彻底的改革。 在需要非常高光谱分 辨率的传感器的应用中外差传感器就备受青睐。 这些系统中， 在感兴趣的太赫兹 频率处的一个本地振荡器源和接受信号混合， 下移的信号被放大并被测量。 在室 温条件下， 可以使用半导体结构。 一个平面肖基特二极管混频器已经成功的用于 2.5THz 处的空间传感。低温冷却被用于提高外差超导体探测器的灵敏

20、度。有些 超导结构已经用了 20 多年了，最广泛应用的是超导 -绝缘体-超导体隧道结混频 器。像YBCO （钇钡铜氧化物）这样的高温超导体由于其具有更高带宽的潜力也 已被重视。 有一些关于窄带太赫兹接收器的综述。 像电子共振探测器这样的窄带 探测器也已经能做到高达 600GHz 了，这种探测器是基于在场效应晶体管中的等 离子体波的基频。 太赫兹时域光谱系统中的脉冲太赫兹的探测需要相干探测器。 最常用的两种方法 分别是基于光电导取样和自由空间电光取样， 这两种方法都是以超快激光为前提的。从基本原理讲，电光效应是一个低频电场（太赫兹脉冲）和一个激光束（光 脉冲）在用于传感的晶体中进行耦合。简单的张

21、量分析说明，用110方向的闪锌矿晶体作为传感器可以获得最高的灵敏度。太赫兹电场调制了晶体传感器的双 折射，反过来又调制了通过晶体的探测光束的椭圆偏振度，通过对光束的椭圆偏 振度调制的分析就可以获得所加电场的振幅和相位信息。非常短的激光脉冲（15fs）和薄的晶体传感器（30阿）可以使电光探测用于 中红外范围的信号。图4a显示的就是一个典型的中红外脉冲太赫兹波形，对其 进行傅里叶变换得到图4b图形，最高的频率响应已经超过了 30THZ。在5.3THZ 处有个共振吸收峰是由于ZnTe晶体的声子模式引起的。当用很薄的传感器时， 探测到的带宽可高达100THZ。D24 2 O £ 4N=一au

22、tLQH且S口A一一一 一三一二 一一一 二二 * =二二O%V30 ID 203040 5D 60TH;图4中红外宽带太赫兹脉冲的波形及其频谱光电导天线被广泛应用在脉冲太赫兹的探测。 使用的结构跟光电导天线发射器是 一样的。不是在天线的两电极间提供一个偏压， 而是用一个电流放大器和一个电 表来测量这个顺变电流。用光电导天线探测器可以进行超过60THZ的超高带宽检测。太赫兹应用发展太赫兹源和光谱系统最初的一个动机就是它具有其他频段不能实现的提取 材料特性的潜力。天文学和太空研究是太赫兹研究的最强推动者之一，因为该波段有着在恒星尘埃云、彗星和行星中存在的大量诸如氧、水和一氧化碳分子的丰 富信息。

23、近年来，太赫兹光谱系统不仅应用在大量材料特性的基本研究，还用于验证这些材料在传感和诊断方面的潜在应用。我们评述一下最近实验验证的一些 应用。材料特性表征太赫兹光谱系统最主要的一个应用就是材料特性的表征， 尤其是重量轻的分子和 半导体。太赫兹光谱系统已用于确定诸如 GaAs 和硅片这样的掺杂半导体的载流 子浓度和迁移率。 可使用 Drude 模型来联系依赖于频率的介电相应和材料的自由 载流子动态特性， 这些特性主要包括等离子体角频率和衰减率。 一个非常重要的 研究焦点就是对薄膜介电常数的测量。高温超导体特性表征是太赫兹光谱的另外一个重要应用。 已经分析了几种超导体 薄膜，确定包括磁穿透深度和超导

24、体的能带这样的材料参数。 最近，太赫兹时域 光谱系统被用于研究一种新发现的超导体 MgB 2。这种材料具有 39K 这样很高的 相变温度， 其特性尚未完全理解。 太赫兹时域光谱系统确定了它的超导带隙能量 阈值大约是5meW,这仅仅相当于现有理论预测值的一半，因此指出复杂的材料 互作用的存在。用光泵 -太赫兹探测系统所做的一些实验可以提取材料的一些附加信息。在这些 实验中，用超快光脉冲对材料激发， 并用太赫兹脉冲对激发材料的动态远红外光 学特性进行探测。Leitenstofer等人用一个光泵-太赫兹探测系统确定了使用超短光脉冲在GaAs中激发的电子-空穴等离子体中电荷-电荷相互作用的时间演化。

25、这项研究增加了量子动力学关于电荷集结和剥离的准离子的理论预测的实验证 据。太赫兹影像和成像脉冲太赫兹波成像，或者叫T射线成像，最早在1995年由Hu和Nuss证实可行，从此就被广泛应用于多种目标的成像， 包括半导体， 癌组织和火焰。 太赫兹成像 的引人之处在于它的相位敏感的光谱成像， 这样就可以进行材料鉴别或者是功能 成像。El3Refractiveimn图5两个塑料圆柱在T射线计算机层析中的像太赫兹系统是对像纸、塑料和陶瓷这样的干燥电介质的理想成像技术， 这些材料 相对而言在太赫兹波段不存在吸收，然而不同材料却可以根据太赫兹相位信息中 提取的折射率加以区分。很多这种材料在光频段是不透明的，并

26、且对于X射线对 比度又非常的低。太赫兹成像可能在安检和制造业的质量控制方面找到合适的应用。对于这点的一个非常重要的目标就是三维（3D）层析T射线成像系统。图5 显示的就是一两个折射率不同的塑料圆柱的重构的断面和 3D渲染成像。这个系 统和X射线计算机断层扫描的原理是一样的， 但是通过宽带、相敏太赫兹探测可 以获得关于材料依赖于频率的光学特性的丰富的信息。用太赫兹成像来研究细胞结构的兴趣也高涨起来。 当前情况下根本的限制就是现有系统的分辨率。瑞利判据将成像系统的远场分辨率限制于波长量级（1THz处为0.3mm o出于这个原因，研究人员就希望通过在近场成像来提高空间分辨率。类似于近场光学显微镜，运

27、用近场技术已经获得了当中心波长为 600m时7叩 的分辨率。另外一种提高分辨率的方法就是用更高频率的太赫兹脉冲。 图6就是 一个洋葱细胞薄膜所成的太赫兹像。通过用持续到中红外的非常宽的太赫兹脉冲 可以获得大约50 m的分辨率，图像中的对比度主要是由细胞内和细胞间含水量的不同引起的I.Smni图6对一个洋葱细胞薄膜所成的太赫兹像生物材料太赫兹的应用太赫兹系统在生物医学方面有非常广泛的应用，比较活跃的研究领域涵盖了癌细 胞检测到遗传分析。许多蛋白质和 DNA分子的集体振动模式预测在THz波段， 这一点极大促进了太赫兹光谱在生物医学方面的应用。太赫兹光谱也被预测具有 推断生物分子构象状态信息的潜力。

28、测定了含有 DNA和其他生物分子的压制小 片的复折射率，其吸收与存在有大密度的在红外波段活跃的低频模式一致。DNA分析器被用于确定多种遗传学应用的核苷酸碱基序列。基因芯片的制作是一 个日益流行的技术，它将未知的 DNA分子用一段基序列已知的荧光标记的核苷 酸相结合。荧光标记会影响诊断精度并增加成本和基因芯片的制作时间。因此， 几种无标记的方法正在研究中。太赫兹成像在这点上有前景。由于与折射率相关 的变化，太赫兹光谱能够分辨单链和双链 DNA。最近，同一组研究人员还证实了 太赫兹传感系统用于单碱基对DNA突变的检测具有飞摩尔的灵敏度。具有能够相一致的突变的能力。-1.D0102Q>3050 GO匸好面dimp Ips）5 0 5 4.0$ 宣3上弋易hdHl图7生物素-抗生物素蛋白的T射线生物传感器太赫兹系统更进一步的生物医学应用就是 T射线生物传感器。一个简单的生物传 感器就是用来检测与维生素 H （生物素）结合的抗生物糖蛋白，把一个生物素薄 膜沉积在一个固体基片上（图7a）,然后把一半的生物传感器载玻片曝光在大 气环境中或者是研究的溶液里。抗生物素蛋白对生物素具有很强的亲和力，并且会和任何含有生物素的分