太赫茲光譜區(qū)域介于微波和紅外線范圍之間，是電磁光譜中最有前途的區(qū)域之一。然而，該區(qū)域的電磁光譜在目前的研究和工業(yè)應(yīng)用方面，沒有得到充分利用。另一方面，太赫茲頻段的構(gòu)成沒有統(tǒng)一定義，但0.1THz-10THz（λ= 3mm-30mm）的頻率范圍是最廣泛引用的。由于其在電磁頻譜中的位置，太赫茲輻射具有獨(dú)特的穿透特性，使其對包括醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、安全、天文學(xué)、制藥、材料科學(xué)和物理學(xué)在內(nèi)的廣泛領(lǐng)域的光譜學(xué)和成像應(yīng)用極具吸引力。
太赫茲源
天文物體本身就是太赫茲源，太赫茲光譜和成像應(yīng)用需要太赫茲輻射源。太赫茲源可分為兩種主要類型：超短脈沖和連續(xù)波。超短脈沖太赫茲源是太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）的基礎(chǔ)，其中用飛秒激光器產(chǎn)生的太赫茲輻射超短脈沖探測材料。超短脈沖產(chǎn)生太赫茲頻率的寬帶寬，可在太赫茲時(shí)域光譜中實(shí)現(xiàn)快速采集時(shí)間，但低頻分辨率限制了其在光譜應(yīng)用中的實(shí)用性。對于需要高頻分辨率或單個(gè)明確定義頻率的太赫茲激發(fā)應(yīng)用，則需要連續(xù)波太赫茲源。
目前，商業(yè)上有多種連續(xù)波太赫茲源產(chǎn)品，包括差頻發(fā)生器、后向波振蕩器、微波倍頻器、量子級聯(lián)激光器和光泵分子激光器。后向波振蕩器和倍頻器是微波型振蕩器技術(shù)在太赫茲區(qū)域的延伸應(yīng)用，它們可以提供高功率但無法實(shí)現(xiàn)高于1THz的頻率。差頻發(fā)生器使用兩個(gè)頻率偏移的紅外激光器以激光器的差頻產(chǎn)生太赫茲輻射，從而產(chǎn)生高度可調(diào)的太赫茲源，但功率在微瓦范圍內(nèi)。
長期以來，量子級聯(lián)激光器一直有望作為太赫茲光源，但目前需要深低溫冷卻才能在太赫茲區(qū)域進(jìn)行連續(xù)波操作，部分原因是高溫下的散射。它們僅限于低毫瓦的功率，并且只能在1THz以上操作。
這些源中的每一個(gè)都是太赫茲應(yīng)用的理想選擇，但總的來說，它們要么功率低，要么頻率范圍有限。對于需要在太赫茲范圍內(nèi)以離散頻率提供高功率的應(yīng)用，光泵浦太赫茲分子激光器是理想的光源。
太赫茲分子激光器
1970年，Tao-Yuan Chang和Thomas J. Bridges在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次展示了光泵浦太赫茲分子激光器。此后，這種激光器經(jīng)過優(yōu)化和改進(jìn)可在廣泛的頻率范圍內(nèi)傳輸高功率、相干太赫茲輻射，是世界各地太赫茲研究實(shí)驗(yàn)室的必備。該激光器在科學(xué)界有多個(gè)名稱，最常見的是光泵浦遠(yuǎn)紅外激光器，也被稱為光泵浦太赫茲激光器、太赫茲氣體激光器和太赫茲分子激光器。
在光泵浦太赫茲分子激光器中，泵浦激光器用于將極性分子的蒸汽光激發(fā)到更高的能級，從那里它們隨著太赫茲輻射的發(fā)射而發(fā)散。泵浦激光器可以采用多種形式，最常見的布置是 CO2紅外激光器，其輸出耦合到太赫茲分子激光器中。耦合可以是外部的，例如在光學(xué)平臺(tái)上，泵浦激光器和太赫茲激光器是獨(dú)立的實(shí)體；耦合也可以是內(nèi)部的，泵浦激光器和太赫茲激光器包含在一個(gè)單元中。
激光器的主要部件和工作原理如圖2所示。原理圖基于愛丁堡儀器公司的FIRL-100，其中CO2泵浦和太赫茲分子激光器被集成到一個(gè)能夠輸出紅外輻射（9μm-11μm，或27 THz-33THz）和太赫茲輻射（40μm-1.22mm，或0.25THz-7 THz）的光學(xué)諧振器中。
第一階段：CO2 紅外泵浦激光器
該過程從CO2泵浦激光器開始，該激光器由衍射光柵和部分反射的ZnSe輸出耦合鏡之間形成的光學(xué)諧振器組成。硒化鋅（ZnSe）反射鏡安裝在壓電換能器上，以實(shí)現(xiàn)對諧振器長度的精細(xì)控制。增益部件是一個(gè)高壓氣體放電管，位于光柵和反射鏡之間。
為了實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，CO2 /N2 /He氣體混合物流過放電管，N2分子通過與放電產(chǎn)生的電子碰撞而被提升到振動(dòng)激發(fā)態(tài)。N2激發(fā)態(tài)的能量接近于CO2分子的0001振動(dòng)激發(fā)態(tài)，并且0001態(tài)的布居通過共振能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行。現(xiàn)在，在CO2的0001和較低的0200和1000振動(dòng)狀態(tài)之間存在種群倒置，促進(jìn)受激發(fā)射和激光在它們之間發(fā)生（圖 3）。
振動(dòng)躍遷分為兩個(gè)波段，分別是10μm和9μm。每個(gè)波段內(nèi)都有多種可能的振動(dòng)旋轉(zhuǎn)激光躍遷，具有各種發(fā)射波長。通過改變衍射光柵的角度（進(jìn)行粗調(diào)）和通過壓電鏡的光學(xué)諧振腔的長度（微調(diào)），可以使所需的過渡進(jìn)入共振——在9μm-11μm之間可選擇約80個(gè)激光過渡（27THz-33THz）。
第二階段：太赫茲分子激光
為了產(chǎn)生太赫茲輻射，泵浦激光器輸出的激光向下聚焦并耦合到密封的太赫茲諧振器中。該設(shè)置包括一個(gè)ZnSe輸入布魯斯特（Brewster）窗口，它在諧振器的一端形成真空密封，一個(gè)輸入耦合鏡和一個(gè)二向色輸出耦合器，可以在反射紅外泵浦光束的同時(shí)提取太赫茲發(fā)射。
抽真空后的諧振器充滿具有永久偶極矩的小分子的低壓蒸汽，這意味著分子內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)原子具有非常不同的負(fù)電性。CO2光泵浦激光將分子激發(fā)到振動(dòng)激發(fā)態(tài)（圖4），在振動(dòng)激發(fā)態(tài)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)J之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行受激輻射和激光發(fā)射。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)之間的躍遷比CO2激光器中涉及的振動(dòng)躍遷的能量低得多，落在0.2THz-8THz范圍內(nèi)。調(diào)整泵浦激光器的輸出頻率以激發(fā)分子所需的振動(dòng)旋轉(zhuǎn)躍遷，調(diào)整太赫茲諧振腔長度以選擇共振的旋轉(zhuǎn)躍遷，從而選擇激光器的輸出頻率。
分子的選擇
多種激光活性分子可用于產(chǎn)生太赫茲輻射。通常，分子應(yīng)該具有永久偶極矩，能夠形成蒸汽，并具有可以吸收泵浦激光頻率的振動(dòng)躍遷。輕質(zhì)多原子分子（例如CH3F、CH2F2和CH3OH）滿足了這些要求，并且在0.2THz-8THz頻率范圍內(nèi)識別出超過1000條激光線，其中少數(shù)如圖5所示。CH3OH（甲醇）蒸氣的 2.52THz 躍遷在太赫茲光譜和成像研究中尤為常見，使用這種躍遷可以輕松實(shí)現(xiàn)>100mW的輸出功率。
太赫茲成像
太赫茲分子激光器在利用高功率、穩(wěn)定性、明確定義的頻率和長相干長度的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。學(xué)術(shù)研究和工業(yè)測試都非常感興趣的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是連續(xù)波太赫茲成像。由于太赫茲輻射位于電磁波譜的微波和紅外線區(qū)域的邊界，因此它與兩者共享的特性使其對成像具有吸引力。
與紅外輻射類似，太赫茲輻射可以引發(fā)材料內(nèi)的能量躍遷，并用于通過其獨(dú)特的光譜指紋以光譜方式識別各種材料和化學(xué)品。和微波一樣，太赫茲輻射可以穿透許多非導(dǎo)電材料，例如塑料、衣服、磚石、半導(dǎo)體，穿透這些材料實(shí)現(xiàn)無損成像。同時(shí)，由于太赫茲輻射的波長較短，因此具有出色的空間分辨率。
這些穿透特性使太赫茲成像對材料分析、工業(yè)無損檢測和安全篩查具有吸引力。太赫茲會(huì)穿過織物和塑料，但會(huì)被金屬強(qiáng)烈吸收，從而在圖像中產(chǎn)生對比度。它對生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用同樣有吸引力，因?yàn)樗鼙瓤梢姽夂图t外線更深入地穿透組織。由于是非電離的，其能量比典型的成像X射線低約100萬倍。因此，它對健康構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)很小，并且不太可能在成像過程中對生物樣品造成光損傷。
目前，最成熟的太赫茲成像方法是THz-TDS技術(shù)的擴(kuò)展，其中樣品通過脈沖激發(fā)點(diǎn)進(jìn)行光柵掃描，逐個(gè)像素構(gòu)建二維圖像。這種方法提供了豐富信息，但由于圖像創(chuàng)建的逐步方法而受較長采集時(shí)間的影響，所以研發(fā)人員正在積極研究各種替代成像技術(shù)以利用連續(xù)波太赫茲源，其中之一是連續(xù)波太赫茲數(shù)字全息術(shù)。
在連續(xù)波太赫茲全息術(shù)中，被物體散射的太赫茲波前（物體光束）與未與物體相互作用的相干波前（參考光束）之間的干涉圖案，通過陣列檢測器記錄（圖6）。幅度和相位信息在全息圖中編碼，使物體的幅度和相移圖像能夠以數(shù)字方式重建，從而揭示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。由于圖像形成過程依賴于物體和參考光束之間的相干性，因此需要具有長相干長度的光源，例如光泵浦分子激光器。
使用愛丁堡儀器公司FIR-295太赫茲分子激光器，作為光源的視頻速率太赫茲全息成像系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，研究人員能夠?qū)﹄[藏在紙信封和聚乙烯袋中的金屬物體進(jìn)行成像，突出了太赫茲全息在工業(yè)質(zhì)量控制和安全檢查中的巨大潛力。數(shù)字全息在各種生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中的應(yīng)用也在深入研究中。該技術(shù)能夠區(qū)分癌組織和健康組織，外科醫(yī)生可以使用它在癌組織手術(shù)切除之前確定腫瘤邊界。
持續(xù)改進(jìn)
太赫茲光譜和成像技術(shù)在過去10年取得了顯著進(jìn)步。光泵浦分子太赫茲激光器幫助推動(dòng)了這一進(jìn)展。太赫茲源、探測器和信號處理的性能和可用性的持續(xù)改進(jìn)，將為這個(gè)獨(dú)特的電磁頻譜區(qū)域的力量開辟出越來越多的工業(yè)應(yīng)用。
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