全光纤太赫兹激光器的研制
太赫兹（Terahertz，简称THz）波在电磁波谱中占据一个特殊的位置，其频率范围为0.1-100THz (THz=1012Hz) [1]。在长波方向，它与毫米波段有重叠；在短波方向，它与红外波段有重叠。由于其所处的特殊位置，THz波具一系列特殊的性质，在频域上，太赫兹处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，即处于电子学向光子学的过渡区域。它的量子能量低，信噪比高，频率较宽。它覆盖各种包括蛋白质在内的大分子的转动和振动谱。因此，在科学研究上有很重要的学术价值，在科学技术及工业上有很多潜在的应用。
太赫兹波之所以能引起科学工作者浓厚的研究兴趣，主要是因为它具有很多独特的性质，这些独特的性质赋予了太赫兹科学广泛的应用前景。这些独特性质主要表现在：透视性、安全性、较高的光谱分辨本领、宽时频特性等[2]。太赫兹波对很多介电材料和非极性的液体有良好的穿透性，因此可以对非透明物体和宇宙深空进行透视成像[3]。另外，由于太赫兹波的波长大于空气中的烟雾粒子的尺度，瑞利散射损耗极小，所以能较好地穿透烟尘和浓雾，是火灾救护或风尘环境监测中成像的理想光源[4]。此外，相比X射线具有上千电子伏的光子能量，太赫兹波的光子能量只有毫电子伏，该能量比各种化学键的键能都低，所以不会发生电离反应，即不会破坏物质的分子结构，因此可以应用到安检[5]、生物检测场所[6]及超导体、金属材料、量子阱及碳纳管等领域实现无损检测[7,8]。大量分子，尤其是有机分子的振动和转动的跃迁谱均处于太赫兹频谱范围内，因而可以利用光谱分辨率特性实现物体形貌和组成成分的分析[9]。太赫兹的宽频带特性非常适合于高速无线通信领域[10]，在未来一些年，利用太赫兹技术有望实现几十Tbit/s的全光无线通信[11]。
为了实现太赫兹波的潜在应用，设计出能产生这种辐射的装置成了问题的关键。太赫兹辐射的产生通常可以通过微波信号上转换、光学和红外信号下转换、基于半导体工艺直接获取这三种方式获得。微波信号上转换是从低频向高频发展，光学和红外信号下转换则是从高频向低频发展，基于半导体工艺直接获取则是从1THz位置向两侧发展。这三种技术提供的太赫兹辐射源基本上覆盖了整个太赫兹波段。
基于半导体工艺直接获取太赫兹中具有代表性的是太赫兹量子级联激光。其优势不言而喻，具有较宽的发射谱、体积紧凑、耗能小等优点。然而众多不足（比如低温、发散角大、载流子驰豫寿命短、发射功率低）也限制了该激光器的应用前景。为了解决发射功率低的难题，2009年Jukam 等人借助集成Auston开关在2.5THz频率处产生了电场幅度为1kV/cm的太赫兹脉冲[12]，这一研究结果已经超过了利用飞秒激光激励光导天线产生的电场幅度。不过，7K的极低工作温度仍然限制了这种太赫兹量子级联激光在时域光谱方面的应用。为了使太赫兹量子级联激光接近室温工作，2011年Kumar等人在《自然. 物理》杂志上报道他们使用改进的共振通道注入法将1.8THz频率处的工作温度提高到163K的重要进展[13]。通过重新设计波导结构和尺寸，Amanti等人已将太赫兹量子级联激光的窄光束发散角控制在100范围内[14]。上海微系统与信息技术研究所的曹俊诚等人对四量子阱共振声子太赫兹量子级联激光的脉冲模式随偏置电流和温度演变进行了深入研究[15]，他们发现对于最佳偏置电流（例如0.371A）对应着最大太赫兹输出，另外热沉温度从10K变化到80K时，输出光频率趋于稳定。
光学和红外信号下转换获取太赫兹具有代表性的工作是光泵、自由电子激光、光参量振荡和差频方式产生太赫兹辐射。光泵产生太赫兹可以追溯到1970年美籍华裔科学家张道源（Chang T Y）的早期实验，他们利用调Q CO2激光泵浦CH3F有机气体，最终获得了452，496及541mm太赫兹辐射[16]。2010年，程祖海小组利用光泵技术在90mm处获得了1.35mJ的太赫兹脉冲能量输出 [17]。尽管光泵方式可以获得高能太赫兹辐射，但明显存在一些不足之处：体积庞大（4000×100×180cm3），功耗大（通常在几十kV的高压下工作），价格高昂（估计研制成本在70万左右），低气压（通常在几十mbar气压下工作），转换效率低（一般不到7%），而且也不能频率调谐，即便能调谐，输出能量也会降低很多。至于自由电子激光产生太赫兹，2002年，《自然》杂志报道了美国Jefferson实验室自由电子激光器的研究新进展，他们产生的太赫兹辐射的平均功率高达20W，甚至可以将火柴点燃[18]。然而，这种太赫兹辐射源体积非常庞大、功耗大、价格也相当昂贵，所以这种激光器也只能应用到有较好条件的实验室里。关于太赫兹光参量振荡器，德国波恩大学的Breunig小组从2007年至2009年期间不断完善基于内腔光学参量振荡器的可调谐太赫兹波产生方案，最大转换效率目前还没有超过10-7，且最大调谐宽度不超过2THz[19, 20]。2011年Vainio M 和Halonen L通过在腔内置入布喇格光栅滤波器使得光参量振荡器保持单纵模稳定工作，并且通过调节晶体温度从而实现了3THz调谐带宽，信号光与闲置光对泵浦光的最大转换效率为28%[21]。该实验的本质是提高了太赫兹光参量源的双波长输出总功率。近些年，差频方式产生太赫兹在国内外高校和研究所得到了较多的研究，美国的Ding Y J在这个领域做了共线和非共线一系列实验，其中2010的工作颇具有代表性[22]，他们将两激光振荡器合并成单一的调Q Nd:YLF激光器，并将该激光器产生的双波长混频到GaSe非线性晶体上，最终差频产生1.64THz、平均功率为1mW的太赫兹输出。这是一款相当紧凑的便携式连续太赫兹源，其总体积为30.48cm×15.24cm×10.16cm。不足之处：不可调谐。最近，天津大学的姚建铨小组在级联差频方面做了大量的理论研究工作，希望通过优化泵浦功率、晶体长度及波长大小进一步提高太赫兹转换效率[23]。
综上所述，基于半导体装置直接获取太赫兹的方式由于非室温、发散角大、转换效率低和载流子寿命较短等不利因素使得太赫兹量子级联激光趋于实际应用还有一段较长的距离。基于光学和红外信号下转换获取太赫兹方式，光泵和自由电子激光由于体积庞大、功耗大、价格高昂等不利因素，目前只能应用于实验室基础研究阶段。光参量和差频方式由于参量源和差频源的转换效率低，同时与非线性晶体相互作用后的太赫兹转换效率也较低，导致最终的整体转换效率极低，而且获取太赫兹的方式相当复杂。微波信号上转换技术获取太赫兹的最高频率受调制器微波驱动频率的限制，想直接获得1THz的太赫兹信号是件非常困难的事情。
正是在该背景下，我们期望研制出基于全光纤的宽调谐相干连续波太赫兹源。期望（1）提高两级装置的功率转换效率，进而提高太赫兹输出功率（2）设计高转换效率的光混合器（3）设计紧凑便携式宽带可调谐相干太赫兹光源产品。该研究将为当前太赫兹光源领域碰到的调谐宽度较窄、产生方式复杂且转换效率极低等问题提供了一种新的研究思路。
参考文献
[1] Horiuchi N. Terahertz nano-exploration. Nature Photon., 2012, 6（2）: 82-83
[2] 张存林、张岩、赵国忠. 太赫兹感测与成像.北京:国防工业出版社,2008,96-234
[3] 杨戟.中国射电天文的研究与发展.中国科学院院刊,2011, 26(5):511-515
[4] Kawayama I, Kotani K, Tonouchi M. Time-domain terahertz spectroscopy of SrBi2Ta2O9 thin films on MgO substrates. Jpn. J. Appl. Phys., Part 1, 2002, 41(11b): 6803-6805
[5] Shen Y C, Lo T, Taday P F, Cole B E, Tribe W R, Kemp M C. Detection and identification of explosives using terahertz pulsed spectroscopic imaging. Appl. Phys. Lett., 2005, 86(24): 241116-1-3
[6] Nagel M, Bolivar P H, Brucherseifer M, Kurz H, Bosserhoff A, Buttner R. Integrated THz technology for label-free genetic diagnostics. Appl. Phys. Lett., 2002, 80(1): 154-156
[7] Zhang T Y, Zhao W, Liu X M, Zhang C.Nonlinear optical properties of semiconductor quantum wells under intense terahertz radiation.Appl . Phys. Lett ., 2007, 91(4): 041909/1-3
[8] Wen Q Y, Xie Y S, Zhang H W, Yang Q H, Li Y X, Liu Y L. Transmission line model and fields analysis of metamaterials in the terahertz band. Opt. Express, 2009, 17(22): 20256-20265
[9] Liu H B, Chen Y Q, Zhang X C. Characterization of anhydrous and hydrated pharmaceutical materials with THz time-domain spectroscopy. J. Pharm. Sci., 2007, 96(4): 927-934
[10] 邓贤进,王成,林长星,陈琦,周传明,张健,刘仓理,姚军,肖仕伟,苏伟,刘杰,吴尚昀,黄庆钟,张茜梅,颜军,肖勇. 0.14THZ超高速无线通信系统实验研究. 强激光与粒子束, 2011, 23(6):1430-1432
[11] Hillerkuss D, Schmogrow R, Schellinger T, Jordan M, Winter M, Huber G, Vallaitis T, Bonk R, Kleinow P, Frey F, Roeger M, Koenig S, Ludwig A, Marculescu A, Li J, Hoh M, Dreschmann M, Meyer J, Ben Ezra S, Narkiss N, Nebendahl B, Parmigiani F, Petropoulos P, Resan B, Oehler A, Weingarten K, Ellermeyer T, Lutz J, Moeller M, Huebner M, Becker J, Koos C, Freude W, Leuthold J. 26 Tbits-1 line-rate super-channel transmission utilizing all-optical fast Fourier transform processing. Nature Photon., 2011, 5(6): 364-371
[12] Jukam N, Dhillon S S, Oustinov D, Madeo J, Manquest C, Barbieri S, Sirtori C, Khanna S P, Linfield E H, Davies A G, Tignon J. Terahertz amplifier based on gain switching in a quantum cascade laser. Nature Photon., 2009, 3(12): 715-719
[13] Kumar S, Chan C W I, Hu Q, Reno J L. A 1.8-THz quantum cascade laser operating significantly above the temperature of .Nature Phys., 2011, 7(2): 166-171
[14] Amanti M I, Fischer M, Scalari G, Beck M, Faist J.Low-divergence single-mode terahertz quantum cascade laser. Nature Photon., 2009, 3(10): 586-590
[15] Cao J C, Li H, Han Y J, Guo X G, Tan Z Y, Luo H, Laframboise S R, Liu H C. Terahertz Quantum Cascade Laser and its Applications. Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim (CLEOPR), 2009, paper: MG2_1
[16] Chang T Y, Bridges T J. Laser action at 452,496, and 541mm in optically pumped CH3F. Opt. Commun., 1970, 1(9): 423-426
[17] Qi C C, Zuo D L, Lu Y Z, Miao L, Yin J, Cheng Z H. A 1.35mJ ammonia Fabry-Perot cavity terahertz pulsed laser with metallic capacitive- mesh input and output couplers. Optics and Lasers in Engineering, 2010, 48(9): 888-892
[18] Carr G L , Martin M C, McKinney W R, Jordan K, Nell G R, Williams G P. High-power terahertz radiation from relativistic electrons. Nature, 2002, 420(6912): 153-156
[19] Breunig I, Sowade R, Buse K. Limitations of the tunability of dual-crystal optical parametric oscillators. Opt. Lett., 2007, 32(11): 1450-1452
[20] Kiessling J, Sowade R, Breunig I, Buse K, Dierolf V.Cascaded optical parametric oscillations generating tunable terahertz waves in periodically poled lithium niobate crystals. Opt. Express, 2009, 17(1): 87-91
[21] Vainio M, Halonen L.Stable operation of a cw optical parametric oscillator near the signal–idler degeneracy. Opt. Lett., 2011, 36(4): 475-477
[22] Zhao P, Ragam S, Ding Y J, Zotova I B. Compact and portable terahertz source by mixing two frequencies generated simultaneously by a single solid-state laser. Opt. Lett., 2010, 35(23): 3979-3981
[23] 钟凯, 姚建铨, 徐德刚, 张会云, 王鹏.级联差频产生太赫兹辐射的理论研究.物理学报，2011，60（3）：034210－1－8
[24] Song H J, Shimizu N, Nagatsuma T. Generation of two-mode optical signals with broadband frequency tenability and low spurious signal level. Opt. Express, 2007, 15 (22) : 14901-14906
[25] Lu J, Dong Z, Chen L, Yu J, Wen S. High-repetitive frequency millimeter-wave signal generation usingmulti-cascaded external modulators based on carrier suppression technique. Opt. Commun., 2008, 281(19): 4889-4892
[26] Ma J X, Xin X J, Yu J, Yu C X, Wang K R, Huang H Y, Rao L. Optical millimeter wave generated by octupling the frequency of the local oscillator. J. Opt. Netw., 2008, 7(10): 837-845
[27] Yao J P.Microwave Photonics. J. Lightwave. Technol., 2009, 27(3): 314-335
