[发明专利]用于产生太赫兹辐射的方法和设备

说明书

政府资助研究

与这里公开的主题有关的一些研究受到美国国家科学基金的资助，资助号为NSF-ECS-0547019和NSF-OISE-0530220，以及受到美国空军科学研究局的资助，资助号为FA9550-05-1-0435。美国政府拥有一些公开的主题的特定权利。

背景技术

太赫兹(THz)谱范围(f≈1-10THz；λ≈30-300微米；一般介于远红外和微波波段之间)长期以来缺乏高效的、窄波段和可调谐的半导体源，特别是紧凑的电泵浦的室温半导体源。一段时间以来，p掺杂的锗激光器是唯一可用的THz区域的半导体源。然而，这种源仅能工作在温度低于液氮的温度下(也就是说需要低温冷却)。

近来，已经开发出针对THz谱范围的基于半导体的量子级联激光器(QCL)，其在脉冲模式下的最大工作温度被报道为178开氏度(发射频率为～3THz)。但是，对这些激光器来说，一些严重的局限是固有的。首先，它们的可调谐性由于增益谱(gain spectrum)狭窄而受到固有限制。第二，它们的工作温度可能会保持限制在低温温度，这是由于通过低能量THz跃迁的粒子数反转的基本要求所致；特别是，由于THz辐射的窄能带跃迁特性，随着工作温度的升高，有更多的机会产生高能态的非辐射损耗，电子弛豫的附加隧道成为可能，从而妨碍粒子数反转。基于光导开关或者混频器技术，可替代的源可以在室温下工作，但是效率低，体积大且具有较宽的发射波段。

在其它涉及QCL的研究工作中，QCL被实现为在中红外谱带(例如～5到10微米)以多个不同的波长同时发射激光。在一个这种例子中，单个量子级联有源区同时最多产生三个不同的波长；在另一个例子中，被设计为以不同的波长产生中红外线的两个有源区被整合到单个QCL波导结构中，从该结构中以几百毫瓦的功率水平实现双波长产生。

差频产生(DFG，Difference-frequency generation)是非线性光学过程，其中，频率为ω₁和ω₂的两束(通常被称为“泵浦”束)在具有二阶非线性极化率χ⁽²⁾的介质中相互作用，以产生频率为ω＝ω₁-ω₂的辐射。频率为ω＝ω₁-ω₂的波的强度由表达式给出W(ω=ω1-ω2)=ω28ϵ0c3n(ω1)n(ω2)n(ω)|χ(2)|2×W(ω1)W(ω2)Seff×lcoh2,---(1)]]>这里，lcoh=1/(|k→-(k→1-k→2)|2+(α/2)2)]]>是相干长度，W(ω_i)，n(ω_i)和分别为功率、折射率以及频率为ω_i的束的波向量。α代表在不同频率ω的损失，S_eff是相互作用的有效面积，并且假设介质是对两个泵浦都是透明的，且在DFG过程中的泵浦功率的损耗可以被忽略。根据方程(1)，对于有效的DFG，需要使用具有大χ⁽²⁾的材料，输入高强度的束，并达到较低的损失以及相位匹配，|k→-(k→1-k→2)|≈0.]]>