太赫兹波(Terahertz wave)是介于微波和红外辐射之间、振荡频率在0.1 THz到10 THz(1 THz=10¹² Hz)之间的一种电磁辐射。在电子学领域,太赫兹波被称为毫米波或亚毫米波;在光谱学领域,它则被称为远红外射线。太赫兹波具有穿透力强、安全性高、可识别不同物质等特点。近20多年来,太赫兹波段的研究是一个非常热门而且不断涌现出新科学成果的领域。许多研究者致力于太赫兹的发射源和探测器、太赫兹波与物质的相互作用、太赫兹波成像、宽带通信等方面的研究,并且已经取得了很大的进展^[1]。

随着20世纪80年代一系列新技术、新材料的发展,特别是超快激光的发展,太赫兹技术得以迅速发展。2001年,Cheng等就曾理论预测,超短强激光在空气中传输形成的等离子体细丝可以产生径向偏振的太赫兹波;随后在2002年,Tzortzakis等首次在实验中利用外差探测方法探测到大气等离子体细丝产生的径向太赫兹辐射波,证实了Cheng等的理论预测^[1],由此为太赫兹波的产生开辟了一条新的道路。紧接着,人们对气体等离子体细丝做了大量研究。目前,利用超短强激光形成的等离子体细丝已经成为了一种高强度宽频谱的太赫兹波源。

法国物理学家Gouy曾证明聚焦的波束在经过焦点后,从焦点一侧远场到另一侧远场会比同频率的平面波束多获得π的相移,这被称之为“古依相移”^[2]。目前,针对古依相移的研究都是在可见光波段的激光实验基础上实现的。本文是利用空气等离子体产生了周期性的太赫兹脉冲^[3],采用电光采样方法进行探测^[4],证实了聚焦后的太赫兹波同样具有古依相移效应。

1 实验原理及装置 1.1 太赫兹波的产生

实验中,使用掺钛蓝宝石飞秒激光放大级系统,其输出中心波长为800 nm、脉冲宽度为130 fs、重复频率为1 kHz、单脉冲能量为7.5 mJ的超短脉冲激光。当超短飞秒脉冲激光在空气中传播时,会发生非线性Kerr自聚焦效应,并且会电离大气产生等离子体散焦效应,当两者达到动态平衡时,超短飞秒激光脉冲在时间空间上的分布达到了相对稳定,于是形成等离子体细丝通道^[1],其长度超过光束瑞利长度很多倍,通道直径只有微米量级^[5]。通过三阶非线性过程,太赫兹波和光波发生如下的四波混频过程^[6]

等离子体细丝通道辐射出的锥型太赫兹波^[7],经离轴抛物面金镜收集后聚焦到电光晶体上,再利用电光采样系统进行探测(实验原理图如图 1所示)。实验中,使用厚度为500 μm〈110〉晶向的碲化锌晶体(ZnTe)作为电光晶体,从泵浦光光源分得的激光作为探测光束。当太赫兹波和探测光束同时传输通过电光晶体时,太赫兹波使电光晶体产生感生双折射效应,从而使线性偏振的探测光束产生微小的椭圆极化,经过1/4波片后演变为一个接近圆极化的椭圆极化。渥拉斯顿棱镜将探测光束分成偏振相互垂直的两个分量,然后由两个光电二极管分别探测。两个分量的强度之差正比于太赫兹波的电场强度,从而探测出太赫兹波的相对强度。受探测光脉冲宽度及碲化锌晶体响应频率的限制,以及空气中水气对太赫兹吸收的影响^[3],测得的太赫兹频谱宽度约为4 THz,如图 2所示。相比于光整流方法或光电导天线方法产生的太赫兹波,利用空气等离子体细丝产生的太赫兹波其频谱要宽很多,可以拓宽太赫兹波在实时成像、医学检测、遥感探测等领域的应用。

图 1

Fig. 1

图 1 电光采样探测太赫兹脉冲原理图 Fig. 1 Schematic diagram of THz wave detection with electro-optic sampling system

图 2

Fig. 2

图 2 在空气中测得的太赫兹频谱图 Fig. 2 Spectrogram of THz wave detected in the air

从太赫兹波焦点一侧远场向另一侧远场方向移动碲化锌晶体,每隔2 mm探测一次太赫兹信号,得到一组关于太赫兹波焦点附近不同位置的时域信号图,如图 3所示(曲线从上至下是按碲化锌晶体不同位置依次排开)。为了方便比较,从图 3中选取2条曲线,A线与B线。由图 3可以看出,在时间轴上的同一时刻,A线与B线相位恰好相差π,即会聚的太赫兹波产生了古依相移^{[8, 9, 10, 11]},并且这两点位置的太赫兹波形关于几何焦点呈反对称。而图 3中最顶端曲线和最下方曲线的太赫兹波时域信号不明显,是由于碲化锌晶体位置已经偏离太赫兹焦点,照射到碲化锌晶体上的能量太弱,不足以使晶体产生巨大的感生双折射效应。

图 3

Fig. 3

图 3 太赫兹焦点附近不同位置的时域信号图 Fig. 3 THz time-domain signals detected at different positions near the THz focus

随着超快强激光技术的发展,目前,超快强激光形成等离子体细丝已经成为了一种产生高强度宽频谱太赫兹波的简单方法。通过研究发现,会聚的太赫兹波同样具有古依相移效应,这意味着人们对太赫兹波领域的研究又深入了一步。