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氣體激光器

在太赫茲頻率范圍內(nèi)工作的氣體激光器相對(duì)來(lái)說(shuō)是一種比較陳舊的技術(shù)，在概念上也與在光譜可見(jiàn)光范圍內(nèi)工作的氣體激光器很相似。用到的化學(xué)種類(lèi)為分子氣體，一般為CH3OH、NH3、CH2F2、CH3Cl和CH3I。這些分子具有永久的偶極矩，所以轉(zhuǎn)動(dòng)模式中的過(guò)渡就會(huì)和來(lái)自電偶極躍遷的電磁輻射直接藕合。這些過(guò)渡形成了活躍的激光躍遷。用大約10um的波長(zhǎng)的二氧化碳激光器可以激發(fā)氣體。來(lái)自這些激光器的功率量級(jí)可以變得非常高，超過(guò)100mW.然而，因?yàn)檐S遷是由分子種類(lèi)產(chǎn)生的，所以不能進(jìn)行調(diào)諧，只能通過(guò)改變不同的離散線或者通過(guò)改變氣體種類(lèi)使其在另外一個(gè)固定的頻率上工作。這些系統(tǒng)的另外一個(gè)缺點(diǎn)是體積以及它們工作所需要的功率。

微波頻率倍頻器

高達(dá)100Hz的微波源是個(gè)相對(duì)比較成熟的技術(shù)。如今人們對(duì)它擁有濃厚的興趣的原因是它在通信及軍事硬件方面的應(yīng)用。較高頻率的微波源通常以甘恩二極管和雪崩二極管為基礎(chǔ)。這些來(lái)源均為緊湊的和固態(tài)的，可在室溫下工作。近幾年來(lái)，由于倍頻器的應(yīng)用，這些來(lái)源的范圍拓寬不少，倍頻器通常也是以肖特基二極管為基礎(chǔ)，肖特基二極管對(duì)電磁波相應(yīng)是非線性的，這與在光學(xué)非線性介質(zhì)中四類(lèi)似的。肖特基二極管對(duì)入射波會(huì)產(chǎn)生諧波分量，并且輸出通過(guò)合適的波導(dǎo)藕合，這些諧波就會(huì)被收集起來(lái)。運(yùn)用一系列的幾個(gè)倍頻器去產(chǎn)生更高的頻率也是有可能的。來(lái)自這些設(shè)備的可用功率仍然很低，然而，功率會(huì)隨著頻率下降。

回波振蕩器

回波振蕩器以真空管中電子的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，回波這個(gè)名字來(lái)源以下事實(shí)，電子束和電磁波朝相反方向運(yùn)動(dòng)。真空管的一臺(tái)是加熱后可釋放電子的陰極，電子經(jīng)過(guò)直流靜電場(chǎng)的加速，流向另一頭的陽(yáng)極。沿著這條路徑，磁場(chǎng)被用作校準(zhǔn)電子束。沿著真空管的是一個(gè)被人們所知的梳式慢波結(jié)構(gòu)的金屬光柵。這種周期性結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電子束的空間調(diào)制，電子會(huì)被分成幾束。成束的電子在金屬光柵表面激發(fā)波。若電子的速度就與電子速度成比例，從而與直流偏置成比例。太赫茲電磁波從波導(dǎo)中被藕合而出。來(lái)自回波振蕩器頻率低于300GHz的可用功率在100s的毫瓦范圍內(nèi)，然而，超過(guò)此頻率的可用功率快速衰減，并且頻率超過(guò)1THz，回波振蕩器實(shí)際上很少用。盡管如此，這樣的回波振蕩器被用來(lái)在500~700GHz的范圍內(nèi)成像，盡管在這樣的范圍內(nèi)可得到大約15mWd的功率。

自由電子激光器

在許多方法中，自由電子激光器都是首要的太赫茲源：高功率，可進(jìn)行寬廣及連續(xù)的調(diào)諧，并且具有相干性。唯一的也是最嚴(yán)重的缺陷時(shí)這些系統(tǒng)的大小和成本，這限制了它們應(yīng)用于大的設(shè)備愛(ài)。忽略它們的復(fù)雜性，自由電子激光器的操作規(guī)則還是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的，一束電子注入一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域中的磁場(chǎng)隨著距離周期性變化，周期的磁體陣列作為搖擺器被人們熟知。由于電子正弦曲線式的運(yùn)動(dòng)，搖擺器會(huì)產(chǎn)生相干單色電磁輻射。產(chǎn)生的輻射會(huì)與電子束工線的光學(xué)諧振產(chǎn)生諧振。因此自由電子激光器和傳統(tǒng)激光器類(lèi)似，正弦曲線運(yùn)動(dòng)的電子替代了增益區(qū)，對(duì)光束的完整分析應(yīng)當(dāng)包含相對(duì)論效應(yīng)，因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)的速度接近光束。

前面已經(jīng)提到過(guò)，自由電子激光器應(yīng)用局限大于大型設(shè)備。P型鍺激光器是太赫茲輻射的固態(tài)電子激發(fā)源，該源可以發(fā)射1~4.5HTz的輻射，產(chǎn)生的功率很大，在脈沖工作模式下可達(dá)到5W。然而這些源也存在缺陷，比如頻譜純度，對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)和操作溫度的要求，最大操作溫度大約為40K，由于入射功率很大，所以也要求幾瓦的冷卻功率。對(duì)低溫的要求是由于設(shè)備產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原理，這需要發(fā)射L0聲子。由于對(duì)溫度的敏感性，這些設(shè)備只能在低占空比的情況下工作。

激光通常摻雜了鈹?shù)逆N放置在磁場(chǎng)中，也將空穴狀態(tài)分成離散的朗道能級(jí)。電場(chǎng)垂直于磁場(chǎng)，電場(chǎng)在重空穴帶加速空穴，空穴將使色散曲線向上移動(dòng)。當(dāng)重空穴能量比LO身子能量更強(qiáng)，它自然就會(huì)產(chǎn)生LO聲子，一些空穴會(huì)在具有相對(duì)長(zhǎng)壽命的量化光空穴狀態(tài)和遠(yuǎn)離布里林區(qū)域中心的重空穴狀態(tài)間建立起來(lái)。通過(guò)改變樣本中磁場(chǎng)和電場(chǎng)，激光器發(fā)射的頻率就可以進(jìn)行調(diào)諧了。

量子級(jí)聯(lián)激光器

量子級(jí)聯(lián)激光器主要依靠半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶中的電子傳輸。量子級(jí)聯(lián)激光器的能帶結(jié)構(gòu)變化幅度很寬，然而任何量子級(jí)聯(lián)激光器的基本特性都可用簡(jiǎn)化圖表示。此圖用外部偏置描繪了設(shè)備的導(dǎo)帶，次結(jié)構(gòu)中有兩種材料，兩種材料之間的導(dǎo)帶偏移量提供了阱和墊壘，此結(jié)構(gòu)由幾個(gè)周期組成，每個(gè)周期都有相同序列的阱和墊壘。每個(gè)周期都存在兩種狀態(tài)，兩者之間就會(huì)產(chǎn)生激光躍遷。這種原理就意味著一個(gè)電子在每個(gè)周期都會(huì)產(chǎn)生光躍遷，量子級(jí)聯(lián)激光器由此得名。圖中另一個(gè)標(biāo)記的是注入器，它是電子態(tài)的集合，收集從激光下能級(jí)的電子，然后將電子注入到較高能級(jí)。實(shí)際上，這片區(qū)域會(huì)存在一些阱和墊壘從而允許許多中電子太存在。

量子級(jí)聯(lián)激光器方案中一個(gè)最重要的特征是發(fā)射波長(zhǎng)只由由源區(qū)的設(shè)計(jì)而決定，而不是像帶隙二極管激光器那樣由材料的帶隙決定。盡管第一個(gè)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器是在4.4THz條件下展示的，但是也有報(bào)道稱(chēng)這些設(shè)備可以在寬頻率范圍內(nèi)工作，最低頻率可低至1.3THz。在磁場(chǎng)的幫助下，最低頻率為830GHz。溫度性能也顯示了顯著的提升，在最高可達(dá)50K的工作溫度下運(yùn)行。50K溫度是在原脈沖模式中獲得；連續(xù)波操作補(bǔ)救后也得到實(shí)現(xiàn)，如今太赫茲量子級(jí)激光器的最高工作溫度為186K，當(dāng)磁場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)最高工作溫度可達(dá)225K，太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的峰值功率基本在即使毫瓦，并可超過(guò)100mW.