新型太赫兹波发射机：未来应用前景广阔

导读

据德国亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心官网近日报道，该研究中心与德累斯顿工业大学、康斯坦茨大学的研究人员构成的团队斥地出一款可生成太赫兹短脉冲的锗元件。 （自媒体www.jj00.com）

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太赫兹波，是指频率局限在100GHz到10THz之间，介于微波和红外线之间的电磁波。太赫兹波具有穿透性强、平安性高、定向性好、带广大、时间与空间差别率高档手艺优势。 （原创文章www.jj00.com）

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现在，太赫兹波正在科技范畴中变得越来越主要，它使我们可以厘清将来材料的特征，测试汽车涂料与屏幕封套的质量。

用太赫兹手艺对一本合上的书中的书页内容进行成像（图片起原：BarmakHeshmat）

然而，对于科学家来说，生成太赫兹波仍然是一个伟大的挑战。

立异

近日，德国亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心（HZDR）、德累斯顿工业大学、康斯坦茨大学的研究人员构成的一支团队在这方面取得了显著进展。他们斥地出一款可生成太赫兹短脉冲的锗元件。这种脉冲的优势在于具有极宽的频带，从而可同时供应很多分歧的太赫兹频率。

（图片起原：HZDR/Juniks）

正如团队在《光：科学与应用（Light:Science&Applications）》杂志上所申报的，因为可采用半导体财富中已使用的方式来生产这种元件，所以这项研究功效有望普遍应用于科研与手艺。

手艺

就像光一般，太赫兹波也属于电磁辐射。在频谱中，它们介于微波和红外线辐射之间。固然微波和红外线辐射很早就已进入我们的平常生活，然则太赫兹波只是方才起头被使用。原因就是，自21世纪起头，专家们一向仅能组织出可被合理领受的太赫兹波源。然则这些发射机仍不完美，相对较大较贵，并且发出的辐射并不是总具有我们所盼望的特征。

一个公认的生成太赫兹波的方式就是基于砷化镓晶体。若是这个半导体晶体受到短激光脉冲的照射，就会形成砷化镓载流子。施加电压能够加快这些电荷的活动，从而生成太赫兹波，这种机制根基上与甚高频（VHF）发射机天线塔的机制沟通，这些天线塔中活动的电荷发生了无线电波。

可是，这种方式有着很多瑕玷。HZDR物理学家HaraldSchneider注释道道：“它只能经由相对较贵的特别激光器来操控，不克经由我们在光纤通信中使用的激光器来操控。”另一个瑕玷是，砷化镓晶体只能发出相对窄带的太赫兹脉冲，其频率局限有限，从而大大限制了应用局限。

这就是为什么Schneider及其团队要把赌注压在此外一种材料：半导体锗上。Schneider透露：“有了锗，我们就能使用较廉价的激光器即所谓的光纤激光器。此外，锗晶体非常透亮，从而可促进超宽带脉冲的发射。”然则，到今朝为止，他们一向都有一个问题：若是用短激光脉冲照射纯净的锗，半导体中的电荷在几微秒之后才会消散。只有在这之后，晶体才能接收下一个激光脉冲。然而，现在的激光器能以几十纳秒的距离发射脉冲，这种发射速度对于锗来说太快了。

为了战胜这个难题，专家们想法子使得锗中的电荷消散得更快。他们在一种有名的贵金属：金中找到了谜底。Schneider的同事AbhishekSingh博士注释道：“我们使用了一款离子加快器来将金原子射入锗晶体中。金穿透晶体的深度达100纳米。”然后，科学家们在900摄氏度的前提下加热晶体几个小时。热处理包管了金原子在锗晶体中平均分布。

当团队用超短激光脉冲照射掺杂金原子的锗时，他们发现取得了成功：载流子并没有在晶体中四处移动达几微秒，而是在两纳秒内又一次消散了，比之前的速度快千倍。形象地说，金就像陷阱，有助于捕获以及中和电荷。Singh很愉快地申报：“如今，锗晶体能被激光脉冲以很高的反复率轰击，而且仍然正常工作。”

价格

这种新方式使太赫兹脉冲的带宽提拔至很宽，不再是采用公认的砷化镓手艺时的7太赫兹，，而是它的10倍（70太赫兹）。HaraldSchneider感动地说：“我们一举获得了一种宽带、一连、无隙的频谱。这意味着，我们即将拥有一个真正多功能的太赫兹波源，它的应用最多样化。”另一个优点就是，锗元件能够用微芯片所用的同样手艺来有效处理。Schneider透露：“分歧于砷化镓，锗是硅兼容的。因为这种新型元件能与尺度的光纤激光器一路运行，所以你能够使这项手艺变得相当紧凑和廉价。”

这将使得金掺杂的锗酿成一项有意思的选择，不光可应用于科学范畴例如具体剖析石墨烯等立异型二维材料，并且也能够应用于医学和情况手艺。例如，我们能够想象，用传感器经由太赫兹频谱追踪大气中特定的气体。可是，现今的太赫兹波源照样太贵了。亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心斥地的这种新方式将来将使得制造这种情况传感器变得廉价得多。

要害字

传感器、太赫兹、激光

参考资料

【1】AbhishekSingh,AlexejPashkin,StephanWinnerl,MalteWelsch,CorneliusBeckh,PhilippSulzer,AlfredLeitenstorfer,ManfredHelm,HaraldSchneider.Upto70THzbandwidthfromanimplantedGephotoconductiveantennaexcitedbyafemtosecondEr:fibrelaser.Light:Science&Applications,2020;9(1)DOI:10.1038/s41377-020-0265-4

【2】https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=60476