作者：Gail Overton

盡管目前人們已經(jīng)開發(fā)出了多種時域太赫茲波探測技術(shù)，但是太赫茲波對周圍水分的較高吸收卻阻礙了其在遙感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其中包括在國土安全、天文學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測等方面的大量應(yīng)用。最近，美國倫斯勒理工學(xué)院以及加拿大拉瓦勒大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種新型全光技術(shù)，該技術(shù)使太赫茲波在遙感應(yīng)用中遇到的問題最終得以解決。^[1]

激光致熒光

該技術(shù)的核心思想是利用與太赫茲波相互作用的全向熒光發(fā)射。其信號探測方法足夠靈敏，可以在10米遠(yuǎn)處時域分辨太赫茲脈沖，同時具備最弱的水蒸氣吸收，且不受方向性限制。

用一個紫外波段鍍膜的望遠(yuǎn)鏡和一個光譜儀對遠(yuǎn)處的激光致等離子體氮熒光進(jìn)行采集和測量。用強(qiáng)激光脈沖輻照氮原子會激發(fā)出一部分電子，隨后電子被原子及分子的高能級里德堡態(tài)束縛。單周期太赫茲脈沖很容易導(dǎo)致束縛態(tài)的原子電離，從而產(chǎn)生太赫茲輻射增強(qiáng)熒光發(fā)射(THz-REEF)。

研究人員利用雙色（基頻光與二次諧波）激光脈沖非對稱地電離氣體，這樣可以控制激光致等離子體內(nèi)的電子漂移速度，從而能夠?qū)εc太赫茲波相互作用的等離子體產(chǎn)生的熒光進(jìn)行相干操縱�；�頻光脈沖與二次諧波脈沖之間的相對光學(xué)相位，可以實現(xiàn)精度達(dá)阿秒量級的調(diào)節(jié)，用以產(chǎn)生非對稱電子漂移。在電子漂移速度方向與太赫茲偏振方向同偏振以及垂直偏振的條件下，分別對時間分辨的THz-REEF波形（隨著連續(xù)改變的太赫茲脈沖以及光脈沖之間的延遲來測量熒光發(fā)射而獲得）進(jìn)行測量。兩種波形之間的差別正比于時間依賴的太赫茲場（太赫茲時域波形）。同時，太赫茲脈沖的振幅及相位信息可以從熒光信號中提取出來。

遠(yuǎn)距光譜

采用THz-REEF技術(shù)，可以分別在0~7THz以及0~1.5THz的范圍內(nèi)獲得水蒸氣和爆炸物4A-DNT的高分辨率寬帶光譜。獲得的4A-DNT光譜結(jié)果與用電光取樣方法獲得的結(jié)果一致。這里，電光取樣利用一塊電光晶體（300µm厚、沿<110>方向切割的磷化鎵晶體）通過普克爾效應(yīng)測量時域太赫茲波形。由于不存在本征聲子吸收和法珀標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，因此該技術(shù)能夠提供寬帶高分辨率光譜。

圖：利用太赫茲輻射增強(qiáng)熒光發(fā)射（THz-REEF）技術(shù)測量爆炸物4A-DNT的吸收光譜。

倫斯勒理工學(xué)院太赫茲研究中心的X.-C. Zhang教授指出：“利用高功率激光，將該太赫茲波遙感技術(shù)與以前展示的利用穩(wěn)定可控相對相位的雙色激光束致遠(yuǎn)距離太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距太赫茲光譜學(xué)在化學(xué)生物制劑識別領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，通過揭示強(qiáng)場電離、等離子動力學(xué)以及太赫茲波致電子加熱等詳細(xì)的相互作用過程，該技術(shù)還有望為研究光與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用中電子的行為提供頗具潛力的新方法。”

Zhang還補(bǔ)充道：“在現(xiàn)實環(huán)境下實現(xiàn)太赫茲波遙感的最大挑戰(zhàn)在于太赫茲波對水蒸氣的強(qiáng)吸收。紫外熒光在大氣波段的高度透明性，使得太赫茲遙感成為可能。現(xiàn)在，我們不需要再擔(dān)心濕度問題就可以實現(xiàn)太赫茲遙感了。”

參考文獻(xiàn)
1. J. Liu et al., 2010 CLEO Postdeadline paper CPDB8, San Jose, CA (May 2010).