太赫茲(zi) 光譜區域介於(yu) 微波和紅外線範圍之間，是電磁光譜中最有前途的區域之一。然而，該區域的電磁光譜在目前的研究和工業(ye) 應用方麵，沒有得到充分利用。另一方麵，太赫茲(zi) 頻段的構成沒有統一定義(yi) ，但0.1THz-10THz（λ= 3mm-30mm）的頻率範圍是最廣泛引用的。由於(yu) 其在電磁頻譜中的位置，太赫茲(zi) 輻射具有獨特的穿透特性，使其對包括醫學、生物學、安全、天文學、製藥、材料科學和物理學在內(nei) 的廣泛領域的光譜學和成像應用極具吸引力。

太赫茲(zi) 源

天文物體(ti) 本身就是太赫茲(zi) 源，太赫茲(zi) 光譜和成像應用需要太赫茲(zi) 輻射源。太赫茲(zi) 源可分為(wei) 兩(liang) 種主要類型：超短脈衝(chong) 和連續波。超短脈衝(chong) 太赫茲(zi) 源是太赫茲(zi) 時域光譜（THz-TDS）的基礎，其中用飛秒激光器產(chan) 生的太赫茲(zi) 輻射超短脈衝(chong) 探測材料。超短脈衝(chong) 產(chan) 生太赫茲(zi) 頻率的寬帶寬，可在太赫茲(zi) 時域光譜中實現快速采集時間，但低頻分辨率限製了其在光譜應用中的實用性。對於(yu) 需要高頻分辨率或單個(ge) 明確定義(yi) 頻率的太赫茲(zi) 激發應用，則需要連續波太赫茲(zi) 源。

目前，商業(ye) 上有多種連續波太赫茲(zi) 源產(chan) 品，包括差頻發生器、後向波振蕩器、微波倍頻器、量子級聯激光器和光泵分子激光器。後向波振蕩器和倍頻器是微波型振蕩器技術在太赫茲(zi) 區域的延伸應用，它們(men) 可以提供高功率但無法實現高於(yu) 1THz的頻率。差頻發生器使用兩(liang) 個(ge) 頻率偏移的紅外激光器以激光器的差頻產(chan) 生太赫茲(zi) 輻射，從(cong) 而產(chan) 生高度可調的太赫茲(zi) 源，但功率在微瓦範圍內(nei) 。

長期以來，量子級聯激光器一直有望作為(wei) 太赫茲(zi) 光源，但目前需要深低溫冷卻才能在太赫茲(zi) 區域進行連續波操作，部分原因是高溫下的散射。它們(men) 僅(jin) 限於(yu) 低毫瓦的功率，並且隻能在1THz以上操作。
這些源中的每一個(ge) 都是太赫茲(zi) 應用的理想選擇，但總的來說，它們(men) 要麽(me) 功率低，要麽(me) 頻率範圍有限。對於(yu) 需要在太赫茲(zi) 範圍內(nei) 以離散頻率提供高功率的應用，光泵浦太赫茲(zi) 分子激光器是理想的光源。

太赫茲(zi) 分子激光器

1970年，Tao-Yuan Chang和Thomas J. Bridges在貝爾實驗室首次展示了光泵浦太赫茲(zi) 分子激光器。此後，這種激光器經過優(you) 化和改進可在廣泛的頻率範圍內(nei) 傳(chuan) 輸高功率、相幹太赫茲(zi) 輻射，是世界各地太赫茲(zi) 研究實驗室的必備。該激光器在科學界有多個(ge) 名稱，最常見的是光泵浦遠紅外激光器，也被稱為(wei) 光泵浦太赫茲(zi) 激光器、太赫茲(zi) 氣體(ti) 激光器和太赫茲(zi) 分子激光器。

在光泵浦太赫茲(zi) 分子激光器中，泵浦激光器用於(yu) 將極性分子的蒸汽光激發到更高的能級，從(cong) 那裏它們(men) 隨著太赫茲(zi) 輻射的發射而發散。泵浦激光器可以采用多種形式，最常見的布置是 CO2紅外激光器，其輸出耦合到太赫茲(zi) 分子激光器中。耦合可以是外部的，例如在光學平台上，泵浦激光器和太赫茲(zi) 激光器是獨立的實體(ti) ；耦合也可以是內(nei) 部的，泵浦激光器和太赫茲(zi) 激光器包含在一個(ge) 單元中。

激光器的主要部件和工作原理如圖2所示。原理圖基於(yu) 愛丁堡儀(yi) 器公司的FIRL-100，其中CO2泵浦和太赫茲(zi) 分子激光器被集成到一個(ge) 能夠輸出紅外輻射（9μm-11μm，或27 THz-33THz）和太赫茲(zi) 輻射（40μm-1.22mm，或0.25THz-7 THz）的光學諧振器中。

第一階段：CO2 紅外泵浦激光器

該過程從(cong) CO2泵浦激光器開始，該激光器由衍射光柵和部分反射的ZnSe輸出耦合鏡之間形成的光學諧振器組成。硒化鋅（ZnSe）反射鏡安裝在壓電換能器上，以實現對諧振器長度的精細控製。增益部件是一個(ge) 高壓氣體(ti) 放電管，位於(yu) 光柵和反射鏡之間。

為(wei) 了實現激光發射，CO2 /N2 /He氣體(ti) 混合物流過放電管，N2分子通過與(yu) 放電產(chan) 生的電子碰撞而被提升到振動激發態。N2激發態的能量接近於(yu) CO2分子的0001振動激發態，並且0001態的布居通過共振能量轉移進行。現在，在CO2的0001和較低的0200和1000振動狀態之間存在種群倒置，促進受激發射和激光在它們(men) 之間發生（圖 3）。

振動躍遷分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 波段，分別是10μm和9μm。每個(ge) 波段內(nei) 都有多種可能的振動旋轉激光躍遷，具有各種發射波長。通過改變衍射光柵的角度（進行粗調）和通過壓電鏡的光學諧振腔的長度（微調），可以使所需的過渡進入共振——在9µm-11µm之間可選擇約80個(ge) 激光過渡（27THz-33THz）。

第二階段：太赫茲(zi) 分子激光

為(wei) 了產(chan) 生太赫茲(zi) 輻射，泵浦激光器輸出的激光向下聚焦並耦合到密封的太赫茲(zi) 諧振器中。該設置包括一個(ge) ZnSe輸入布魯斯特（Brewster）窗口，它在諧振器的一端形成真空密封，一個(ge) 輸入耦合鏡和一個(ge) 二向色輸出耦合器，可以在反射紅外泵浦光束的同時提取太赫茲(zi) 發射。

抽真空後的諧振器充滿具有永久偶極矩的小分子的低壓蒸汽，這意味著分子內(nei) 的兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) 原子具有非常不同的負電性。CO2光泵浦激光將分子激發到振動激發態（圖4），在振動激發態內(nei) 的旋轉狀態J之間產(chan) 生粒子數反轉，可以進行受激輻射和激光發射。旋轉狀態之間的躍遷比CO2激光器中涉及的振動躍遷的能量低得多，落在0.2THz-8THz範圍內(nei) 。調整泵浦激光器的輸出頻率以激發分子所需的振動旋轉躍遷，調整太赫茲(zi) 諧振腔長度以選擇共振的旋轉躍遷，從(cong) 而選擇激光器的輸出頻率。

分子的選擇

多種激光活性分子可用於(yu) 產(chan) 生太赫茲(zi) 輻射。通常，分子應該具有永久偶極矩，能夠形成蒸汽，並具有可以吸收泵浦激光頻率的振動躍遷。輕質多原子分子（例如CH3F、CH2F2和CH3OH）滿足了這些要求，並且在0.2THz-8THz頻率範圍內(nei) 識別出超過1000條激光線，其中少數如圖5所示。CH3OH（甲醇）蒸氣的 2.52THz 躍遷在太赫茲(zi) 光譜和成像研究中尤為(wei) 常見，使用這種躍遷可以輕鬆實現>100mW的輸出功率。

太赫茲(zi) 成像

太赫茲(zi) 分子激光器在利用高功率、穩定性、明確定義(yi) 的頻率和長相幹長度的應用中表現出色。學術研究和工業(ye) 測試都非常感興(xing) 趣的一個(ge) 應用領域是連續波太赫茲(zi) 成像。由於(yu) 太赫茲(zi) 輻射位於(yu) 電磁波譜的微波和紅外線區域的邊界，因此它與(yu) 兩(liang) 者共享的特性使其對成像具有吸引力。

與(yu) 紅外輻射類似，太赫茲(zi) 輻射可以引發材料內(nei) 的能量躍遷，並用於(yu) 通過其獨特的光譜指紋以光譜方式識別各種材料和化學品。和微波一樣，太赫茲(zi) 輻射可以穿透許多非導電材料，例如塑料、衣服、磚石、半導體(ti) ，穿透這些材料實現無損成像。同時，由於(yu) 太赫茲(zi) 輻射的波長較短，因此具有出色的空間分辨率。

這些穿透特性使太赫茲(zi) 成像對材料分析、工業(ye) 無損檢測和安全篩查具有吸引力。太赫茲(zi) 會(hui) 穿過織物和塑料，但會(hui) 被金屬強烈吸收，從(cong) 而在圖像中產(chan) 生對比度。它對生物醫學應用同樣有吸引力，因為(wei) 它能比可見光和紅外線更深入地穿透組織。由於(yu) 是非電離的，其能量比典型的成像X射線低約100萬(wan) 倍。因此，它對健康構成的風險很小，並且不太可能在成像過程中對生物樣品造成光損傷(shang) 。

目前，最成熟的太赫茲(zi) 成像方法是THz-TDS技術的擴展，其中樣品通過脈衝(chong) 激發點進行光柵掃描，逐個(ge) 像素構建二維圖像。這種方法提供了豐(feng) 富信息，但由於(yu) 圖像創建的逐步方法而受較長采集時間的影響，所以研發人員正在積極研究各種替代成像技術以利用連續波太赫茲(zi) 源，其中之一是連續波太赫茲(zi) 數字全息術。

在連續波太赫茲(zi) 全息術中，被物體(ti) 散射的太赫茲(zi) 波前（物體(ti) 光束）與(yu) 未與(yu) 物體(ti) 相互作用的相幹波前（參考光束）之間的幹涉圖案，通過陣列檢測器記錄（圖6）。幅度和相位信息在全息圖中編碼，使物體(ti) 的幅度和相移圖像能夠以數字方式重建，從(cong) 而揭示內(nei) 部結構的信息。由於(yu) 圖像形成過程依賴於(yu) 物體(ti) 和參考光束之間的相幹性，因此需要具有長相幹長度的光源，例如光泵浦分子激光器。

使用愛丁堡儀(yi) 器公司FIR-295太赫茲(zi) 分子激光器，作為(wei) 光源的視頻速率太赫茲(zi) 全息成像係統。使用該係統，研究人員能夠對隱藏在紙信封和聚乙烯袋中的金屬物體(ti) 進行成像，突出了太赫茲(zi) 全息在工業(ye) 質量控製和安全檢查中的巨大潛力。數字全息在各種生物醫學成像應用中的應用也在深入研究中。該技術能夠區分癌組織和健康組織，外科醫生可以使用它在癌組織手術切除之前確定腫瘤邊界。

持續改進

太赫茲(zi) 光譜和成像技術在過去10年取得了顯著進步。光泵浦分子太赫茲(zi) 激光器幫助推動了這一進展。太赫茲(zi) 源、探測器和信號處理的性能和可用性的持續改進，將為(wei) 這個(ge) 獨特的電磁頻譜區域的力量開辟出越來越多的工業(ye) 應用。