气体激光器

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在太赫兹频率范围内工作的气体激光器相对来说是一种比较陈旧的技术，在概念上也与在光谱可见光范围内工作的气体激光器很相似。用到的化学种类为分子气体，一般为CH3OH、NH3、CH2F2、CH3Cl和CH3I。这些分子具有永久的偶极矩，所以转动模式中的过渡就会和来自电偶极跃迁的电磁辐射直接藕合。这些过渡形成了活跃的激光跃迁。用大约10um的波长的二氧化碳激光器可以激发气体。来自这些激光器的功率量级可以变得非常高，超过100mW.然而，因为跃迁是由分子种类产生的，所以不能进行调谐，只能通过改变不同的离散线或者通过改变气体种类使其在另外一个固定的频率上工作。这些系统的另外一个缺点是体积以及它们工作所需要的功率。

 

微波频率倍频器

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高达100Hz的微波源是个相对比较成熟的技术。如今人们对它拥有浓厚的兴趣的原因是它在通信及军事硬件方面的应用。较高频率的微波源通常以甘恩二极管和雪崩二极管为基础。这些来源均为紧凑的和固态的，可在室温下工作。近几年来，由于倍频器的应用，这些来源的范围拓宽不少，倍频器通常也是以肖特基二极管为基础，肖特基二极管对电磁波相应是非线性的，这与在光学非线性介质中四类似的。肖特基二极管对入射波会产生谐波分量，并且输出通过合适的波导藕合，这些谐波就会被收集起来。运用一系列的几个倍频器去产生更高的频率也是有可能的。来自这些设备的可用功率仍然很低，然而，功率会随着频率下降。

 

回波振荡器

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回波振荡器以真空管中电子的运动为基础，回波这个名字来源以下事实，电子束和电磁波朝相反方向运动。真空管的一台是加热后可释放电子的阴极，电子经过直流静电场的加速，流向另一头的阳极。沿着这条路径，磁场被用作校准电子束。沿着真空管的是一个被人们所知的梳式慢波结构的金属光栅。这种周期性结构会导致电子束的空间调制，电子会被分成几束。成束的电子在金属光栅表面激发波。若电子的速度就与电子速度成比例，从而与直流偏置成比例。太赫兹电磁波从波导中被藕合而出。来自回波振荡器频率低于300GHz的可用功率在100s的毫瓦范围内，然而，超过此频率的可用功率快速衰减，并且频率超过1THz，回波振荡器实际上很少用。尽管如此，这样的回波振荡器被用来在500~700GHz的范围内成像，尽管在这样的范围内可得到大约15mWd的功率。

 

自由电子激光器

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在许多方法中，自由电子激光器都是首要的太赫兹源：高功率，可进行宽广及连续的调谐，并且具有相干性。唯一的也是最严重的缺陷时这些系统的大小和成本，这限制了它们应用于大的设备爱。忽略它们的复杂性，自由电子激光器的操作规则还是相对比较简单的，一束电子注入一个区域，该区域中的磁场随着距离周期性变化，周期的磁体阵列作为摇摆器被人们熟知。由于电子正弦曲线式的运动，摇摆器会产生相干单色电磁辐射。产生的辐射会与电子束工线的光学谐振产生谐振。因此自由电子激光器和传统激光器类似，正弦曲线运动的电子替代了增益区，对光束的完整分析应当包含相对论效应，因为电子运动的速度接近光束。

 

前面已经提到过，自由电子激光器应用局限大于大型设备。P型锗激光器是太赫兹辐射的固态电子激发源，该源可以发射1~4.5HTz的辐射，产生的功率很大，在脉冲工作模式下可达到5W。然而这些源也存在缺陷，比如频谱纯度，对强磁场和操作温度的要求，最大操作温度大约为40K，由于入射功率很大，所以也要求几瓦的冷却功率。对低温的要求是由于设备产生粒子数反转的原理，这需要发射L0声子。由于对温度的敏感性，这些设备只能在低占空比的情况下工作。

 

激光通常掺杂了铍的锗放置在磁场中，也将空穴状态分成离散的朗道能级。电场垂直于磁场，电场在重空穴带加速空穴，空穴将使色散曲线向上移动。当重空穴能量比LO身子能量更强，它自然就会产生LO声子，一些空穴会在具有相对长寿命的量化光空穴状态和远离布里林区域中心的重空穴状态间建立起来。通过改变样本中磁场和电场，激光器发射的频率就可以进行调谐了。

 

量子级联激光器

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量子级联激光器主要依靠半导体异质结构的导带中的电子传输。量子级联激光器的能带结构变化幅度很宽，然而任何量子级联激光器的基本特性都可用简化图表示。此图用外部偏置描绘了设备的导带，次结构中有两种材料，两种材料之间的导带偏移量提供了阱和垫垒，此结构由几个周期组成，每个周期都有相同序列的阱和垫垒。每个周期都存在两种状态，两者之间就会产生激光跃迁。这种原理就意味着一个电子在每个周期都会产生光跃迁，量子级联激光器由此得名。图中另一个标记的是注入器，它是电子态的集合，收集从激光下能级的电子，然后将电子注入到较高能级。实际上，这片区域会存在一些阱和垫垒从而允许许多中电子太存在。

 

量子级联激光器方案中一个最重要的特征是发射波长只由由源区的设计而决定，而不是像带隙二极管激光器那样由材料的带隙决定。尽管第一个太赫兹量子级联激光器是在4.4THz条件下展示的，但是也有报道称这些设备可以在宽频率范围内工作，最低频率可低至1.3THz。在磁场的帮助下，最低频率为830GHz。温度性能也显示了显著的提升，在最高可达50K的工作温度下运行。50K温度是在原脉冲模式中获得；连续波操作补救后也得到实现，如今太赫兹量子级激光器的最高工作温度为186K，当磁场很强时最高工作温度可达225K，太赫兹量子级联激光器的峰值功率基本在即使毫瓦，并可超过100mW.

来源：嘉峪检测网

关键词： 激光器