来源：环球创新智慧

    背景

    太赫兹波，是指频率范围在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、安全性高、定向性好、带宽大、时间与空间分辨率高等技术优势。

（图片来源：维基百科）

    如今，太赫兹波正在科技领域中变得越来越重要，它使我们能够厘清未来材料的特性，测试汽车涂料与屏幕封套的质量。

用太赫兹技术对一本合上的书中的书页内容进行成像（图片来源：Barmak Heshmat）

    然而，对于科学家来说，生成太赫兹波仍然是一个巨大的挑战。

    创新

    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组成的一支团队在这方面取得了显著进展。他们开发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，从而可同时提供许多不同的太赫兹频率。

（图片来源：HZDR / Juniks）

    正如团队在《光：科学与应用（Light: Science & Applications）》杂志上所报告的，因为可采用半导体产业中已使用的方法来生产这种元件，所以这项研究成果有望广泛应用于科研与技术。

    技术

    就像光一样，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。虽然微波和红外线辐射很早就已进入我们的日常生活，但是太赫兹波只是刚刚开始被使用。原因就是，自21世纪开始，专家们一直仅能构造出可被合理接收的太赫兹波源。但是这些发射机仍不完美，相对较大较贵，而且发出的辐射并不是总具有我们所期望的特性。

    一个公认的生成太赫兹波的方法就是基于砷化镓晶体。如果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。施加电压可以加速这些电荷的运动，从而生成太赫兹波，这种机制基本上与甚高频（VHF）发射机天线塔的机制相同，这些天线塔中运动的电荷产生了无线电波。

    可是，这种方法有着许多缺点。HZDR 物理学家 Harald Schneider 解释道道：“它只能通过相对较贵的特殊激光器来操控，不能通过我们在光纤通信中使用的激光器来操控。”另一个缺点是，砷化镓晶体只能发出相对窄带的太赫兹脉冲，其频率范围有限，从而大大限制了应用范围。

    这就是为什么 Schneider 及其团队要把赌注压在另外一种材料：半导体锗上。Schneider 表示：“有了锗，我们就能使用较便宜的激光器即所谓的光纤激光器。此外，锗晶体非常透明，从而可促进超宽带脉冲的发射。”但是，到目前为止，他们一直都有一个问题：如果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失。只有在这之后，晶体才能吸收下一个激光脉冲。然而，如今的激光器能以几十纳秒的间隔发射脉冲，这种发射速度对于锗来说太快了。

    为了克服这个困难，专家们想办法使得锗中的电荷消失得更快。他们在一种著名的贵金属：金中找到了答案。Schneider 的同事 Abhishek Singh 博士解释道：“我们使用了一款离子加速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摄氏度的条件下加热晶体几个小时。热处理保证了金原子在锗晶体中均匀分布。

    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到处移动达几微秒，而是在两纳秒内又一次消失了，比之前的速度快千倍。形象地说，金就像陷阱，有助于捕捉以及中和电荷。Singh 很高兴地报告：“现在，锗晶体能被激光脉冲以很高的重复率轰击，并且仍然正常工作。”

    价值

    这种新方法使太赫兹脉冲的带宽提升至很宽，不再是采用公认的砷化镓技术时的7太赫兹，而是它的10倍（70太赫兹）。Harald Schneider 激动地说：“我们一举获得了一种宽带、连续、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。”另一个好处就是，锗元件可以用微芯片所用的同样技术来有效处理。Schneider 表示：“不同于砷化镓，锗是硅兼容的。因为这种新型元件能与标准的光纤激光器一起运行，所以你可以使这项技术变得相当紧凑和便宜。”

    这将使得金掺杂的锗变成一项有意思的选择，不仅可应用于科学领域例如详细分析石墨烯等创新型二维材料，而且也可以应用于医学和环境技术。例如，我们可以想象，用传感器通过太赫兹频谱追踪大气中特定的气体。可是，现今的太赫兹波源还是太贵了。亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心开发的这种新方法未来将使得制造这种环境传感器变得便宜得多。

    关键字

    传感器、太赫兹、激光

    参考资料

    【1】Abhishek Singh, Alexej Pashkin, Stephan Winnerl, Malte Welsch, Cornelius Beckh, Philipp Sulzer, Alfred Leitenstorfer, Manfred Helm, Harald Schneider. Up to 70 THz bandwidth from an implanted Ge photoconductive antenna excited by a femtosecond Er:fibre laser. Light: Science & Applications, 2020; 9 (1) DOI: 10.1038/s41377-020-0265-4