综述：利用环形Airy光束诱导等离子体产生太赫兹（THz）波以及基于THz辐射增强荧光发射的远程探测技术

美国Rochester大学 | 张希成教授课题组

近日，《Frontiers of Optoelectronics》期刊发表了一篇美国罗切斯特大学(University of Rochester)光学中心张希成教授课题组撰写的有关太赫兹波远程产生和探测的综述文章。文章介绍了刘抗博士发明的宽带THz波的产生和探测技术，以及为克服太赫兹遥感技术面临的实际困难而发展起来的THz空气光子学技术。在此基础上，重点回顾了该课题组通过调控媒介——空气等离子体，提高THz远程产生和探测性能所做的理论和实验研究工作。文章所提及的工作不仅对等离子体与THz波的相互作用和THz空气光子学进行了深入讨论，也展示了将THz技术用于远程光谱测量的光明前景。

太赫兹波是指介于微波和红外线之间、频率在0.1-10THz范围内的电磁波，是电磁波谱中由电子学向光子学过渡的特殊区域。长期以来，由于缺乏产生和检测THz波的有效手段，人们对该波段电磁波知之甚少，因此该波段被称为电磁波谱上的“THz隙(THz Gap)”。人们对于THz波的研究兴趣不仅来源于填补THz隙的渴望，而更多的是源于THz波的特性。这些特性，例如对大多数介质材料透明、非破坏性和具有光谱指纹等，可能会带来广阔的应用前景。已有的研究表明：THz技术不仅可以应用于研究微观世界，同时还可以用于天文遥感、生物医学、公共安全、环境检测、化学分析、工业无损检测等宏观领域。

然而，THz技术的应用也面临着挑战，例如：THz波很难透过导体，使得THz技术不易检测带有金属屏蔽的物体；水等具有强极性的液体对于THz波有很强的吸收，阻碍了THz技术在生物医学领域的应用。随着近年来国土安全和环境测量领域对远程光谱测量技术的需求逐渐增加，大气中的水蒸气会强烈地吸收THz波对于THz遥感技术发展所造成的阻碍日益突出。用空气作为载体来发射或探测THz波的技术（THz空气光子学）为克服这一困难提供了一个非常新颖的思路和实际可行的解决方案。

该篇综述文章介绍了典型的宽带THz产生和探测技术，以及为克服太赫兹遥感技术实际困难而发展起来的各种THz空气光子学技术，总结了该课题组在通过调控媒介——空气等离子体提高THz远程产生和探测性能方面所做的理论和实验研究工作。空气等离子体产生THz波的过程与非线性自聚焦效应产生的等离子体通道密切相关，采用环形Airy光束自聚焦可以增强双色激光诱导等离子体产生THz波；空气等离子体也可以用于THz波的探测， THz辐射增强荧光发射（REEF）技术相向传输结构的可行性优于同相传输结构，且相对于其他技术方案，在远程探测方面具有很大的技术优势。

图1. THz远程产生和探测方案示意图。两束双色激光脉冲分别在待测物附近聚焦，形成一个等离子体发射器和一个等离子体探测器

图2. 环形Airy光束诱导等离子体产生THz波的实验装置图。SLM: spatial light modulator, OD: opaque disk, on a transparent glass slide, L: lens, PM: parabolic mirror, M: mirror.

图3. THz-REEF远程探测实验装置图. DWP: dual wave plate; OPM: off-axis parabolic mirror; PMT: photo multiplier tube detector

Kang LIU, Pingjie HUANG, Xi-Cheng ZHANG. Terahertz wave generation from ring-Airy beam induced plasmas and remote detection by terahertz-radiation-enhanced-emission-of-fluorescence: a review [J]. Frontiers of Optoelectronics, 2019, 12(2): 117 -147

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张希成教授：罗彻斯特大学光学研究所主任教授（Parker Givens Chair of Optics, The Institute of Optics, University of Rochester）。北京大学物理系77 届学生。1981年从北京大学物理系赴美留学 （CASPEA program），1986年年获美国布朗大学（Brown University）物理博士学位。1984年——1991年先后在麻省理工学院（MIT）、阿莫科研究中心（Amoco Research Center）和哥伦比亚大学（Columbia University）从事研究工作。1992年进入伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）任教， 主任教授 (Erik Jonsson Chair Professor of Science), 太赫兹研究中心主任,和代理系主任。2012年——2017罗彻斯特大学光学研究所所长。2012任莫斯科国立大学（Lomonosov Moscow State University）荣誉教授。张希成教授是AAAS, APS, IEEE, OSA, and SPIE Fellow。张教授是Optics Letters的主编（2014-2019）。累计在国内外期刊发表了论文300余篇、参与了20多本书及相关章节的编写工作、拥有29项美国专利。张希成教授从1988开始在THz成像和生物-医学应用，超快光子学、光电子学领域的研究.。张希成教授的H-Index = 87; 总文章引用次>31,000 (Google Scholar)。

Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部发起、高等教育出版社出版、德国施普林格（Springer）出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展，并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会，承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。