太赫兹波（Terahertz Wave---THz wave），是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波（1THz=1012Hz），其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间（30μm-3mm），是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域。太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研究开发的电磁辐射区域。由于物质在THz波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且THz波辐射源与传统光源相比，具有低能性、高穿透性等特性，因此它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。虽然早在上个世纪20年代就有人对太赫兹辐射产生了浓厚的科学兴趣，但其产生和探测技术与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落后，这就成为限制现代太赫兹技术发展的最主要因素之一。因此，研制出性能优良的THz波辐射源，尤其是具有体积小、结构紧凑、低造价、单色性好、连续可调谐且能在室温下稳定运转的THz波辐射源，并能将其方便、灵活地运用于科研工作和实际生活中，已经成为21世纪科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。
目前，产生太赫兹波辐射的方法很多，而利用非线性光学方法产生连续可调谐、相干窄带太赫兹波辐射的方法凭借其独特的优点，逐渐为科研工作者所青睐。基于受激电磁耦子散射过程的太赫兹波参量振荡器，是一种性能优良的太赫兹波辐射源，可以产生具有高相干性、连续可调谐、单色性好的太赫兹波。与利用非线性差频方法产生太赫兹波辐射相比，它只需一个固定波长的泵浦源和一块价格相对低廉的非线性晶体（如LiNbO3晶体），并且非线性转换效率相对较高，频率调谐简单迅速，实验设备更为简单、结构更为紧凑、成本低，因此近十几年来倍受人们所瞩目，逐渐成为国际上研究的热点。目前，众多国内外科研工作者分别对基于LiNbO3晶体及其掺杂晶体MgO: LiNbO3晶体组成的太赫兹波参量振荡器，进行了详细而大量的创新性研究工作，实现了1-3 THz的调谐范围，峰值功率达到百毫瓦量级，并利用它们作为辐射源成功进行了很多的应用性研究，充分证明了太赫兹波参量振荡器是一种性能优良、实用性很强的太赫兹波波辐射源。
目前，TPO通常采用角度调谐技术来实现THz波的频率调谐，即通过在一个很小角度范围内连续转动放置TPO谐振腔的旋转平台，以改变入射泵浦光与TPO谐振腔腔轴夹角的方法，来实现THz波的连续调谐输出，而谐振腔通常采用平面镜组成的直腔型结构。在此调谐过程中，泵浦光、振荡的Stokes光以及THz波满足非共线相位匹配过程。这种方法具有简单、迅速、直观等优点，但也具有明显的缺点：首先，为了获得高频THz波辐射而增大相位匹配角时，三波有效互作用长度将变小，从而提高了振荡阈值，降低了输出功率；其次，虽然通过减小泵浦光与TPO腔轴的夹角可获得低频THz波，但较小的夹角会造成泵浦光和产生的Stokes光在有限腔长距离内空间分布过于紧密，不仅不利于朝THz低频方向调谐，而且增大了从TPO输出镜反射至THz波硅耦合棱镜上的泵浦光的可能性，这样会在硅耦合棱镜上激发产生大量的自由电子，从而严重影响THz波的有效耦合输出；第三，借助机械方式改变泵浦光的入射角度，使得这种技术的调谐精度仍有待提高。
在姚建铨院士和刘劲松教授的带领下，武汉光电国家实验室（筹）太赫兹光电子学研究团队目前致力于相干太赫兹波辐射源产生、探测、传输及与此相关的各种基础性和应用性等方面的研究。其团队骨干成员博士后孙博博士近五年来一直从事太赫兹波参量振荡器TPO，以及利用非线性光学差频方法产生THz波的研究工作，尤其是在角度调谐TPO技术方面进行了大量而富有成效的理论和实验工作。在此工作基础上，从理论上提出了一种通过连续改变泵浦光波长来实现TPO调谐输出的技术，称之为泵浦波长调谐技术。该调谐技术基本原理为：当泵浦光与振荡的Stokes光之间的相位匹配角为某一固定值时，由于不同波长的泵浦光在非线性晶体中的折射率大小不同，从而会导致三波互作用的非共线相位匹配条件发生改变，此时三波的相位匹配曲线与晶格振动模的电磁耦子色散曲线的相对关系亦将发生变化。因此，当泵浦光与TPO谐振腔腔轴的夹角保持为某一固定值时，只需改变入射泵浦光的波长就可产生连续可调谐的THz波辐射。由于泵浦光波长的连续变化可导致三波相位匹配条件连续变化，因此相对角度调谐技术而言，波长调谐技术的最大优点是调谐精度高。如果将该频率调谐技术与角度调谐技术结合，则可大大扩展TPO的THz波频率调谐范围，并有望达到远小于1THz的低频区域，这是单独使用角度调谐技术所难以达到的。此项研究的前期成果已发表在OPTICS EXPRESS，2008，16（25），20817。目前，团队正在从事相关的具体实验工作，旨在进一步挖掘TPO这种体积小、结构紧凑、连续可调谐的全固态THz波相干辐射源应用潜力，使其能充分应用于医学诊断、精细光谱分析、生物医学成像等研究领域中去。
该项目得到了武汉光电国家实验室（筹）创新基金的支持。
(责任编辑：姚远)
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