太赫兹光谱区域介于微波和红外线范围之间，是电磁光谱中最有前途的区域之一。然而，该区域的电磁光谱在目前的研究和工业应用方面，没有得到充分利用。另一方面，太赫兹频段的构成没有统一定义，但0.1THz-10THz（λ= 3mm-30mm）的频率范围是最广泛引用的。由于其在电磁频谱中的位置，太赫兹辐射具有独特的穿透特性，使其对包括医学、生物学、安全、天文学、制药、材料科学和物理学在内的广泛领域的光谱学和成像应用极具吸引力。

太赫兹源

天文物体本身就是太赫兹源，太赫兹光谱和成像应用需要太赫兹辐射源。太赫兹源可分为两种主要类型：超短脉冲和连续波。超短脉冲太赫兹源是太赫兹时域光谱（THz-TDS）的基础，其中用飞秒激光器产生的太赫兹辐射超短脉冲探测材料。超短脉冲产生太赫兹频率的宽带宽，可在太赫兹时域光谱中实现快速采集时间，但低频分辨率限制了其在光谱应用中的实用性。对于需要高频分辨率或单个明确定义频率的太赫兹激发应用，则需要连续波太赫兹源。

目前，商业上有多种连续波太赫兹源产品，包括差频发生器、后向波振荡器、微波倍频器、量子级联激光器和光泵分子激光器。后向波振荡器和倍频器是微波型振荡器技术在太赫兹区域的延伸应用，它们可以提供高功率但无法实现高于1THz的频率。差频发生器使用两个频率偏移的红外激光器以激光器的差频产生太赫兹辐射，从而产生高度可调的太赫兹源，但功率在微瓦范围内。

长期以来，量子级联激光器一直有望作为太赫兹光源，但目前需要深低温冷却才能在太赫兹区域进行连续波操作，部分原因是高温下的散射。它们仅限于低毫瓦的功率，并且只能在1THz以上操作。
这些源中的每一个都是太赫兹应用的理想选择，但总的来说，它们要么功率低，要么频率范围有限。对于需要在太赫兹范围内以离散频率提供高功率的应用，光泵浦太赫兹分子激光器是理想的光源。

太赫兹分子激光器

1970年，Tao-Yuan Chang和Thomas J. Bridges在贝尔实验室首次展示了光泵浦太赫兹分子激光器。此后，这种激光器经过优化和改进可在广泛的频率范围内传输高功率、相干太赫兹辐射，是世界各地太赫兹研究实验室的必备。该激光器在科学界有多个名称，最常见的是光泵浦远红外激光器，也被称为光泵浦太赫兹激光器、太赫兹气体激光器和太赫兹分子激光器。

在光泵浦太赫兹分子激光器中，泵浦激光器用于将极性分子的蒸汽光激发到更高的能级，从那里它们随着太赫兹辐射的发射而发散。泵浦激光器可以采用多种形式，最常见的布置是 CO2红外激光器，其输出耦合到太赫兹分子激光器中。耦合可以是外部的，例如在光学平台上，泵浦激光器和太赫兹激光器是独立的实体；耦合也可以是内部的，泵浦激光器和太赫兹激光器包含在一个单元中。

激光器的主要部件和工作原理如图2所示。原理图基于爱丁堡仪器公司的FIRL-100，其中CO2泵浦和太赫兹分子激光器被集成到一个能够输出红外辐射（9μm-11μm，或27 THz-33THz）和太赫兹辐射（40μm-1.22mm，或0.25THz-7 THz）的光学谐振器中。

第一阶段：CO2 红外泵浦激光器

该过程从CO2泵浦激光器开始，该激光器由衍射光栅和部分反射的ZnSe输出耦合镜之间形成的光学谐振器组成。硒化锌（ZnSe）反射镜安装在压电换能器上，以实现对谐振器长度的精细控制。增益部件是一个高压气体放电管，位于光栅和反射镜之间。

为了实现激光发射，CO2 /N2 /He气体混合物流过放电管，N2分子通过与放电产生的电子碰撞而被提升到振动激发态。N2激发态的能量接近于CO2分子的0001振动激发态，并且0001态的布居通过共振能量转移进行。现在，在CO2的0001和较低的0200和1000振动状态之间存在种群倒置，促进受激发射和激光在它们之间发生（图 3）。

振动跃迁分为两个波段，分别是10μm和9μm。每个波段内都有多种可能的振动旋转激光跃迁，具有各种发射波长。通过改变衍射光栅的角度（进行粗调）和通过压电镜的光学谐振腔的长度（微调），可以使所需的过渡进入共振——在9µm-11µm之间可选择约80个激光过渡（27THz-33THz）。

第二阶段：太赫兹分子激光

为了产生太赫兹辐射，泵浦激光器输出的激光向下聚焦并耦合到密封的太赫兹谐振器中。该设置包括一个ZnSe输入布鲁斯特（Brewster）窗口，它在谐振器的一端形成真空密封，一个输入耦合镜和一个二向色输出耦合器，可以在反射红外泵浦光束的同时提取太赫兹发射。

抽真空后的谐振器充满具有永久偶极矩的小分子的低压蒸汽，这意味着分子内的两个或多个原子具有非常不同的负电性。CO2光泵浦激光将分子激发到振动激发态（图4），在振动激发态内的旋转状态J之间产生粒子数反转，可以进行受激辐射和激光发射。旋转状态之间的跃迁比CO2激光器中涉及的振动跃迁的能量低得多，落在0.2THz-8THz范围内。调整泵浦激光器的输出频率以激发分子所需的振动旋转跃迁，调整太赫兹谐振腔长度以选择共振的旋转跃迁，从而选择激光器的输出频率。

分子的选择

多种激光活性分子可用于产生太赫兹辐射。通常，分子应该具有永久偶极矩，能够形成蒸汽，并具有可以吸收泵浦激光频率的振动跃迁。轻质多原子分子（例如CH3F、CH2F2和CH3OH）满足了这些要求，并且在0.2THz-8THz频率范围内识别出超过1000条激光线，其中少数如图5所示。CH3OH（甲醇）蒸气的 2.52THz 跃迁在太赫兹光谱和成像研究中尤为常见，使用这种跃迁可以轻松实现>100mW的输出功率。

太赫兹成像

太赫兹分子激光器在利用高功率、稳定性、明确定义的频率和长相干长度的应用中表现出色。学术研究和工业测试都非常感兴趣的一个应用领域是连续波太赫兹成像。由于太赫兹辐射位于电磁波谱的微波和红外线区域的边界，因此它与两者共享的特性使其对成像具有吸引力。

与红外辐射类似，太赫兹辐射可以引发材料内的能量跃迁，并用于通过其独特的光谱指纹以光谱方式识别各种材料和化学品。和微波一样，太赫兹辐射可以穿透许多非导电材料，例如塑料、衣服、砖石、半导体，穿透这些材料实现无损成像。同时，由于太赫兹辐射的波长较短，因此具有出色的空间分辨率。

这些穿透特性使太赫兹成像对材料分析、工业无损检测和安全筛查具有吸引力。太赫兹会穿过织物和塑料，但会被金属强烈吸收，从而在图像中产生对比度。它对生物医学应用同样有吸引力，因为它能比可见光和红外线更深入地穿透组织。由于是非电离的，其能量比典型的成像X射线低约100万倍。因此，它对健康构成的风险很小，并且不太可能在成像过程中对生物样品造成光损伤。

目前，最成熟的太赫兹成像方法是THz-TDS技术的扩展，其中样品通过脉冲激发点进行光栅扫描，逐个像素构建二维图像。这种方法提供了丰富信息，但由于图像创建的逐步方法而受较长采集时间的影响，所以研发人员正在积极研究各种替代成像技术以利用连续波太赫兹源，其中之一是连续波太赫兹数字全息术。

在连续波太赫兹全息术中，被物体散射的太赫兹波前（物体光束）与未与物体相互作用的相干波前（参考光束）之间的干涉图案，通过阵列检测器记录（图6）。幅度和相位信息在全息图中编码，使物体的幅度和相移图像能够以数字方式重建，从而揭示内部结构的信息。由于图像形成过程依赖于物体和参考光束之间的相干性，因此需要具有长相干长度的光源，例如光泵浦分子激光器。

使用爱丁堡仪器公司FIR-295太赫兹分子激光器，作为光源的视频速率太赫兹全息成像系统。使用该系统，研究人员能够对隐藏在纸信封和聚乙烯袋中的金属物体进行成像，突出了太赫兹全息在工业质量控制和安全检查中的巨大潜力。数字全息在各种生物医学成像应用中的应用也在深入研究中。该技术能够区分癌组织和健康组织，外科医生可以使用它在癌组织手术切除之前确定肿瘤边界。

持续改进

太赫兹光谱和成像技术在过去10年取得了显著进步。光泵浦分子太赫兹激光器帮助推动了这一进展。太赫兹源、探测器和信号处理的性能和可用性的持续改进，将为这个独特的电磁频谱区域的力量开辟出越来越多的工业应用。