1.2　强场THz波

虽然THz技术已在航空航天、通信雷达、安全检查、生物医疗等领域展现出重要应用价值，但要想真正将THz技术成功应用于上述领域，使其发挥出不可替代的作用，关键在于进一步突破工作在THz频段的辐射源、探测器、功能器件所面临的技术难关，以及提高系统技术的性价比、能耗比、集成化水平等。强场THz波可用于研究工作在该频段的新材料、新器件，并实现新奇物态调控，激发出更多可能，加快THz相关技术的应用。

1.2.1　强场THz波的定义与特点

强场THz波一般定义为峰值电场强度处于或高于kV/cm量级，相应的磁感应强度处于或高于亚特斯拉量级的THz脉冲。强场THz波具有极强瞬态电场和磁场，可用于自由空间电子加速与调控，可直接激发电子或磁子实现关联效应、超导效应和磁效应等。图1-7展示了强场THz波的性质，THz波的光子能量在meV量级，具有极低热效应，其能量与量子材料内的多种能量尺度匹配，因此能够实现物相定向操控，还可用于研究非热生物学效应。THz光场能够实现模式选择的声子调控，通过声子调控这个新的途径来实现对电子性能的调控，从而获得声子诱导的非平衡量子物态，有望推动量子计算、量子传感和量子信息处理等领域的重大技术变革。因此，强场THz波可以作为一种独特的冷光源，为光与物质之间的相互作用开辟一片特殊的领域。

图1-7　强场THz波性质

1.2.2　强场THz波的应用

在凝聚态物理领域，许多强关联系统的固有声子和磁振子的振动频率处在THz频段。特定频率的强场THz波可以激发晶格共振，并诱导产生新的电子结构，发现新物理、新现象，获得新物态。强场THz波开辟了一个新的研究方向，称为光量子电子学，面向量子信息处理中的应用。强场THz波还可以调整分子取向，从而调节化学工程中的许多催化反应。强场THz波也被用来实现电子自旋翻转，实现自旋非线性控制，为未来的超快自旋电子器件研究奠定基础。

此外，强场THz波与扫描探针技术结合，可在扫描隧道显微镜尖端形成隧穿电流，突破THz波的衍射极限，为调控纳米级材料物态提供新工具。强场THz波还可以在多个维度加速、压缩和操纵电子束，为桌面式小型THz加速器和阿秒X射线源的制造提供了可能。目前，强场THz技术取得了许多进展，强场THz波已成为发现新物理、新现象以及进行前沿科学研究的有力工具。图1-8展示了强场THz波在凝聚态物理中的应用。

图1-8　强场THz波在凝聚态物理中的应用示意

更具体地，强场THz波和应用系统将为不同领域的创新研究提供前所未有的研究手段，本书最后两章将重点讨论各应用专题实例，包括半导体材料、电子加速与操控等。