การผสมแสง (Photomixing)เป็นกระบวนการที่ใช้ลำแสงเลเซอร์สองลำที่มีความถี่แสงแตกต่างกันเล็กน้อย เพื่อสร้างรังสีที่มีความถี่ต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับกระบวนการและวิธีการผสมแสง ความถี่ของรังสีที่ผลิตได้ด้วยวิธีนี้อาจแตกต่างกันไปตั้งแต่ใกล้ DC ไปจนถึงหลาย THz ข้อดีของเทคนิคนี้คือความสามารถในการผลิตรังสีที่มีความบริสุทธิ์ทางสเปกตรัมสูงในช่วงความถี่ที่กว้างมาก ข้อเสียคือระดับพลังงานโดยทั่วไปต่ำกว่า 10 ⁻⁸วัตต์

การผสมแสงคือการสร้างรังสีคลื่นต่อเนื่องผ่านกระบวนการที่เลเซอร์สองตัวที่มีความถี่ต่างกันและมีโพลาไรเซชันที่ตรงกันส่องสว่างไปยังตัวผสมแสง^{[ 1 ]}สนามไฟฟ้าทั้งหมดของลำแสงกระตุ้นในวัสดุผสมแสงสามารถเขียนได้ดังนี้:

${\displaystyle E(t)=\sum _{i=1}^{2}A_{i}\cos \!{\big (}\omega _{i}t+\phi _{i}{\big )}\,{\hat {e}}_{i}}$

โดยที่คือความถี่เชิงมุมของลำแสงเลเซอร์แอมพลิจูด เวกเตอร์หน่วยตามทิศทางการโพลาไรซ์ของลำแสงเลเซอร์และความแตกต่างของเฟสระหว่างลำแสงทั้งสอง ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ การผสมแสงสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านกระบวนการที่แตกต่างกันสองแบบ: กระบวนการทางแสงแบบไม่เชิงเส้นที่ลำแสงเลเซอร์สร้างรังสีที่ความถี่ต่างกัน^{[ 2 ] [ 3 ]}หรือกระบวนการทางแสงแบบเชิงเส้นที่ลำแสงเลเซอร์ปรับเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าของเสาอากาศที่รวมอยู่ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์^{[ 4 ]}${\displaystyle \omega _{i}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle A_{i}}$${\displaystyle {\hat {e}}_{i}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle \phi _{i}}$

กระบวนการทางแสงแบบไม่เชิงเส้นในผลึกไดอิเล็กทริกแบบไม่เชิงเส้น การผสมแสงเป็นกระบวนการไม่เชิงเส้นอันดับสองที่สร้างสนามไม่เชิงเส้น

${\displaystyle P^{(2)}(t)={\boldsymbol {\chi }}^{(2)}:E(t)E(t)}$

โดยที่เป็นเทนเซอร์การแปลง และ “:” หมายถึงผลคูณเทนเซอร์ การสร้างรังสีโดยกระบวนการที่ไม่เป็นเชิงเส้นเป็นผลมาจากเทอมการเต้น (ความแตกต่างของความถี่) ^{[ 2 ]}${\displaystyle {\boldsymbol {\chi }}^{(2)}}$${\displaystyle \Delta \omega =\left|\omega _{1}-\omega _{2}\right|}$

เมื่อลำแสงเลเซอร์ทั้งสองและรังสีที่เกิดขึ้นแพร่กระจายในผลึก ความเข้มของรังสีที่เกิดขึ้นคือ: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle I(\Omega )\propto I_{1}I_{2}\,n(\Omega )\,d_{\mathrm {eff} }^{\,2}\,{\frac {\sin ^{2}(\Delta k\,z/2)}{(\Delta k/2)^{2}}}}$

โดยที่คือความถี่เชิงมุมที่เกิดขึ้นคือความเข้มของลำแสงเลเซอร์ 1 และ 2 ตามลำดับ คือ ดัชนีหักเหของผลึกที่คือระยะการแพร่กระจายคือสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิภาพ (ฟังก์ชันของสัมประสิทธิ์เทนเซอร์ไม่เชิงเส้นและมุมโพลาไรเซชัน) และคือความไม่ตรงกันของเวกเตอร์คลื่น เมื่อรังสีที่เกิดขึ้น ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งในผลึกอยู่ในเฟสเดียวกันและเสริมกัน ในกรณีที่เฟสไม่ตรงกัน ( ) สัญญาณจะอ่อนลงหรือเป็นศูนย์และแปรผันเป็นคาบตามถ้าลำแสงเลเซอร์สองลำที่ความถี่และอยู่ในแนวเดียวกัน รังสีที่เกิดขึ้นจะแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวกัน และเงื่อนไขการจับคู่เฟสสามารถแสดงได้ง่ายๆ ดังนี้: ${\displaystyle \Omega =\Delta \omega }$${\displaystyle I_{1,2}}$${\displaystyle n(\Omega )}$${\displaystyle \Omega }$${\displaystyle z}$${\displaystyle d_{\mathrm {eff} }}$${\displaystyle \chi _{ijk}^{(2)}}$${\displaystyle \Delta k}$${\displaystyle \Delta k=0}$${\displaystyle \Delta k\neq 0}$${\displaystyle z}$${\displaystyle \omega _{1}}$${\displaystyle \omega _{2}}$

${\displaystyle k(\omega _{1})-k(\omega _{2})-k(\Omega )=0}$[ ^{5 ]​}

โดยทั่วไป ประสิทธิภาพของการผสมแสงแบบไม่เชิงเส้นในผลึกไดอิเล็กทริกค่อนข้างอ่อนแอ เนื่องจากความไวต่อความไม่เชิงเส้นมีขนาดเล็ก และเนื่องจากการอนุรักษ์พลังงานในความสัมพันธ์ปฏิสัมพันธ์ของโฟตอน (Manley–Rowe): ^{[ 2 ]}

${\displaystyle {\frac {\Delta P_{\mathrm {THz} }}{\Delta P_{\mathrm {pump} }}}={\frac {\hbar \Omega }{\hbar \omega }}\ll 1}$

นี่คือการลดลงของกำลังลำแสงปั๊มเนื่องจากกระบวนการไม่เชิงเส้น ในขณะที่คือการเพิ่มขึ้นของกำลัง THz เนื่องจากประสิทธิภาพของโฟตอน (ควอนตัม) คือ ${\displaystyle \Delta P_{\mathrm {pump} }}$${\displaystyle \Delta P_{\mathrm {THz} }}$${\displaystyle \Omega \ll \omega }$

${\displaystyle \eta \approx {\frac {\Omega }{\omega }}}$

และด้วยเหตุนี้จึงมีขนาดเล็กที่อัตราส่วนความถี่แสงต่อเทราเฮิรตซ์ เมื่อเลเซอร์ทำงานในช่วงที่มองเห็นได้จะมีค่าประมาณและประสิทธิภาพการแปลงโดยรวมจะต่ำ (เช่นเมื่อปั๊ม GaP ที่ประมาณ 1 µm) ^{[ 6 ]}${\displaystyle \eta }$${\displaystyle 10^{-3}}$${\displaystyle 0.5\times 10^{-9}\ \mathrm {W} ^{-1}}$

กระบวนการทางแสงเชิงเส้นในอดีต โฟโตมิกเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ถูกสร้างขึ้นจากแกลเลียมอาร์เซไนด์ ที่ปลูกที่อุณหภูมิต่ำ (LTG-GaAs) ลำแสงเลเซอร์คู่ส่องสว่างตรงกลางของเสาอากาศที่เคลือบลงบนเซมิคอนดักเตอร์ การส่องสว่างด้วยรังสีแสงที่มีพลังงานโฟตอนมากกว่าช่องว่างแถบพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ (และอยู่ในช่วงการดูดซับ) จะสร้างประชากรโฟโตแคริเออร์อิสระ สำหรับ LTG-GaAs ความยาวคลื่นทั่วไปจะสั้นกว่า 850 นาโนเมตร หากอายุของโฟโตแคริเออร์สั้นกว่าคาบของผลิตภัณฑ์การผสม ความหนาแน่นของโฟโตจะแปรผันตามความถี่บีตทางแสง แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับโครงสร้างเสาอากาศจะเร่งแคริเออร์ผ่านเสาอากาศและสร้างคลื่นแผ่รังสีที่ความถี่ต่างของเลเซอร์ทั้งสอง^{[ 4 ]}กำลังที่แผ่รังสี (โหลด) จากเสาอากาศสามารถเขียนได้ดังนี้: ^{[ 7 ]}${\displaystyle \tau }$

${\displaystyle P_{\mathrm {THz} }\propto {\frac {R_{L}}{1+\omega ^{2}C^{2}\tau ^{2}}}\,\eta \,P_{\mathrm {opt} }}$

โดยที่คือความต้านทานโหลดคือความจุช่องว่างเสาอากาศคืออายุการใช้งานของโฟโตแคริเออร์คือกำลังของเลเซอร์ปั๊ม และคือประสิทธิภาพการแปลงแสง/ไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์ดังกล่าวแสดงการแผ่รังสี สเปกตรัมที่กว้าง โดยมีค่าสูงสุดประมาณ 0.8–1 THz ซึ่งกระจายไปจนถึง ~3 THz โดยทั่วไป จะส่งกำลังประมาณ ~1 µW ที่ประมาณ 1 THz อุปกรณ์เหล่านี้ใช้เป็นออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ปรับได้และแหล่งกำเนิดการกวาด THz แบบบรอดแบนด์ในการใช้งานสเปกโทรสโกปี^{[ 8 ]}โดยทั่วไป ไบแอสของโฟโตมิกเซอร์จะถูกปรับเปลี่ยนเพื่อให้สามารถใช้เทคนิคการตรวจจับแบบล็อคอินได้^{[ 9 ]}${\displaystyle R_{L}}$${\displaystyle C}$${\displaystyle \tau }$${\displaystyle P_{\mathrm {opt} }}$${\displaystyle \eta }$

เนื่องจากมีส่วนประกอบจำนวนมาก (และต้นทุนต่ำ) สำหรับการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง จึงมีการดำเนินการวิจัยอย่างมากเพื่อพัฒนาวัสดุผสมแสงที่ทำงานที่ความยาวคลื่นประมาณ 1550 นาโนเมตร ตัวอย่างเช่น โฟโตมิกเซอร์ LTG-InGaAs/InAlAs แสดงประสิทธิภาพที่คล้ายคลึงกันกับ LTG-GaAs ที่ 850 นาโนเมตร เช่นเดียวกับอุปกรณ์ที่ใช้เออร์เบียม แม้ว่าอุปกรณ์ที่สร้างจากวัสดุเหล่านี้อาจมีความทนทานน้อยกว่าอุปกรณ์ LTG-GaAs ก็ตาม^{[ 10 ]}

การสร้างรังสีผ่านการส่องสว่างที่ 1550 นาโนเมตรสามารถทำได้โดยการผสมในไดโอด PIN หรือไดโอดตัวนำพาเดียว (UTC) ^{[ 11 ]}ในไดโอด UTC ตรงกันข้ามกับไดโอด PN หรือ PIN มีเพียงอิเล็กตรอนอิสระเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการตอบสนองทางไฟฟ้าจากแสง^{[ 12 ]} ดังนั้น ไดโอด UTC จึงแสดงเวลาตอบสนองที่รวดเร็วมากและสามารถใช้สำหรับการผสมแสง THz ได้ ด้วยการรวบรวมอิเล็กตรอนจากแสงที่มีประสิทธิภาพและความคล่องตัวที่รวดเร็วในสารกึ่งตัวนำ InP/InGaAs ทำให้ Ito และคณะสามารถผลิตพลังงานได้ 80 µW ที่ 0.3 THz (2.6 µW ที่ 1 THz) ^{[ 11 ]}

แหล่งกำเนิดการผสมแสงสามารถนำไปใช้เป็นพื้นฐานของเครื่องสเปกโทรเมตรเลเซอร์ซึ่งสามารถใช้ตรวจสอบสัญญาณเทราเฮิรตซ์ของวัตถุต่างๆ เช่น ก๊าซ ของเหลว หรือวัสดุของแข็งได้

เครื่องมือนี้สามารถแบ่งออกเป็นหน่วยการทำงานดังต่อไปนี้:

• แหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่ให้สัญญาณบีตโน้ทระดับเทราเฮิรตซ์ในย่านความถี่แสง โดยทั่วไปแล้วจะเป็นเลเซอร์อินฟราเรดใกล้สองตัว และอาจมีเครื่องขยายสัญญาณแสงเพิ่มเติมด้วย
• อุปกรณ์โฟโตมิกเซอร์จะแปลงสัญญาณบีทโน้ตให้เป็นรังสีเทราเฮิรตซ์ ซึ่งมักถูกปล่อยออกมาในอวกาศโดยเสาอากาศในตัว
• เส้นทางการแพร่กระจายของคลื่นเทราเฮิรตซ์ (THz) นั้น ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่เหมาะสม จะมีการใช้ส่วนประกอบการโฟกัสเพื่อปรับลำแสงเทราเฮิรตซ์ให้เป็นแนวขนานและอนุญาตให้ลำแสงผ่านตัวอย่างที่กำลังศึกษาได้
• เนื่องจากกำลังไฟฟ้าที่ใช้ค่อนข้างต่ำ อยู่ในระดับ 1 ไมโครวัตต์ จึงจำเป็นต้องใช้ตัวตรวจจับที่มีความไวสูงเพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่เหมาะสม โบโลมิเตอร์ซิลิคอนจึงเป็นทางเลือกสำหรับเครื่องมือที่ไม่สอดคล้องกัน หรืออีกทางเลือกหนึ่งคือสามารถใช้อุปกรณ์ผสมแสงตัวที่สองเป็นตัวตรวจจับ ซึ่งมีข้อดีคือช่วยให้สามารถตรวจจับแบบสอดคล้องกันได้

สามารถดูการทบทวนประวัติการผสมแสงได้ในFundamentals of THz Devices and Applicationsโดย Peytavit et al. ^{[ 13 ]} เหตุการณ์สำคัญบางประการในการพัฒนาการผสมแสงมีดังนี้:

• พ.ศ. 2498 – การสาธิตเชิงทดลองครั้งแรกโดย Forrester และคณะ^{[ 14 ]}เนื่องจากขาดแหล่งกำเนิดที่สอดคล้องกัน พวกเขาจึงใช้ส่วนประกอบ Zeeman สองส่วนของหลอดไฟปรอท ส่งผลให้ความถี่บีต 10 GHz ตรวจจับได้ด้วยหลอดโฟโตอิเล็กทริกซึ่งโฟโตแคโทด SbCs₃ ทำหน้าที่เป็นตัวผสม
• พ.ศ. 2505 – ไม่นานหลังจากสาธิตเลเซอร์ He–Ne ตัวแรก Javan และคณะได้ทำการผสมเลเซอร์ He–Ne แบบโหมดเดี่ยวสองตัว (5 MHz) บนโฟโตแคโทดของโฟโตมัลติพลายเออร์^{[ 15 ]}เป้าหมายของพวกเขาคือการศึกษาความกว้างสเปกตรัมของลำแสงเลเซอร์มากกว่าการผลิตไมโครเวฟ
• พ.ศ. 2505 – อินาบะและซีกแมนรายงานการใช้ โฟโตไดโอด PIN-junction เป็นครั้งแรกในฐานะตัวผสมแสง^{[ 16 ]}
• 1995 – ความก้าวหน้าครั้งสำคัญโดย Brown และคณะ ได้แสดงให้เห็นถึงการผสมแสงใน GaAs ที่ปลูกที่อุณหภูมิต่ำ (LTG-GaAs) ^{[ 17 ]}โดยใช้สวิตช์แสงแบบอิเล็กโทรดสลับฟันปลาบนเวเฟอร์ LTG-GaAs ที่กระตุ้นด้วยเลเซอร์ Ti:Al₂O₃ สองตัว (λ ≈ 0.8 µm) พวกเขาสร้างรังสี THz ได้ถึง 3.8 THz โดยผลิตพลังงาน 4 µW ที่ 300 GHz และ 1 µW ที่ 800 GHz ซึ่งเป็นไปได้ด้วยอายุการใช้งานของตัวพาประจุในระดับซับพิโควินาที ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง (~150 cm² ^/ V·s) และการแตกตัวของสนามไฟฟ้าสูง (~300 kV/cm) ^{[ 18 ]}
• 2003 – Ito และคณะ บรรลุผลลัพธ์ประมาณ 80 µW ที่ 300 GHz และ 2.6 µW ที่ 1 THz โดยใช้โฟโตไดโอดแบบ uni-traveling-carrier (UTC-PD) ที่ใช้ InP ^{[ 19 ]}

ด้วยการพัฒนาเหล่านี้ และความก้าวหน้าในด้านความเสถียรของเลเซอร์และการออกแบบเสาอากาศ THz ทำให้ปัจจุบันมีเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ THz แบบโดเมนความถี่เชิงพาณิชย์ที่ใช้การผสมแสงจากผู้ผลิตหลายราย^{[ 20 ] [ 21 ]}