太赫茲技術(shù)及應(yīng)用

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1、光學(xué)前沿------THz科學(xué)技術(shù)及應(yīng)用山西大同大學(xué)物電學(xué)院鄧富勝2010.6(三)THz波的產(chǎn)生與探測(四)THz波的應(yīng)用(一)什么是THz波？(二)THz波的主要特征內(nèi)容概要(一)什么是THz波?THz在電磁波譜中的位置THz輻射(Ｔ射線)通常指的是頻率在0.1THz～10THz(波長在3mｍ～30μｍ)之間的電磁波，其波段在微波和紅外光之間，屬于遠紅外波段，此波段是人們所剩的最后一個未被開發(fā)的波段。RadioMicrowaveT-raysInfraredUVX-raysFrequency(Hz)

2、10810910101011101210131014101510161017THz波具有波的特性:衍射和干涉T-ray塑料板上的單孔0120121THz1.5THz0120122THz012012cm0.5THz012012cmcmcm單孔衍射(f=1.8mm)楊氏干涉實驗T-ray雙縫干涉Time(ps)X(mm)1002001427空間相干0121.5THz012cm0.5THz012012cm2THz012012cm0120121THzcmT-射線的干涉圖樣(二)THz波的主要特征T-射線的幾個

3、主要特性（一）相干性THz技術(shù)的相干測量技術(shù)能夠直接測量電場振幅和相位，可以方便地提取樣品的折射率、吸收系數(shù).（二）低能性(4.1meV～1THz)X-射線~30kev相差7個數(shù)量級!!光學(xué)常數(shù)的提?。赫凵渎屎臀障禂?shù)f(w)位相L樣品厚度r(w)THz波的振幅n折射率c光速相對吸收系數(shù)ISample樣品信號的光強Ireference參考信號的光強返回（四）大多數(shù)極性分子如水分子，對THz輻射有強烈的吸收。（三）THz輻射對于很多非極性物質(zhì)，如電介質(zhì)材料及塑料、紙箱、布料等包裝材料有很強的穿透力,可用

4、來對已經(jīng)包裝的物品進行質(zhì)檢或者用于安全檢查。在THz成像技術(shù)中，可以利用對水的強烈吸收特性分辨生物組織的不同狀態(tài)，如對人體燒傷部位的損傷程度進行診斷，還可以進行產(chǎn)品質(zhì)量控制，如測量食品表面水分含量以確定其新鮮程度。THz成像(Hu&Nuss，1995)樹葉火腿肉新鮮2天后（五）瞬態(tài)性：THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級，通過電光取樣測量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。在小于3THz時信噪比高達104:1，遠遠高于傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，而且其穩(wěn)定性更好。（六）寬帶性：THz脈沖光源通常包含若干個周

5、期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz至幾十THz的范圍，便于在大的范圍里分析物質(zhì)的光譜性質(zhì)。T-射線的這些特性使得THz技術(shù)在很多方面可以成為傅立葉變換紅外光譜技術(shù)和X射線技術(shù)的互補技術(shù)。(三)THz波的產(chǎn)生與探測.太赫茲輻射源和探測器介紹輻射源:電光晶體(光整流)光電導(dǎo)天線(更高功率)Gunn振蕩器，冷等離子體等等。探測器:電光晶體(電光效應(yīng))熱輻射探測器(bolometer)光電導(dǎo)偶極天線(高靈敏度)等。常用的兩種產(chǎn)生方法：THz波的產(chǎn)生光電導(dǎo)天線的方法光整流的方法在光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料表面淀

6、積上金屬電極制成偶極天線結(jié)構(gòu)，金屬電極在這里的作用是對這些光電導(dǎo)半導(dǎo)體施加偏壓。當(dāng)超快激光打在兩電極之間的光電導(dǎo)材料上時，會在其表面瞬間（10-14s量級）產(chǎn)生大量的電子－空穴對。這些光生自由載流子會在外加偏置電場和內(nèi)建電場的作用下作加速運動，從而在光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料的表面形成瞬變的光電流。最終這種快速的、隨時間變化的電流會向外輻射出太赫茲脈沖。光電導(dǎo)天線的基本原理返回光整流是產(chǎn)生太赫茲脈沖的另一種機制，它是一種非線性效應(yīng)，是電光效應(yīng)的逆過程。超短激光脈沖入射到非線性介質(zhì)中，由差頻振蕩效應(yīng)會產(chǎn)生一個低頻

7、振蕩的時變電極化場。這個電極化場就可以輻射出太赫茲波來。這是因為所輻射出的電磁波的頻率上限與入射激光的脈寬有關(guān)，如果入射激光的脈寬在亞皮秒量級，則輻射出的電磁波的頻率上限就會在太赫茲量級，由此這種光整流效應(yīng)被稱作為亞皮秒光整流效應(yīng)，或太赫茲光整流效應(yīng)，光整流的基本原理THz波的探測常用的兩種方法：光導(dǎo)天線的方法電光取樣的方法光導(dǎo)天線的探測方法將一個未加偏置電壓的光導(dǎo)天線放置于太赫茲光路之中，用一束探測脈沖打到光電導(dǎo)介質(zhì)上，這時在介質(zhì)中能夠產(chǎn)生出電子-空穴對（自由載流子），而此時同步到達的太赫茲脈沖則作

8、為加在光導(dǎo)天線上的偏置電場，以此來驅(qū)動那些載流子運動，從而在光導(dǎo)天線中形成光電流。最后，用一個與光導(dǎo)天線相連的電流表來探測這個電流即可。其中，這個光電流與THz瞬時電場是成正比的。返回電光取樣的方法電光取樣測量技術(shù)基于線性電光效應(yīng)：當(dāng)太赫茲脈沖通過電光晶體時，它會發(fā)生瞬態(tài)雙折射，從而影響探測（取樣）脈沖在晶體中的傳播。當(dāng)探測脈沖和太赫茲脈沖同時通過電光晶體時，太赫茲脈沖電場會導(dǎo)致晶體的折射率發(fā)生各向異性的改變，致使探測脈沖的偏振態(tài)發(fā)生變化。調(diào)整探測脈沖和