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(cè)(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(zhǎng)在3mｍ～30μｍ)之間的電磁波，其波段在微波和紅外光之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段，此波段是人們所剩的最后一個(gè)未被開(kāi)發(fā)的波段。RadioMicrowaveT-raysInfraredUVX-raysFrequency(Hz)10810910101011101210131014101510161017THz波

2、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(shí)驗(yàn)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(gè)主要特性（一）相干性THz技術(shù)的相干測(cè)量技術(shù)能夠直接測(cè)量電場(chǎng)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

3、相差7個(gè)數(shù)量級(jí)!!光學(xué)常數(shù)的提取：折射率和吸收系數(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(duì)吸收系數(shù)ISample樣品信號(hào)的光強(qiáng)Ireference參考信號(hào)的光強(qiáng)返回（四）大多數(shù)極性分子如水分子，對(duì)THz輻射有強(qiáng)烈的吸收。（三）THz輻射對(duì)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(qiáng)的穿透力,可用來(lái)對(duì)已經(jīng)包裝的物品進(jìn)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(duì)水的強(qiáng)烈吸收特性分辨生物組織的不同狀態(tài)，如對(duì)人體燒傷部位的損傷程度進(jìn)行診斷，還可以進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，如測(cè)量食品表面水分含量以確定其新鮮程度。THz成像(Hu&Nuss，1995)

4、樹(shù)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(jí)，通過(guò)電光取樣測(cè)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(shí)信噪比高達(dá)104:1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)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(bǔ)技術(shù)。(三)THz波的產(chǎn)生與探測(cè).太赫茲輻射源和探測(cè)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(cè)器:

5、電光晶體(電光效應(yīng))熱輻射探測(cè)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(duì)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(shí)，會(huì)在其表面瞬間（10-14s量級(jí)）產(chǎn)生大量的電子－空穴對(duì)。這些光生自由載流子會(huì)在外加偏置電場(chǎng)和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下作加速運(yùn)動(dòng)，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(shí)間變化的電流會(huì)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(jī)制，它是一種非線性

6、效應(yīng)，是電光效應(yīng)的逆過(guò)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)低頻振蕩的時(shí)變電極化場(chǎng)。這個(gè)電極化場(chǎng)就可以輻射出太赫茲波來(lái)。這是因?yàn)樗椛涑龅碾姶挪ǖ念l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(jí)，則輻射出的電磁波的頻率上限就會(huì)在太赫茲量級(jí)，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(cè)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(cè)方法將一個(gè)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(cè)脈沖打到光電導(dǎo)介質(zhì)上，這時(shí)在介質(zhì)中能夠產(chǎn)生出電子-空穴對(duì)（自由載流子），而此時(shí)同步到達(dá)的太赫茲脈沖則

7、作為加在光導(dǎo)天線上的偏置電場(chǎng)，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)那些載流子運(yùn)動(dòng)，從而在光導(dǎo)天線中形成光電流。最后，用一個(gè)與光導(dǎo)天線相連的電流表來(lái)探測(cè)這個(gè)電流即可。其中，這個(gè)光電流與THz瞬時(shí)電場(chǎng)是成正比的。返回電光取樣的方法電光取樣測(cè)量技術(shù)基于線性電光效應(yīng)：當(dāng)太赫茲脈沖通過(guò)電光晶體時(shí)，它會(huì)發(fā)生瞬態(tài)雙折射，從而影響探測(cè)（取樣）脈沖在晶體中的傳播。當(dāng)探測(cè)脈沖和太赫茲脈沖同時(shí)通過(guò)電光晶體時(shí)，太赫茲脈沖電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致晶體的折射率發(fā)生各向異性的改變，致使探測(cè)脈沖的偏振態(tài)發(fā)生變化。調(diào)整探測(cè)脈沖和