太赫兹技术及应用

《太赫兹技术及应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、光学前沿------THz科学技术及应用山西大同大学物电学院邓富胜2010.6(三)THz波的产生与探测(四)THz波的应用(一)什么是THz波？(二)THz波的主要特征内容概要(一)什么是THz波?THz在电磁波谱中的位置THz辐射(Ｔ射线)通常指的是频率在0.1THz～10THz(波长在3mｍ～30μｍ)之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。RadioMicrowaveT-raysInfraredUVX-raysFrequency(Hz)

2、10810910101011101210131014101510161017THz波具有波的特性:衍射和干涉T-ray塑料板上的单孔0120121THz1.5THz0120122THz012012cm0.5THz012012cmcmcm单孔衍射(f=1.8mm)杨氏干涉实验T-ray双缝干涉Time(ps)X(mm)1002001427空间相干0121.5THz012cm0.5THz012012cm2THz012012cm0120121THzcmT-射线的干涉图样(二)THz波的主要特征T-射线的几个

3、主要特性（一）相干性THz技术的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数.（二）低能性(4.1meV～1THz)X-射线~30kev相差7个数量级!!光学常数的提取：折射率和吸收系数f(w)位相L样品厚度r(w)THz波的振幅n折射率c光速相对吸收系数ISample样品信号的光强Ireference参考信号的光强返回（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射有强烈的吸收。（三）THz辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透力,可用

4、来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生物组织的不同状态，如对人体烧伤部位的损伤程度进行诊断，还可以进行产品质量控制，如测量食品表面水分含量以确定其新鲜程度。THz成像(Hu&Nuss，1995)树叶火腿肉新鲜2天后（五）瞬态性：THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小于3THz时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。（六）宽带性：THz脉冲光源通常包含若干个周

5、期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。T-射线的这些特性使得THz技术在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线技术的互补技术。(三)THz波的产生与探测.太赫兹辐射源和探测器介绍辐射源:电光晶体(光整流)光电导天线(更高功率)Gunn振荡器，冷等离子体等等。探测器:电光晶体(电光效应)热辐射探测器(bolometer)光电导偶极天线(高灵敏度)等。常用的两种产生方法：THz波的产生光电导天线的方法光整流的方法在光电导半导体材料表面淀

6、积上金属电极制成偶极天线结构，金属电极在这里的作用是对这些光电导半导体施加偏压。当超快激光打在两电极之间的光电导材料上时，会在其表面瞬间（10-14s量级）产生大量的电子－空穴对。这些光生自由载流子会在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。光电导天线的基本原理返回光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制，它是一种非线性效应，是电光效应的逆过程。超短激光脉冲入射到非线性介质中，由差频振荡效应会产生一个低频

7、振荡的时变电极化场。这个电极化场就可以辐射出太赫兹波来。这是因为所辐射出的电磁波的频率上限与入射激光的脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐射出的电磁波的频率上限就会在太赫兹量级，由此这种光整流效应被称作为亚皮秒光整流效应，或太赫兹光整流效应，光整流的基本原理THz波的探测常用的两种方法：光导天线的方法电光取样的方法光导天线的探测方法将一个未加偏置电压的光导天线放置于太赫兹光路之中，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作

8、为加在光导天线上的偏置电场，以此来驱动那些载流子运动，从而在光导天线中形成光电流。最后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这个电流即可。其中，这个光电流与THz瞬时电场是成正比的。返回电光取样的方法电光取样测量技术基于线性电光效应：当太赫兹脉冲通过电光晶体时，它会发生瞬态双折射，从而影响探测（取样）脉冲在晶体中的传播。当探测脉冲和太赫兹脉冲同时通过电光晶体时，太赫兹脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性的改变，致使探测脉冲的偏振态发生变化。调整探测脉冲和