太赫茲波科學技術綜述

1、深圳大學研究生課程論文題目 太赫茲波科學技術綜述 成績 專業(yè) 生物醫(yī)學工程（秋） 課程名稱、代碼 生物醫(yī)學工程導論 1512011083002年級 2014級 姓名 楊圣新 學 號 2410220511 時間 2015 年 7 月 任課教師 陸敏華 目錄摘要3第一章 太赫茲波41.1太赫茲波的介紹41.2太赫茲波的獨特性質51.3太赫茲波科學技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.4太赫茲波的產(chǎn)生技術71.4.1窄頻帶連續(xù)THz波產(chǎn)生技術71.4.2寬頻帶脈沖THz波產(chǎn)生技術8第二章 太赫茲時域光譜系統(tǒng)82.1太赫茲時域光譜技術82.1.1透射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)92.1.2反射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)10參考

2、文獻11摘要太赫茲波是指介于微波和紅外線之間,頻率在0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波，是電磁波譜上由電子學向光子學過渡的特殊區(qū)域，也是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論過渡的交叉區(qū)域,具有重要的科學價值和應用價值。太赫茲時域光譜技術(THz-TDS)是基于飛秒超快激光技術的THz波段光譜測量新技術，它利用物質對THz輻射的特征吸收來分析材料組成及其結構的細微變化，因而近年來被廣泛運用于化學、生物材料在THz波段的光學特性研究。本文簡要介紹了太赫茲波的概念、性質和太赫茲波科學與技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；詳細闡述了太赫茲波的關鍵技術，即太赫茲波的產(chǎn)生、探測方法及其理論機理；介紹了THz時域光譜技術的特點和兩種

3、典型THz時域光譜系統(tǒng)的光路及其基本工作原理。關鍵詞：太赫茲 太赫茲的產(chǎn)生與探測 太赫茲時域光譜系統(tǒng)第一章 太赫茲波1.1太赫茲波的介紹太赫茲(Terahertz,THz,ITHz=1012Hz)波通常是指電磁波譜上位于微波和紅外線之間，頻率在0.1-10THz(波長在30um-3mm)范圍內(nèi)的電磁波,其在電磁波譜上的位置如圖1.1所示。THz波在電磁波譜中的位置非常特殊：在長波方向，它與微波毫米波有重疊；在短波方向，它與紅外線有重疊。因而，太赫茲頻段是電磁波譜上由電子學向光子學過渡的特殊區(qū)域，也是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)域，具有重要的科學價值和應用價值1。長期以來，由于缺乏有效的產(chǎn)

4、生和檢測THz波的手段，人們對該段電磁波的特性知之甚少，以至于該波段被稱為電磁波譜上的“THz隙(THz GaP)”2。 THz隙的形成還在于THz頻段正好處于科學技術發(fā)展相對成熟的微波毫米波和紅外線光學之間，形成一個相對落后的“空隙”。在長波方向，THz波的研究主要依靠電子學理論，在短波方向則主要依靠光子學理論，從而在電子學和光子學之間形成一個理論上的“空隙”。20世紀90年代以后，隨著飛秒超快激光技術的發(fā)展，為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使得THz波段的理論研究和應用技術都取得了很大的進展。太赫茲波科學技術是一門綜合性很強的前沿學科，它涉及電磁學、半導體物理學、化學、光電子

5、學、通信理論、量子理論以及材料科學等許多個重要學科3。微觀上太赫茲波是具有量子特征的電磁波，而宏觀上太赫茲波具有類似微波的穿透能力和類似光波的方向性。因而太赫茲波科學技術在微觀和宏觀領域都具有重要的學術研究價值和實際應用價值4。太赫茲波科學技術進一步擴展了人類研究微觀世界的方法和手段，同時在天文遙感、生物醫(yī)學、公共安全、環(huán)境檢測、化學分析、工業(yè)無損檢測等宏觀領域也具有廣闊的應用前景。1.2太赫茲波的獨特性質由于THz波在電磁波譜上的位置比較特殊,因而表現(xiàn)出一系列不同于其它電磁輻射的特殊性質。(1)THz脈沖的典型脈寬在亞皮秒量級,不但可以方便地對各種材料(包括液體、半導體、超導體、生物樣品等)

6、進行亞皮秒、飛秒時間分辨的瞬態(tài)光譜研究，而且通過取樣測量技術，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾，得到具有很高信噪比(大于1010)的太赫茲電磁波時域譜5，并且具有對黑體輻射或者熱背景不敏感的優(yōu)點。(2)THz脈沖通常只包含若干個周期的電磁振蕩，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的光譜性質。(3)THz波的相干性源于其產(chǎn)生機制，它是由相干電流驅動的偶極子振蕩產(chǎn)生，或是由相干的激光脈沖通過非線性光學差頻效應產(chǎn)生。與傳統(tǒng)的光學方法僅僅測量出某一頻率光的強度不同，THz波的時域光譜技術(THz-TDS)直接測量THz波的時域電場，通過傅立葉變換給出THz波的振幅

7、和相位。因此，無需使用Kramers-Kronig色散關系，就可以提供介電常數(shù)的實部和虛部。(4)THz波的光子能量較低，1THz頻率處的光子能量只有大約四毫電子伏特，比X射線的光子能量弱107-108倍，因此THz波不會對生物組織產(chǎn)生有害的光致電離和破壞，特別適合于對生物組織進行活體檢查。THz光子能量約為可見光的1/4，用THz波做信息載體比用可見光和近、中紅外光能量效率高得多。(5)THz波是具有量子特性的電磁波，具有類似微波的穿透能力，同時又具有類似光波的方向性。THz波可以被特定的準光學器件反射、聚焦和準直，也可以在特定的波導中傳輸。THz波對于很多非極性物質具有較強的穿透能力，可以

8、穿透很多對于可見光和紅外線不透明的物質如塑料、陶瓷、有機織物、木材、紙張等，因而可用來對已經(jīng)包裝的物品進行質檢或者用于安全檢查。(6)凝聚態(tài)體系的聲子吸收很多位于THz波段，自由電子對THz波也有很強的吸收和散射，THz時域光譜技術是研究凝聚態(tài)材料中物理過程的一個很好的工具。特別是許多有機分子在THz波段呈現(xiàn)出強烈的吸收和色散特性，不同分子對于THz波的吸收和色散特性是與分子的振動和轉動能級有關的偶極躍遷相聯(lián)系的，而分子的偶極躍遷猶如人的指紋，是千差萬別的，因此可以通過光譜分析實現(xiàn)分子的識別，就如同識別人的指紋一樣。THz光譜通過介電函數(shù)的實部和虛部來描述分子的轉動和振動，大多數(shù)極性分子如水分

9、子、氨分子等對THz輻射有強烈的吸收，可以通過分析它們的特征譜研究物質成分或者進行產(chǎn)品質量控制。1.3太赫茲波科學技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當前，太赫茲波科學技術己經(jīng)引起國際學術界的廣泛關注，被譽為二十一世紀影響人類未來的十大科學技術之一，世界發(fā)達國家更是投入了大量的人力物力進行研究。在世紀之交短短數(shù)年間，國際上關于太赫茲波的研究機構大量涌現(xiàn)，并取得了很多研究成果。在美國，包括倫斯勒理工學院、常青藤大學和美國麻省理工學院(MIT)在內(nèi)的數(shù)十所大學都在進行THz的研究工作,美國的許多國家重點實驗室如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS、ORNL等都在開展THz波的研究工作。美國

10、國家基金會(NSF)、國家航天局(NASA)、國防部(DARPA)和國家衛(wèi)生學會(NIH)從90年代中期開始，對THz研究項目持續(xù)進行了較大規(guī)模的資金支持。英國的Rutherford國家實驗室、劍橋大學、里茲大學、Strathelyde大學等十幾所大學以及德國的BESSY、Karlsruhe、Cohn、Halnburg等大學都在積極開展THz的研究工作。除了各國自己支持的研究項目以外，歐洲國家還利用歐盟的資金組織了跨國家的多學科參與的大型合作研究項目，如Teravision公司(發(fā)展小型化器件、THz輻射成象在生物醫(yī)學和其他領域的應用)，THz-Bridge公司(THz輻射與生物系統(tǒng)相互作用的

11、研究)等。日本于2005年1月8日公布了日本國十年科技戰(zhàn)略規(guī)劃，提出十項重大關鍵技術，將THz列為首位。日本的東京大學、京都大學、大阪大學、東北大學、福井大學以及日本理化學研究所等許多機構都在進行THz科學技術的研究。韓國漢城大學、浦項科技大學，新加坡國立大學以及我國臺灣地區(qū)的臺灣大學、清華大學等都在積極開展THz波的研究工作。我國國家科技部、自然科學基金委員會和中國科學院也對THz研究給予了高度的關注。國內(nèi)從2001年開始，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、首都師范大學、天津大學、上海交通大學、浙江大學等十余個研究所和高等院校相繼開展了THz波的科學研究工作。1.4太赫茲波的產(chǎn)生技術太赫茲波

12、的產(chǎn)生和探測技術是太赫茲波科學技術研究中的重點和難點。太赫茲波科學技術之所以到最近十幾年才受到廣泛關注就是因為太赫茲波的產(chǎn)生和檢測十分困難，用傳統(tǒng)的電子學方法和光學方法都難以產(chǎn)生和檢測太赫茲波。近年來隨著超快激光技術的迅速發(fā)展，使用超快激光轟擊非線性光學晶體(如砷化嫁)或光電導偶極天線就可以產(chǎn)生功率和頻率可調的太赫茲波，使用飛秒激光采樣可以在時域和頻域上檢測太赫茲波，這就為太赫茲波科學技術的研究提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源和檢測手段。但是缺乏高功率、低價位、便攜式室溫工作的太赫茲發(fā)射源是當前限制太赫茲技術應用的最主要障礙，目前國內(nèi)外很多科研機構致力于解決這方面的難題并取得了很大的進展，很多新的產(chǎn)

13、生和檢測方法被提出。目前常見的THz發(fā)射源大致可分為窄頻帶連續(xù)THz波產(chǎn)生技術和寬頻帶脈沖THz波技術兩大類。1.4.1窄頻帶連續(xù)THz波產(chǎn)生技術窄頻帶THz發(fā)射源對于高頻譜分辨率的測量十分重要，在通信特別是極寬頻帶的衛(wèi)星間通信領域具有很大的應用潛力。所以在過去的一個世紀里，很多研究工作主要集中在開發(fā)窄頻帶THz發(fā)射源上。目前的研究主要集中在兩個方向上:一是利用電子學的方法將低頻微波向高頻延伸，這類方法的特點是效率較高，可以產(chǎn)生大功率甚至是超大功率的THz波，但產(chǎn)生的THz波頻率較低(1THz以下);另一個是光學方向，即將光學特別是激光技術向低頻延伸，這類方法的特點是可以產(chǎn)生方向性和相干性很好

14、的THz波，但是輸出功率較小，適合于產(chǎn)生ITHz以上頻率的太赫茲波。目前這兩個發(fā)展方向也有相互融合的趨勢。還有其他一些產(chǎn)生THz波的技術正處于發(fā)展中，包括非線性光學混頻技術、光學參量轉換技術、量子級聯(lián)激光技術、自由電子激光技術等。1.4.2寬頻帶脈沖THz波產(chǎn)生技術上述窄頻帶連續(xù)THz波產(chǎn)生方法各有自己的優(yōu)缺點，但它們有一個共同的弱點是無法有效地消除系統(tǒng)的背景噪聲。隨著近幾年超快激光技術的發(fā)展，使用基于鎖模激光器產(chǎn)生超快激光脈沖的脈沖THz發(fā)射源得到了廣泛應用，由于這類方法中使用了飛秒(10-15s)量級的探測脈沖，速度很快，測量過程中實驗系統(tǒng)來不及反映背景噪聲，從而有效地解決了這一難題。第二

15、章 太赫茲時域光譜系統(tǒng)本章簡要介紹了THz時域光譜技術的特點和兩種典型THz時域光譜系統(tǒng)的光路及其基本工作原理。2.1太赫茲時域光譜技術物質在THz波段的光學特性可以通過多種方法獲得。傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)是傳統(tǒng)的用于研究分子共振光譜的手段，這種技術具有很寬的光譜帶寬(從THz到近紅外),它的缺點是光譜分辨率相對較低，對熱背景噪聲比較敏感，需要液態(tài)冷卻的熱輻射測量儀作為探測器等等。太赫茲時域光譜技術(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)是20世紀90年代由AT&T，Bell實驗室和IBM公司的T.J.Watson研究中心發(fā)展起

16、來的一種相干探測技術,它能夠同時獲得THz脈沖的振幅信息和相位信息6。THz-TDS利用THz輻射脈沖透射樣品或從樣品上反射,記錄下通過參考片和樣品片后的THz時域電場波形，對時域波形進行快速傅立葉變換得到參考和樣品的頻域波形，然后對頻譜數(shù)據(jù)進行分析和處理就可以得到被測樣品的折射率、吸收系數(shù)和消光系數(shù)等光學參數(shù)。更重要的是，THz-TDs無需使用Kramers-Kronig色散關系就可以獲得這些參數(shù)，這是當前任何光學或微波技術都無法做到的。根據(jù)這些光學參數(shù)，就可以對樣品的種類進行鑒別并可進一步分析出樣品的一些重要物理、化學信息。THz時域光譜系統(tǒng)的典型光路主要有四種:透射型光路,反射型光路,差

17、分型光路和惆啾展寬型光路,它們主要由飛秒激光器、THz波產(chǎn)生裝置、THz波探測裝置和時間延遲控制系統(tǒng)四部分組成。本節(jié)主要介紹前兩種最常用的光譜系統(tǒng)。2.1.1透射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)透射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)是應用最早、最廣的THz時域光譜技術。該方法己被用來研究大量不同的材料，包括電介質、半導體、超導體、有機材料、液體、氣體和火焰等。因此這種方法在THz時域光譜學中最具有代表性。一種標準的透射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)的光路如圖2.1所示7,8。泵浦和探測THz波所用的飛秒激光器是美國相干公司生產(chǎn)的自鎖?？烧{諧式鈦藍寶石飛秒激光器，激光中心波長為800nm，脈寬小于100fs，重復頻率為80MHz,

18、平均輸出功率650mw。飛秒激光脈沖經(jīng)半波片(half-wave Plate,HWP)后被分束鏡(cubic beam splitter,CBS)分為泵浦光I和探測光11。泵浦光I在經(jīng)過斬波器和由反射鏡M3、M4組成的電動平移臺后經(jīng)反射鏡M5、M6反射，再經(jīng)A3、A4和凸透鏡Ll準直、聚焦后以450角入射到晶向為<100>的p-型砷化錮(InAs)晶體上，通過光整流效應激發(fā)出THz波。探測光11經(jīng)過一系列反射鏡M7M12以及凸透鏡L2后經(jīng)偏振片P打在高阻硅Si上，經(jīng)過高阻硅的反射打在晶向為<l10>型，厚度為0.8mm的ZnTe扮電光探測晶體上，在ZnTe晶體上與經(jīng)四個

19、拋物面鏡印parabolic mirror,PM)反射并透過樣品而載有樣品信息的太赫茲波共線，太赫茲波通過電光晶體調制探測光從而將樣品的信息加載到探測光束上來。載有樣品信息的探測光最終經(jīng)過四分之一波片(quarter-wave plate,QwP)和凸透鏡L3后被渥拉斯頓棱鏡(wollaston prism,PBS)分為兩個偏振方向垂直的分量，最后由差分探測器通過測量兩偏振分量的差異而解調出樣品的信息。該系統(tǒng)的基本工作原理是：飛秒激光脈沖入射到InAs電光晶體中通過光整流效應的方法產(chǎn)生出THz電磁波。THz波經(jīng)過樣品時由于對樣品的響應而攜帶上樣品的信息(包括色散和吸收)，然后被拋物面鏡反射到電

20、光晶體ZnTe上，利用電光取樣的方法進行測量。THz波電光取樣的方法是基于線性電光效應(又稱普克爾效應)進行的，當THz脈沖電場通過電光晶體時，其瞬態(tài)電場將通過線性電光效應使電光晶體的折射率發(fā)生各向異性的改變，從而調制晶體的折射率橢球，當另一束探測光和THz脈沖同時通過晶體時，在晶體中產(chǎn)生的雙折射使探測脈沖的偏振方向發(fā)生偏轉，調整探測光脈沖和THz脈沖間的時間延遲，檢測探測光在晶體中發(fā)生的偏振變化就可以獲得THz脈沖電場的時間波形。2.1.2反射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)反射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)與透射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)的工作原理基本一致，區(qū)別在于反射型系統(tǒng)的探測器接收的是由樣品表面反射的THz波。如圖2.2所示。 圖2.2 反射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)簡圖反射型THz時域光譜系統(tǒng)對于實驗技術上的要求比較高。這是因為掃描參考信號時，樣品架的位置應該放上與樣品的表面結構基本一樣的金屬反射鏡, 而且要求反射鏡的位置和樣品的位置嚴格復位。這就加大了樣品、樣品架及用作參考的金屬反射鏡的制作難度。參考文獻1.劉盛綱.太赫茲科學技術的新發(fā)展.中國基礎科學,2006.8(l),7-12.2.G Davies,E Linfield.Bridging the terahertz gap.Physies world,2004.17(4),37-41.3.張希成,B