（检测技术与自动化装置专业论文）太赫兹应用技术研究.pdf

太赫兹 ( t h z ) 辐射是频率范围为3 0 0 g h z - 1 o t h z 的电磁辐射， 这一波段位 于电子学与光学的交界处， 具有携带信息量丰富、 亚皮秒量级脉宽、 高时空相干 j性、 低光子能量等特性， 在天文、生物、计算机、 通信等科学领域有着巨大的应 用价值。早期由于缺乏有效的产生和探测方法对 t h z技术的研究非常有限，但 在近2 0 年中， 对t h z 辐射的产生机理、 检测技术和应用技术的研究得到蓬勃发 展。 本文对主要的太赫兹应用技术进行了详细的研究， 并提出了自己的改进方法 和模拟设计方案，具体内容包括: 通过阅读大量的中英文文献，对 t h z辐射的各种产生、探测与传送技术进 行了详细的理论原理研究和特性总结， 并重点对太赫兹时域光谱技术( t h z - t d s ) 和太赫兹断层成像技术 ( t h z c t )进行了系统深入的研究。 对t h z - t d s 中从t h z 波形中 提取样本参数的方法进行了仿真研究。 针对一 组己知样本透射信号和参考信号，应用傅里叶变换和透射光谱模型进行数值计 算， 得到较理想的折射系数和吸收率曲线。 并根据仿真结果对实际提取计算中的 影响因素进行了讨论。 对t h z - t d s中反射光谱法的误差进行了具体理论分析，定性定量地给出了 由于样本移位给测量结果引入的系统误差。 在此基础上提出了一种采用光同步反 射的改进方法，并在理论上证明这种方法能够有效减小测量误差。 提出了一种提高t h z c t二维图像分辨率的处理算法，该算法结合t h z c t 成像系统的特点， 采用维纳滤波去除噪声。对一幅t h z c t重建图像的仿真处理 表明，这种算法能够明显提高图像分辨率。 提出了一套红外模拟系统的设计方案。该系统用于对目 前高成本的t h z c t 系统在工业检测中的应用进行模拟研究。 系统采用红外激光发射器和接收器的扇 形扫描模型， 包括控制与接口、 数据采集、 和图像重建三个子系统。 设计中采用 代数重建算法进行图像重建， 数值仿真表明该算法能够提供良 好的重建图像质量 和较快的重建速度，适用于这套红外模拟系统。 关键词: 太赫兹应用技术产生探测太赫兹时域光谱太赫兹断层成像 红外模拟 浙江大学硕士学位论文 t e r a h e r t z ( t h z ) w a v e s a r e t h o s e w i t h fr e q u e n c i e s b e t w e e n 3 0 0 g h z t o 1 0 t h z wi t h t h e l o c a t i o n o f t h e s p e c t r u m b e t w e e n t h e e l e c t r o n i c a n d p h o t o n i c d o m a i n s , t h z w a v e s c o n t a i n r i c h i n f o r m a t i o n i n v o l v e d i n m o l e c u l a r v i b r a t i o n a n d r o t a t i o n , a n d h a v e s u b - p i c o s e c o n d p u l s e w i d t h , l o w p h o t o n e n e r g y a n d h i g h s p a c e - t i m e c o h e r e n c e . t h e s e u n i q u e f e a t u r e s a r e in d e e d t r e m e n d o u s a n d i m p l y a s t o n i s h i n g a p p l i c a t i o n s i n v a r i o u s a r e a s o f s c i e n c e s u c h a s as t r o n o m y , b i o l o g y , c o m p u t e r s a n d c o m m u n i c a t i o n s . d u r i n g re c e n t 2 0 y e a r s , a g r e a t d e a l s t u d i e s d e v e l o p e d q u i c k l y c o v e r in g t h z g e n e r a t i o n , d e t e c t i o n a n d a p p l i c a t i o n s . t h i s t h e s i s r e s e a r c h e d m a i n t h z a p p l i c a t i o n t e c h n i q u e s n o w a d a y s b a s e d o n t h e r e a d i n g o f l o t s o f d o c u m e n t s . t h e d e t a i l s a r e as f o l l o w s : a n a l y z e t h e m a i n m e t h o d s a n d t e c h n o l o g i e s f o r t h z g e n e r a t i o n , d e t e c t i o n a n d p r o c e s s i n g , a n d f o c u s o n t h e p h y s i c a l p r i n c i p l e s a n d e ff e c t s o n w h i c h t h e s e t e c h n i q u e s a r e b a s e d . a t t h e s a m e t i m e , t h z t i m e - d o m a i n s p e c t r o s c o p y ( t h z - t d s ) a n d t h z c o m p u t e d t o m o g r a p h y ( t h z c t ) a r e s t u d i e d i n d e t a i l . s t u d y t h e w a y t o e x t r a c t s a m p l e p a r a m e t e r s fr o m t h z w a v e f o r m i n t h z - t d s a n d g i v e t h e s i m u la t i o n s t u d y . o n t h e b a s e o f a s e t o f k n o w n s i g n a l s , w e g e t t h e i d e a l c u r v e s o f r e fr a c t i o n a n d a b s o r p t i o n c o e ff i c i e n t s u s i n g f o u r i e r t r a n s f o r m a n d t r a n s m i s s io n s p e c t r o s c o p y m o d e l . mo r e , s o m e i n fl u e n c i n g f a c t o r s a r e d i s c u s s e d . a n a ly z e t h e e r r o r c a u s e d b y s m a l l c h a n g e s o f t h e o p t i c a l p a t h o f t h z b e a m i n r e fl e c t i o n s p e c t r o s c o p y . t h e s e c h a n g e s t a k e p l a c e d u e t o r e p l a c e m e n t o f t h e s a m p l e . b o t h q u a l i t a t i v e a n d q u a n t it a t i v e a n a l y s e s a r e g i v e n . a n d i n t r o d u c e a k i n d o f i m p r o v e d m e t h o d t o r e d u c e t h e m e a s u r e m e n t e r r o r e f f i c i e n t l y . i n t r o d u c e a h i g h r e s o l u t i o n a l g o r i t h m f o r t h z t w o - d i m e n s i o n a l c t , w h i c h t a k e s a d v a n t a g e o f w i e n e r f i l t e r i n g a n d f i t s t h e i m a g i n g s y s t e m o f t h z c t . a s i m u l a t i o n f o r a t h z c t i m a g e s h o w s t h a t t h i s a l g o r i t h m c a n g r e a t l y im p r o v e i t s r e s o l u t i o n . i n t r o d u c e t h e d e s i g n s c h e m e o f a n i n f r a r e d s i m u l a t i o n s y s t e m . c o n s i d e r i n g t h e h i g h c o s t o f a t h z c t s y s t e m , it i s r e as o n a b l e a n d f e a s i b l e t o e s t a b l i s h a l o w c o s t i n fr a r e d c t s y s t e m f o r s i m u l a t i o n s t u d y c u r r e n t l y . t h i s s y s t e m m a k e s u s e o f s e c t o r - s c a n n i n g m o d e l a n d h a s t h r e e s u b s y s t e m s . a l g e b r a r e c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e ( a r t ) i s e m p lo y e d i n t h i s s y s t e m a n d p r o v e d h a v i n g g o o d p e r f o r m a n c e in i m a g e r e c o n s t r u c t i o n t h r o u g h n u m e r i c a l s i m u l a t i o n . k e y w o r d s : t h z , a p p li c a t io n t e c h n o l o g y , g e n e r a t i o n , d e t e c t i o n , t h z - t d s t h z c t , i n fr a r e d s i m u l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 太赫兹技术的产生与意义 电磁波具有及其宽广的频谱，其波长范围跨越高达l o 个数量级。其中波长 介于3 0 9 m l m m ( 1 0 t h z 3 0 0 g h z ) 的电磁辐射称为太赫兹( t e r a h e r t z ，t h z ) 辐射( 如图1 1 ) ，在无线电物理领域称为亚毫米波( s m m w ) ，在光学领域则 习惯称之为远红外辐射( f i r f a ri n f r a r e d ) 。t h z 辐射的早期研究可以追溯到上 世纪初，而“t e r a h e r t z ”这一术语则首次由f l e m i n g 于1 9 7 4 年提出，当时这 个术语被用来描述麦克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。 图1 1 电磁波谱 t h z 波段位于我们通常所认为的电子学与光学的交界处，用传统的方法很 难获得t h z 波：当接近t h z 波段时，红外光源变得朦胧不清；而即使高速运动 的电子也无法产生和探测频率高于约0 1 t h z 的电磁波。由于这个原因，很长一 段时期内人们对t h z 波段的研究非常有限，以至于这一波段一度成为了电磁波 谱上的研究空洞。上个世纪九十年代以后，随着激光技术、量子阱技术和化合 物半导体技术的发展，为t h z 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使 t h z 辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研究得到蓬勃发展 2 ，”。 与其它波段的电磁波相比，t h z 电磁波具有如下特点： ( 1 ) t h z 波的波长处于微波及红外光之间，因此在应用方面相对于其它波段 的电磁波，如微波和x 射线等，具有非常强的互补特征。 ( 2 ) t h z 波段中包含了大多数分子的转动或振动能阶，特别是许多有机分子 在t h z 波段呈现出强烈的吸收和色散特性。这些特性是与有机分子的转动和振动 能级相联系的偶极跃迁造成的。利用t 射线有可能通过特有的光谱特征识别有机 分子，就像用指纹识别不同的人一样，这在无线电天文、遥感、医学影像有很大 的应用前景1 4 j 。 ( 3 ) t h z 波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨 的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效地防止背景辐射噪音的干扰。 目前，对t h z 辐射强度测量的信噪比可大于1 0 4 口】。 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) t h z 波具有很高的时间 和空间 相千性。 t h z 辐射是由 相干电 流驱动的 偶极 子振荡产生、 或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生的， 具有很高的时 间和空间相干性。 通过测量脉冲相千太赫兹电磁波信号的时域波形， 可以得到包 括振幅和相位的光谱数据， 直接给出吸收谱和色散谱， 或复介电常数、 复电导率。 这一 特点在研究材料的瞬态相干动力学问 题时具有极大的优势6 1 ( 5 ) t h z 波的光子能量低。 频率为1 t h z 的电 磁波的光子能量只有大约4 m e v , 约为x 射线光子能量的1 / 1 0 6 ， 因此不会对生物组织产生有害的电离， 适合于对生 物组织进行活体检查。 如利用t h z 时 域谱技术研究酶的 特性， 进行d n a )鉴别等。 t h z 波的这些特点决定了发展t h z 技术的重要意义。随着高速信息化时代的 到来，元件操作频率的增加，也使得元件在t h z 波段的研究日益重要。 1 . 2太赫兹技术现状与主要应用领域 早期人们对太赫兹辐射研究的兴趣主要是来源于大气对太赫兹波的强吸收， 因此太赫兹技术主要是被化学家和天文学家用于研究一些简单分子的转动和振 动的 光谱性质以 及热发射线g 1 。 但是在过去的 2 0 年中， 太赫兹技术已 经发生了 深 刻的变革。 随着新的材料技术提供了新的更高功率的发射源， 太赫兹技术己经被 证明在更加深入的物理研究以及实际应用中有着广阔的应用前景。由于和半导 体、 制药、 加工、空间以及国防工业密切相关， 太赫兹技术成为一个非常有吸引 力的研究领域， 人们对太赫兹波的 研究兴趣与日 俱增8 1 。 现在世界范围内 从事太 赫兹科学与技术研究的课题组己 超过一百个， 其中美国、欧洲、日 本和中国台湾 等国家和地区均投入了大量的人力和物力资源。 2 0 世纪9 0 年代初， 几年内发表的 关于脉冲太赫兹波的论文总共只有几十篇， 而到2 0 世纪末统计， 1 1 年来发表的关 于脉冲太赫兹波的论文超过1 1 0 0 篇。 所研究的问题涉及物理、材料、 信息、生物 和医学等多个领域。 现阶段对太赫兹波的研究可分为对对太赫兹波本身的研究和太赫兹波的应 用 研 究 9 对太赫兹波本身的研究包括: ( 1 ) 电 磁场对太赫兹波产生过程的影响用飞秒激光脉冲激发半导体产生 真实瞬态电流而发射太赫兹电磁波时，光电导偶极发射天线的偏置电压越大， 发射的太赫兹波也越强;当利用晶体自身的表面场来驱动载流子产生太赫兹波 时，在某些晶体取向情况下，用飞秒激光脉冲激发半导体不产生向前辐射的太 赫兹波，这时可以通过施加磁场，在洛伦兹力的作用下产生太赫兹波。改变磁 场的方向，还可以控制太赫兹波的极性。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 太赫兹波的传输自 由空间的 太赫兹波的 传输可以 采用常规的光学 技术。为了控制太赫兹波的传输，可以利用抛物面镜和超半球硅透镜等光学元 件准直或聚焦太赫兹波。最近，用硅衬底研制出的费涅尔透镜或费涅尔波带片 这种二元光学元件取得了更好的聚焦效果。太赫兹波在波导中的传输可应用 于近场太赫兹波器件、太赫兹波互联、太赫兹波准光学腔和实现太赫兹波谱的 超灵敏测量。己经开展的研究有太赫兹脉冲在圆形和矩形金属波导中的传输、 单模太赫兹波在蓝宝石光纤中的传输、单模太赫兹波在聚乙烯介质带平板波导 中的传输、太赫兹脉冲通过细小孔径、通过薄的和厚的金属狭缝的传输，以及 太赫兹光子晶体波导的研制等。太赫兹波在气体、液体和固体中的传播涉及 到介质的吸收特性、相移特性和散射特性等。这是目 前太赫兹波与物质相互作 用研究的一个重要领域。在近乎透明的材料中，相移特性可以直接分析时间波 形的变化来获得。散射特性研究目 前主要是进行以 米氏 ( mie ) 散射为主的 研究。 在太赫兹波的应用研究中， 跨学科的合作研究己经形成一个技术领域， 常常 称 之为 太 赫 兹 技 术 1 0 ) ( 1 ) 利用频谱的 应用研究每种分子都有特定的 振动能级和转动能级， 对太 赫兹波产生特定的吸收。 研究生物组织和化学物质的特征谱， 能够用来鉴别化学 成分。现在己经研究过的有甲基氯化物和甲基氟化物的太赫兹吸收谱或透射谱、 甲烷与空气混合燃烧时火焰的吸收谱、 火焰中的热水蒸汽的吸收谱。 虽然目前研 究工作进行得不够多， 但是已经显示出巨大的应用潜力， 将来可以 进行疾病诊断、 环境监测、产品质量监控等许多方面的应用。 ( 2 ) 利用时域谱的应用研究对相干太赫兹波与物质相互作用， 通过振幅和 相位变化的测量， 可以表征固体、 液体和气体材料的电子、晶格振动和化学成分 等性质。可以研究材料的吸收系数、 折射率、介电常数、频移等性质。 许多对可 见光不透明而对x 光完全透明的物质，可以 用太赫兹波进行测量。例如太赫兹波 透过纸张后， 振幅和相位均会发生变化， 据此可以计量书本的页数和钞票的张数。 把太赫兹波的发射和接收在同一器件上实现、 制成收发机可以用来测量距离、 传 递信息， 成为一种通讯工具。 利用太赫兹波可以透过很多电介质这一特性， 可以 应用于安全检查和无损检测。 ( 3 ) 太赫兹波( t 射线) 的成像1 9 9 5 年利用太赫兹波成像的 第一篇文章发 表以后， 太赫兹波成像技术受到普遍重视， 最初利用振幅的变化研究了塑料封装 的集成电路的内部引线等结构和树叶中含水量的分布图像。 现在己经有多种新的 成像 技术出 现和正 在进行深入研究1 1 , 1 2 1 。 这些成像技术包括: 使用光电 导偶极子 的t 射线常规成像技术、使用c c d 摄像机的电光t 射线成像技术、使用单周期脉 冲 t 射 线 通 过 时 间 反 演 进 行 物 体 重 构 的 成 像 技 术 1 3 1 、 利 用 基 尔 霍 夫 ( k ir c h h o 均 移 动的 t 射线反射成像技术 1 4 1 、 动态孔径和暗场t 射线成像技术、 t 射线计算机断层 浙江大学硕士学位论文 成像技术， 简称t 射线c t , t 射线衍射断层成像技术， 简称t 射线d t , t 射线显微 镜成像技术、5 0 m - 2 0 0 m 的t 射线成像技术等等。各种成像技术在扫描方式、信 噪比、动态范围、分辨率、成像所用时间、制造成本、紧凑程度、应用范围和领 域各有千秋。 其中， t 射线c t 成像技术与x 射线c t 相比，不仅可以获得被测物吸 收率的三维分布，而且可以获得折射率或介电常数的三维分布。有些物体对x 射 线完全透明， 成像对比度很差，如对t 射线有一定的透过率，则t 射线成像就可 以作为一种有效的补充手段。由于t 射线光子能量较x 射线光子能量低很多，不 会引起光电离和破坏， 对生物进行活体检查更安全。 因此， t 射线c t 在医学检查、 安全检查、环境监测、食品生产质量监控等许多方面存在巨大的应用潜力。 ( 4 ) 太赫兹波在生物技术和信息技术领域的应用太赫兹波在这两个领域 的应用能够带动高水平的学科交叉研究， 无论在科学问题的解决， 还是发展新型 应用技术， 具有广阔的前景1 5 。 在生物技术方面， 不同生物分子的太赫兹光谱表 征、 脱氧核糖核酸( d n a ) 和蛋白 质的 无标记检测、 分子反应的测量等方面，己 经 取得了一些鼓舞人心的进展， 吸引了越来越多的注意。 在信息技术方面太赫兹波 收发机的原理试验已经开展， 人造卫星上搭载的太赫兹探测器己成功地绘制了地 球上海洋的温度分布图，作为宽带无线通讯的一种手段也正在研究之中。 1 .3本文的主要研究工作 本文在阅读并总结了大量中外文献的基础上，对几种主要的太赫兹技术进 行了全面详细的研究。对这些技术的理论原理做了深入的讨论和仿真分析，归 纳了每种技术的应用方法和应注意的问题。同时提出了自己的改进或模拟设计 方案，为接下来的实验研究打下了了良 好的基础。 本文首先系统研究了太赫兹辐射产生、 探测和传送中的各种技术方法， 详细 分析了每种方法的物理原理和效果，比较了不同方法的优点和缺点。 然后对前 两种最新的太赫兹技术，太赫兹时域光谱技术和太赫兹断层成像技术进行了深 入的研究。 对t h z - t d s ，结合t h z 光谱技术的基本知识讨论了t h z - t d s的特点和不 同机制， 对从t h z 波形中提取样本参数的方法进行了仿真研究，得到较好的结 果，同时分析了反射光谱中的误差问题，提出了合理的改进方案。 对t h z c t ， 首先详细推导了t h z c t的数学模型建立过程， 然后对t h z c t 的成像系统、二维成像方法步骤、图像分辨率处理等作了详细研究，仿真验证 了利用维纳滤波能够有效提高图像分辨率。最后提出了一套红外模拟系统的设 计方案，详细介绍了其扫描模型、系统结构和重建算法。 浙江大学硕士学位论文 第二章太赫兹辐射的产生与探测 t h z 波位于传统的电子学与光学的交界处， 这就意味着电子学方法、光学方 法，或者是二者相结合的方法都可以运用到t h z 波的产生和探测中。例如，t h z 波可以通过光学降频或光电导方法产生， t h z 辐射可以利用天线或微波波导在自 由空间中传播。同时，也可以通过纯光学或纯电子学的方法产生或接收t h z 波， 例如激光或电子振荡器或放大器。 下面将分析t h z 产生和探测中的主要方法和技术。因为t h z 技术中最迫切需 要解决的问 题是寻找小型化的，能够产生大于i m w功率辐射的连续波t h z 源 i 6 所以下面将重点描述t h z 辐射的产生方法。这些方法基于光学或电子学， 或两者 的结合。 2 . 1宽频太赫兹辐射的产生 接下来几节的一个共同点是寻求产生一种周期间隔为0 .2 - 2 皮秒的超短电脉 冲， 这种电脉冲具有t h z 范围的光谱。可以通过光电方法、纯光学方法或纯电子 学方法得到这种超短电脉冲。 2 . 1 . 1光电导产生宽频t - , c 快速 ( 皮秒) 光电导体在最近2 0 年中被用于产生周期为几百飞秒的超短电脉 冲，这种电脉冲包含t h z 范围的光谱。这种方法是现阶段产生和探测t h z 波的最 常 用 方 法 i l 当 强 度为i ( t ) 的 飞 秒 激 光 激发 偏 置 半 导 体 时 ， 如 果 激 光的 光 子 能 量 大 于 半 导 体的能带隙， 则在照射处的导带和价带上将分别产生电子和空穴。 光载流子密度 快速变化，并在外加偏置直流电压v b 的作用下加速运动。由此将产生电磁辐射 并通过电 线向自 由空间 发射。 全宽半峰为l p s 以 下的 超短电 流的 产生决定于半导 体中的载流子寿命。 现在使用最多的具有很短载流子寿命的半导体为低温生长的 砷化稼 ( l t - g a a s )，它的光载流子寿命为: t , 一 ( r e + r , ) / 2 一 0 .2 5 p s 其中a 二 。 1 p s . z , = 0 .4 p s 分别表示电 子和空穴的寿命。 l t - g a a s 还具有高迁移 浙江大学硕士学位论文 率 ( 1 0 3 c m 2 / v s ) 和高击穿电 压 ( i o s v / c m )。 快速偏置的光电导体由飞秒光脉冲 ( 泵浦光) 激发， 作为瞬态电流源， 通过 天线向空间传播短周期的瞬态变化。 为了探测这样的瞬态变化需要一个与发射器 相似的装置， 但这个光电导体不需要偏置。 作为探测器的光电导体由同样的飞秒 光脉冲 ( 探测 光) 激发， 在 激发瞬间可以 探m输出 流i m , 。 通过一可调的时间 线 将飞 秒 光 脉 冲 相 对 于 泵 浦 光i ( t ) 延 迟时 间: ， 则 探 测 光 强 度 为叹 + 习。 基 于 光 电导效应的t h z 产生/ 探测原理如图2 . 1 所示。 图2 . 1 光电导产生2 探测 t h z 最早的发射器上的电极之间的距离很小， 约 5 0 微米， 小于所产生的的t h z 辐射的波长。 这样的发射源近似于一个基本赫兹偶极子p ( t ) 。 在距离为; ，与 偶极子轴线夹角为b 的地方所产生的电场可以描述为: e ( t )一 1 - p (t) 4 刀 石 尹 n r . n a p (t ) . n z a 2 p (t ) ) _ :_ 。 ， - - 气 犷了 - 气 尸份1 3 111口 c r d t c r ) ( 2 . 1 ) 刀 e 其中。 表示光速，e o 表示真空电 容率，n是偶极子之间介质的折射系数。 式中的三项分别表示准静态场、近场和远场，所以轴线上的远场辐射场可简单 地表示为: 。 “ 、 f r o a 2 p ( t ) 乙 卜) = 4 n r ( 2 . 2 ) 随着高能超快激光的发展，发射器上电极之间的距离已经能够扩大到约 5 毫米， 这样就能产生较低发散度的强t h z 脉冲。 这种发射器所产生的辐射场可 以 作为基本偶极子的叠加来进行计算 1 8 1 。 这样的计算表明 所获得的辐射定向 性 更好，强度更大。在远场，前面的公式依然适用，单常系数不同。 浙江大学硕士学位论文 辐射电场与光通量和发射器中的偏转电场成线性比例，但在很高的光通量 下辐射电场会达到饱和，而电压过高则会发生击穿。 光电导发射器通常所用的光电导材料为蓝宝石上的辐射破损硅、磷化锢、 掺铬的砷化稼、低温生长的砷化稼等等。 2 . 1 . 2从半导体表面产生宽频t h z 从裸露的半导体表面产生t h z 波是基于很多半导体的表面状态被完全占用。 于是靠近半导体表明与空气交界处的费密能级被牵制， 导带和价带发生弯曲， 从 而 产生 一 个 耗尽区 和 一 个 表 面强电 场e b 。 这 个电 场 与 交界 面 垂 直， 代 表 值为 1 0 5 v / c m 1 9 1 。 当 一 个光子能 量大于半导体带隙的 超短入射光脉 冲照射半导体 表面 时， 入射的光载流子在半导体表面耗尽并由表面电场加速， 结果便产生一超短瞬 态电流，进而辐射出位于t h z 领域的电磁波。如图2 .2 。 所产生的t h z 波可通过改 变激发脉冲的入射角进行调整。 很多半导体如i n p , g a a s , g a s b , i n s b , c d t e , c d s e , g e , g a l - , a 1 , a s 等都己 用于这种方法产生t h z 辐射。 裸露半导体 ( t h z 场) 光脉冲激发 图2 .2 半导体表面产生t h z 产生的t h z 辐射由下式给出: e, ( t ) =z s j s ( t ) e z , si n s in b , / ( c o s b , + n c o s 9 , 其中z , 为半导体的 特征阻 抗 为光载流子的迁移速度。 0 ,/ (co s 0 , + n , c o s b,) f n (x ,tw (e , (x ,t) d x ( 2 .3 ) ， n , 为 折 射 系 数 ， n ( x , t ) 为 光 载 流 子 密 度 ， v ( 风 ( x , t ) ) 与光电导效应的方法相比，这种方法不需要外加偏转电场，也不需要天线。 浙江大学硕士学位论文 2 . 1 . 3光整流产生宽频 t h z 发生在盐酸氢钾和盐酸重氢钾中的光整流效应最早用于产生兆赫兹级的辐 射，当时使用0 . 1 微米的 激光脉冲。 后来由 于l i t a 0 3 中 c u + + 光整流效应的发现， 这种方法的应用范围扩展到了皮秒级领域。 进一步的发展使这种方法己经可以应 用于各种t h z 实验。 今天， 光整流可以 产生频谱范围达7 0 t h z 的 超短脉冲2 0 1 光整流效应发生在非中心对称的材料中。 我们可以将光整流看作是电光效应 的逆过程: 入射超短激光脉冲通过非线性极化系数祸合而合成出近似直流 ( 其实 为t h z ，但相对于光的频率来说，频率非常低)的极化，从而产生t h z 辐射 ( 如 图2 . 3 ) 0 t h z 路 光路 图2 . 3 光整流产生t h z 为了描述这一现象， 我们将其看作一个不同频率辐射的产生过程， 其中频率 为 、 1 和v 2 的 入 射 光 子 所 产 生 的 远 红 外 光 子 频 率 为f = 卜 ， 一 v 2 卜这 样 所 产 生 的 非 线性极化就可以由下式描述: p tn z 一 叉球火e k ( 2 . 4 ) j , k 式中e 表示入射光场，了 2 ) 表示二阶非线性 磁化张量。由 此式可见， 极化强 度 场与入射光强度成正比，因而t h z 辐射场也与入射光强度成正比。入射脉冲越 短，其频谱越宽，则更多的频率能够被混合，所产生的t h z 频谱就越宽。 不同材料中产生的不同t h z 波形能方便地用于区分产生机制。 当入射光频 率高到能够激发带间跃迁，自由的载流子将产生和移动，非线性磁化率将由于 共振而达到很高的值。相反，但没有跃迁发生时，被束缚的载流子只会偶尔变 位。在这种情况下，非线性磁化率无共振而只有较低的值。此外，相匹配条件 的满足程度非常重要，其通常用离散度来表征。 浙江大学硕士学位论文 蹄化锌是典型的非共振跃迁、满足相匹配条件的材料，其现在被广泛地使 用，用蹄化锌可得到的频率范围为 0 . 1 g h z -3 t h z 。当共振跃迁发生时，入射 光在几微米内被完全吸收，所以相匹配条件可以不用考虑。由于非线性系数非 常高，所以能够产生很强的t h z 辐射。这类光整流可以在砷化稼、磷化锢、磅 化福中发生，只要入射光子能量高于能带隙。在既无共振跃迁，又不满足相匹 配条件的 情况下， t h z 辐射也能通过极化激波产生。 l i t a 0 3 就是一例， 用它可 以产生最高到4 t h z 的远红外辐射。 2 . 1 . 4利用非线性发射线产生宽频 t h z 非线性发生线 ( n l t l )为分布式装置，它包括高阻抗的发射线，通常为共 面波波导线。发射线周期性地装载非线性元件，元件通常为肖 特基变容二极管。 n l t l 装置的原理如图 2 .4 所示。 时间 图2 .4 n l t l 的原理 图 中 的 非 线 性 元 件 是 非 线 性电 容 为 c ( 门的 二 极 管 ， 在 上 面 施 加了 电 压 v . 由于非线性和固有偏移之间的平衡，在n l t l 中回产生冲击波或孤立子。输入激 发 为 高 功 率 的 正 弦 微 波 ， 两 种 波 都 是 其 压 缩 形 式 。 我 们 考 虑 c p w 线 的 阻 抗z ( d ) 由 一 系列电 感吞 和并联电 容c产生， 同时 5 c k o tt k y 二 极管可以 看作是一系 列可变电 容器 ( 马)的阻 抗 ( 凡)。于是n l t l 的 工作情况以 下面两个频率为特征: f = f 2 z r , c , ( v ) 一 ， . f . = 一 一 一 二 一 一- “l“ “、 , j . . u，r。 i - w i , l l ， 十 l d 铲月 ( 2 . 5 ) 其中儿为 二 极 管 截 止 频 率， 九 为 n l t l 电 路的 截止 频率。 如果儿= 几 则 将 产 生图中 所示形状的冲击波， 若f , 口f r 则将产生孤立子波。 浙江大学硕士学位论文 在产生 冲击波的 情况下， 两个连续单元之间的 延迟为: = d l v c r w ， 其中d 为 两 个 连 续 二 极 管 之间 的 距 离， v c r w = 1 . 1 3 x 1 0 8 m l s ( g a a s ) 为 c p w中 的 传 播 速 度。 l , = t z , 且c , = 叮 z , 。 冲击波效应可以 这样描述: 输入正弦电 压的负半周沿着 n l t l 传播，其下降时间为距离的递减函数。传播了n 个单元后下降时间为: 、 一 、 一 + : (0 )/ c , i 一 ， + 、 (一 、)/ c l 1/21 ( 2 . 6 ) 当下降时间减小时， 加宽下降时间的散射被压缩下降时间的非线性所平衡。 当下 降时间压缩单元与扩展单元相等时输入电压将获得稳定的下降时间。 这以后冲击 波将沿着n l t l 形状不变地传播。 使用肖 特基变容二极管可以得到幅度为3 . 5 v , 4 8 0 飞秒，1 0 - 9 0 %下降时间的 台阶式冲击波。 这种冲击波的频谱可超过3 t h z 。 此外，一台基于n l t l 的全电子 学t h z 光谱分析系统己经被用来测量0 .2 - 1 t h z 范围各种样本的幅度和相位。 2 . 2窄频太赫兹辐射的产生 下面将介绍连续波t h z 辐射的产生技术。与前面介绍的t h z 源相比，下面的 t h z 源将以频谱上中心频率处的一个单独突起为特征，而其带宽非常窄。t h z 连 续信号对与高分辨率的t h z 光谱分析、t h z 传感器和超宽带通信具有及其重要的 意义口 传统地， 气体激光器能产生0 .9 - 3 t h z 的连续信号， 输出功率范围为1 - 3 0 m w. 一种气体激光器是用二氧化碳激光来激发注满气体的腔， 所注气体为c 1 1 4 , n 2 等， 不同气体决定不同的激发频率。气体源缺乏可调性，而且非常大，尺寸超过2 .5 米。但最近报道了一种小型化地气体激光器，可产生3 0 m w的2 .5 t h z ，尺寸为 7 5 x 3 0 x 1 0 c m ， 重2 0 k g 6 o 自 由电 子 激光器既能 产生 连续波， 也能 产生高功率的 脉冲t h z 辐射2 2 1 。 但这 种激光器非常昂贵， 非常大， 加上众多附属设备有几间屋的体积， 所以使用很少。 也是作为电子激光器的反向 波振荡器( b wo ) 能够释放几个m w的0 . 6 - 1 .3 t h z 波。 与t h z 气体激光器相比，反向波振荡器可调频 ( 0 . 7 8 - 0 .9 7 t h z 或1 - 1 .2 5 t h z )且扫 描速度快。 b w o 需要水冷却系统和高偏置电 压。 其重量超过1 5 k g o t h z 气体激光器和b wo 己经商业化，也是仅有的市场上可以买到的连续波 t h z 源。它们都很大，都需要许多附属设备如大功率电源、水冷却系统等等。 最近十年来大量的研究工作致力于寻找可以 在室温下工作的小型的连续波 t h z 源，其输出功率能达到几m w。但到目 前为止，这样的t h z 还没找到。 浙江大学硕士学位论文 2 . 2 . 1基于光混频产生窄频t h z 两束连续波激光在一块光电导材料中进行混频可以产生频率等于两束激光 频率差值的光电流。当频率差异位于t h z 波段时，光电流可沿着发射线传播或通 过天线向自由空间辐射。 有两种光混频器: 分离元件光混频器和分布式光混频器。 分离元件光混频器是光电导体如微测的光电导缝隙或ms m 集成结构，在其两个 电极之间有很大的偏置电场。 光电导体放置在天线或天线阵列的策动点上， 被两 束激光所照射。 分离元件光混频器像极大带宽的电流源一样工作， 在t h z 波段驱 动天线。 分布式光混频器基于相似的原理， 但由激光所产生的光场将沿着混频器 的结构传播，并不像分离元件混频器里那样位于一个单独的点上。 户 卜台 、 气 图2 . 5 各种分离元件光混频器 不同结构的分离元件光混频器如图所示。 原理上光混频器可以看作是一个光 电 导 体 ， 其 光电 导 率g ( ) 随 时 间 变 化 这 个 光电 导 率 与电 容 率c 一 样由 光电 导 体的 几何 形 状决 定。 光 混 频 器的 等效电 路 模 型如图 2 .6 所 示， 其中凡= r , + lx ， 是 天线辐射阻抗。 浙江大学硕士学位论文 c.; r ., “ t . )r , 图 2 .6 光混频器的等效电路 照射光混频器的入射光功率可表示为: p , (t) 一 p , + p z + ( p p , )y z c o s 2 ,r ( f z 一 厂 ) 小c o s 2 ;r ( f z + f ,) t ) ( 2 .7 ) 其中月 和p z 为 光 功率，f 和f分 别 表示 第 一束 和 第二 束激 光的 频率。 两束 激 光 的 光 子能 量狱和从必 须 大 于 l t - g a a s 光电 导 体的 带隙 能 量( 1 .4 e v ) 。 调 制 光电 导 率 的 频 率 为 防- .f z 卜f th z ， 因 为 上 式 包 括 了 极 短 时 间 内 各 种 频 率 之 和 ， 这 个 时 间远小于光电导体的寿命r 。光电导率的时间变化为: g (t) 一 、 1+ fl s1ii (- th t) 1 + (. t ) 一 1/2h z,_ )z , l j j ( 2 名) 其中q和fl 由 输入 光 功 率1 o = 君 + p z 和电 极 的 几 何 形 状决 定。 光电 导 率 上的 压降 v 可由等效电路描述，由 下式给出: c d v / d t = ( v , 一 v ) / z 一 g ( t ) v ( 2 . 9 ) 假 设， 正 弦 变 化，月 = 几= 几 / 2 且凡= 凡， 则可 得到 辐 射的 t h z 功 率为: p t .= ( q 气 ) zj ) r a( g . v 2 1 + (w t r )z 1 + (. ty r a c )2 i ( 2 . 1 0 ) 从式 ( 2 . 1 0 ) 可以看到如果光源的强度增加， 就能产生更大功率的t h z 辐射。 但实际上使用光混频器所得到的t h z 功率非常低， 仅为1 t h z 时的1 w w和2 t h z 时 的 0 . 2 m。主要原因是光学混频的效率太低。 2 . 2 . 2利用光参量变换产生窄频t h z 连续可调的t h z 波可以通过非极性晶体中刺激极化散射引起的参量光散射 浙江大学硕士学位论文 图2 6 光混频器的等效电路 哲鼬 照射光混频器的入射光功率司表不为： 只( ，) = 墨+ b + ( 墨昱) 啦c o s 2 万( 五一z ) f + c o s e 2 , r ( l + - ，：) ， l ( 2 7 ) 其中舅和b 为光功率，z 和正分别表示第一束和第二束激光的频率。两束激光 的光子能量顽和坎必须大于l t g a a s 光电导体的带隙能量( 1 4 e v ) 。调制光电 导率的频率为l 石一厶| - ，因为上式包括了极短时间内各种频率之和，这个时 间远小于光电导体的寿命f 。光电导率的时间变化为： g ( f ) = o o 1 + p s i n ( f ) 1 + ( r ) 2 旷 ( 2 8 ) 其中g 0 和由输入光功率晶= # + 昱和电极的几何形状决定。光电导率上的压降 v 可由等效电路描述，由下式给出： c 咖西= ( k v ) l z g ( t ) v ( 2 9 ) 假设v 正弦变化，墨= 县= e o 2 且乙= 心，则可得到辐射的t h z 功率为： = ( 2 1 0 ) 从式( 2 1 0 ) 可以看到如果光源的强度增加，就能产生更大功率的t h z 辐射。 但实际上使用光混频器所得到的t h z 功率非常低，仅为1 t h z 时的1 u w 和2 t h z 时 的0 2 9 w 。主要原因是光学混频的效率太低。 2 2 2 利用光参量变换产生窄频t 丑k 连续可调的t h z 波可以通过非极性晶体中刺激极化散射引起的参量光散射 群 浙江大学硕士学位