太赫兹波科学技术综述

1、深圳大学研究生课程论文题目 太赫兹波科学技术综述 成绩 专业 生物医学工程（秋） 课程名称、代码 生物医学工程导论 1512011083002年级 2014级 姓名 杨圣新 学 号 2410220511 时间 2015 年 7 月 任课教师 陆敏华 目录摘要3第一章 太赫兹波41.1太赫兹波的介绍41.2太赫兹波的独特性质51.3太赫兹波科学技术的国内外研究现状61.4太赫兹波的产生技术71.4.1窄频带连续THz波产生技术71.4.2宽频带脉冲THz波产生技术8第二章 太赫兹时域光谱系统82.1太赫兹时域光谱技术82.1.1透射型太赫兹时域光谱系统92.1.2反射型太赫兹时域光谱系统10参考

2、文献11摘要太赫兹波是指介于微波和红外线之间,频率在0.1-10THz范围内的电磁波，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论过渡的交叉区域,具有重要的科学价值和应用价值。太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是基于飞秒超快激光技术的THz波段光谱测量新技术，它利用物质对THz辐射的特征吸收来分析材料组成及其结构的细微变化，因而近年来被广泛运用于化学、生物材料在THz波段的光学特性研究。本文简要介绍了太赫兹波的概念、性质和太赫兹波科学与技术的国内外研究现状；详细阐述了太赫兹波的关键技术，即太赫兹波的产生、探测方法及其理论机理；介绍了THz时域光谱技术的特点和两种

3、典型THz时域光谱系统的光路及其基本工作原理。关键词：太赫兹 太赫兹的产生与探测 太赫兹时域光谱系统第一章 太赫兹波1.1太赫兹波的介绍太赫兹(Terahertz,THz,ITHz=1012Hz)波通常是指电磁波谱上位于微波和红外线之间，频率在0.1-10THz(波长在30um-3mm)范围内的电磁波,其在电磁波谱上的位置如图1.1所示。THz波在电磁波谱中的位置非常特殊：在长波方向，它与微波毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠。因而，太赫兹频段是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域，具有重要的科学价值和应用价值1。长期以来，由于缺乏有效的产

4、生和检测THz波的手段，人们对该段电磁波的特性知之甚少，以至于该波段被称为电磁波谱上的“THz隙(THz GaP)”2。 THz隙的形成还在于THz频段正好处于科学技术发展相对成熟的微波毫米波和红外线光学之间，形成一个相对落后的“空隙”。在长波方向，THz波的研究主要依靠电子学理论，在短波方向则主要依靠光子学理论，从而在电子学和光子学之间形成一个理论上的“空隙”。20世纪90年代以后，随着飞秒超快激光技术的发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使得THz波段的理论研究和应用技术都取得了很大的进展。太赫兹波科学技术是一门综合性很强的前沿学科，它涉及电磁学、半导体物理学、化学、光电子

5、学、通信理论、量子理论以及材料科学等许多个重要学科3。微观上太赫兹波是具有量子特征的电磁波，而宏观上太赫兹波具有类似微波的穿透能力和类似光波的方向性。因而太赫兹波科学技术在微观和宏观领域都具有重要的学术研究价值和实际应用价值4。太赫兹波科学技术进一步扩展了人类研究微观世界的方法和手段，同时在天文遥感、生物医学、公共安全、环境检测、化学分析、工业无损检测等宏观领域也具有广阔的应用前景。1.2太赫兹波的独特性质由于THz波在电磁波谱上的位置比较特殊,因而表现出一系列不同于其它电磁辐射的特殊性质。(1)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级,不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)

6、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，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰，得到具有很高信噪比(大于1010)的太赫兹电磁波时域谱5，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点。(2)THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，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。(3)THz波的相干性源于其产生机制，它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效应产生。与传统的光学方法仅仅测量出某一频率光的强度不同，THz波的时域光谱技术(THz-TDS)直接测量THz波的时域电场，通过傅立叶变换给出THz波的振幅

7、和相位。因此，无需使用Kramers-Kronig色散关系，就可以提供介电常数的实部和虚部。(4)THz波的光子能量较低，1THz频率处的光子能量只有大约四毫电子伏特，比X射线的光子能量弱107-108倍，因此THz波不会对生物组织产生有害的光致电离和破坏，特别适合于对生物组织进行活体检查。THz光子能量约为可见光的1/4，用THz波做信息载体比用可见光和近、中红外光能量效率高得多。(5)THz波是具有量子特性的电磁波，具有类似微波的穿透能力，同时又具有类似光波的方向性。THz波可以被特定的准光学器件反射、聚焦和准直，也可以在特定的波导中传输。THz波对于很多非极性物质具有较强的穿透能力，可以

8、穿透很多对于可见光和红外线不透明的物质如塑料、陶瓷、有机织物、木材、纸张等，因而可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。(6)凝聚态体系的声子吸收很多位于THz波段，自由电子对THz波也有很强的吸收和散射，THz时域光谱技术是研究凝聚态材料中物理过程的一个很好的工具。特别是许多有机分子在THz波段呈现出强烈的吸收和色散特性，不同分子对于THz波的吸收和色散特性是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的，而分子的偶极跃迁犹如人的指纹，是千差万别的，因此可以通过光谱分析实现分子的识别，就如同识别人的指纹一样。THz光谱通过介电函数的实部和虚部来描述分子的转动和振动，大多数极性分子如水分

9、子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制。1.3太赫兹波科学技术的国内外研究现状当前，太赫兹波科学技术己经引起国际学术界的广泛关注，被誉为二十一世纪影响人类未来的十大科学技术之一，世界发达国家更是投入了大量的人力物力进行研究。在世纪之交短短数年间，国际上关于太赫兹波的研究机构大量涌现，并取得了很多研究成果。在美国，包括伦斯勒理工学院、常青藤大学和美国麻省理工学院(MIT)在内的数十所大学都在进行THz的研究工作,美国的许多国家重点实验室如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS、ORNL等都在开展THz波的研究工作。美国

10、国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、国防部(DARPA)和国家卫生学会(NIH)从90年代中期开始，对THz研究项目持续进行了较大规模的资金支持。英国的Rutherford国家实验室、剑桥大学、里兹大学、Strathelyde大学等十几所大学以及德国的BESSY、Karlsruhe、Cohn、Halnburg等大学都在积极开展THz的研究工作。除了各国自己支持的研究项目以外，欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参与的大型合作研究项目，如Teravision公司(发展小型化器件、THz辐射成象在生物医学和其他领域的应用)，THz-Bridge公司(THz辐射与生物系统相互作用的

11、研究)等。日本于2005年1月8日公布了日本国十年科技战略规划，提出十项重大关键技术，将THz列为首位。日本的东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及日本理化学研究所等许多机构都在进行THz科学技术的研究。韩国汉城大学、浦项科技大学，新加坡国立大学以及我国台湾地区的台湾大学、清华大学等都在积极开展THz波的研究工作。我国国家科技部、自然科学基金委员会和中国科学院也对THz研究给予了高度的关注。国内从2001年开始，中科院上海微系统与信息技术研究所、首都师范大学、天津大学、上海交通大学、浙江大学等十余个研究所和高等院校相继开展了THz波的科学研究工作。1.4太赫兹波的产生技术太赫兹波

12、的产生和探测技术是太赫兹波科学技术研究中的重点和难点。太赫兹波科学技术之所以到最近十几年才受到广泛关注就是因为太赫兹波的产生和检测十分困难，用传统的电子学方法和光学方法都难以产生和检测太赫兹波。近年来随着超快激光技术的迅速发展，使用超快激光轰击非线性光学晶体(如砷化嫁)或光电导偶极天线就可以产生功率和频率可调的太赫兹波，使用飞秒激光采样可以在时域和频域上检测太赫兹波，这就为太赫兹波科学技术的研究提供了稳定、可靠的激发光源和检测手段。但是缺乏高功率、低价位、便携式室温工作的太赫兹发射源是当前限制太赫兹技术应用的最主要障碍，目前国内外很多科研机构致力于解决这方面的难题并取得了很大的进展，很多新的产

13、生和检测方法被提出。目前常见的THz发射源大致可分为窄频带连续THz波产生技术和宽频带脉冲THz波技术两大类。1.4.1窄频带连续THz波产生技术窄频带THz发射源对于高频谱分辨率的测量十分重要，在通信特别是极宽频带的卫星间通信领域具有很大的应用潜力。所以在过去的一个世纪里，很多研究工作主要集中在开发窄频带THz发射源上。目前的研究主要集中在两个方向上:一是利用电子学的方法将低频微波向高频延伸，这类方法的特点是效率较高，可以产生大功率甚至是超大功率的THz波，但产生的THz波频率较低(1THz以下);另一个是光学方向，即将光学特别是激光技术向低频延伸，这类方法的特点是可以产生方向性和相干性很好

14、的THz波，但是输出功率较小，适合于产生ITHz以上频率的太赫兹波。目前这两个发展方向也有相互融合的趋势。还有其他一些产生THz波的技术正处于发展中，包括非线性光学混频技术、光学参量转换技术、量子级联激光技术、自由电子激光技术等。1.4.2宽频带脉冲THz波产生技术上述窄频带连续THz波产生方法各有自己的优缺点，但它们有一个共同的弱点是无法有效地消除系统的背景噪声。随着近几年超快激光技术的发展，使用基于锁模激光器产生超快激光脉冲的脉冲THz发射源得到了广泛应用，由于这类方法中使用了飞秒(10-15s)量级的探测脉冲，速度很快，测量过程中实验系统来不及反映背景噪声，从而有效地解决了这一难题。第二

15、章 太赫兹时域光谱系统本章简要介绍了THz时域光谱技术的特点和两种典型THz时域光谱系统的光路及其基本工作原理。2.1太赫兹时域光谱技术物质在THz波段的光学特性可以通过多种方法获得。傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)是传统的用于研究分子共振光谱的手段，这种技术具有很宽的光谱带宽(从THz到近红外),它的缺点是光谱分辨率相对较低，对热背景噪声比较敏感，需要液态冷却的热辐射测量仪作为探测器等等。太赫兹时域光谱技术(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)是20世纪90年代由AT&T，Bell实验室和IBM公司的T.J.Watson研究中心发展起

16、来的一种相干探测技术,它能够同时获得THz脉冲的振幅信息和相位信息6。THz-TDS利用THz辐射脉冲透射样品或从样品上反射,记录下通过参考片和样品片后的THz时域电场波形，对时域波形进行快速傅立叶变换得到参考和样品的频域波形，然后对频谱数据进行分析和处理就可以得到被测样品的折射率、吸收系数和消光系数等光学参数。更重要的是，THz-TDs无需使用Kramers-Kronig色散关系就可以获得这些参数，这是当前任何光学或微波技术都无法做到的。根据这些光学参数，就可以对样品的种类进行鉴别并可进一步分析出样品的一些重要物理、化学信息。THz时域光谱系统的典型光路主要有四种:透射型光路,反射型光路,差

17、分型光路和惆啾展宽型光路,它们主要由飞秒激光器、THz波产生装置、THz波探测装置和时间延迟控制系统四部分组成。本节主要介绍前两种最常用的光谱系统。2.1.1透射型太赫兹时域光谱系统透射型太赫兹时域光谱系统是应用最早、最广的THz时域光谱技术。该方法己被用来研究大量不同的材料，包括电介质、半导体、超导体、有机材料、液体、气体和火焰等。因此这种方法在THz时域光谱学中最具有代表性。一种标准的透射型太赫兹时域光谱系统的光路如图2.1所示7,8。泵浦和探测THz波所用的飞秒激光器是美国相干公司生产的自锁模可调谐式钛蓝宝石飞秒激光器，激光中心波长为800nm，脉宽小于100fs，重复频率为80MHz,

18、平均输出功率650mw。飞秒激光脉冲经半波片(half-wave Plate,HWP)后被分束镜(cubic beam splitter,CBS)分为泵浦光I和探测光11。泵浦光I在经过斩波器和由反射镜M3、M4组成的电动平移台后经反射镜M5、M6反射，再经A3、A4和凸透镜Ll准直、聚焦后以450角入射到晶向为<100>的p-型砷化锢(InAs)晶体上，通过光整流效应激发出THz波。探测光11经过一系列反射镜M7M12以及凸透镜L2后经偏振片P打在高阻硅Si上，经过高阻硅的反射打在晶向为<l10>型，厚度为0.8mm的ZnTe扮电光探测晶体上，在ZnTe晶体上与经四个

19、抛物面镜印parabolic mirror,PM)反射并透过样品而载有样品信息的太赫兹波共线，太赫兹波通过电光晶体调制探测光从而将样品的信息加载到探测光束上来。载有样品信息的探测光最终经过四分之一波片(quarter-wave plate,QwP)和凸透镜L3后被渥拉斯顿棱镜(wollaston prism,PBS)分为两个偏振方向垂直的分量，最后由差分探测器通过测量两偏振分量的差异而解调出样品的信息。该系统的基本工作原理是：飞秒激光脉冲入射到InAs电光晶体中通过光整流效应的方法产生出THz电磁波。THz波经过样品时由于对样品的响应而携带上样品的信息(包括色散和吸收)，然后被抛物面镜反射到电

20、光晶体ZnTe上，利用电光取样的方法进行测量。THz波电光取样的方法是基于线性电光效应(又称普克尔效应)进行的，当THz脉冲电场通过电光晶体时，其瞬态电场将通过线性电光效应使电光晶体的折射率发生各向异性的改变，从而调制晶体的折射率椭球，当另一束探测光和THz脉冲同时通过晶体时，在晶体中产生的双折射使探测脉冲的偏振方向发生偏转，调整探测光脉冲和THz脉冲间的时间延迟，检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以获得THz脉冲电场的时间波形。2.1.2反射型太赫兹时域光谱系统反射型太赫兹时域光谱系统与透射型太赫兹时域光谱系统的工作原理基本一致，区别在于反射型系统的探测器接收的是由样品表面反射的THz波。如图2.2所示。 图2.2 反射型太赫兹时域光谱系统简图反射型THz时域光谱系统对于实验技术上的要求比较高。这是因为扫描参考信号时，样品架的位置应该放上与样品的表面结构基本一样的金属反射镜, 而且要求反射镜的位置和样品的位置严格复位。这就加大了样品、样品架及用作参考的金属反射镜的制作难度。参考文献1.刘盛纲.太赫兹科学技术的新发展.中国基础科学,2006.8(l),7-12.2.G Davies,E Linfield.Bridging the terahertz gap.Physies world,2004.17(4),37-41.3.张希成,B