第二章 太赫兹波的产生
太赫兹波
太赫兹检测技术1 太赫兹波简介电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。
电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等等。
太赫兹波(Terahert或称太赫兹辐射、T-射线、亚毫米波、远红外，简称THz) 通常指频率在0.1~10THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射。
若以应用频率范围的载体为坐标，则太赫兹波位于“雷达”与“人”之间。
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。
图1 电磁波谱图Fig1 Electromagnetic spectrumTHz波在无线电物理领域称为亚毫米波，在光学领域则习惯称之为远红外辐射；从能量辐射上看，其大小在电子和光子之间。
在电磁频谱上，THz波段两侧的红外和微波技术已经很成熟，但是THz技术还不完善。
究其原因是因为此频段既不完全适和用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究，缺乏有效的产生和检测THz波的手段，从而形成了所说的“THz空隙”。
2 THz辐射研究的发展历史与现状上世纪九十年代以后,超快激光技术的迅速发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源。
太赫兹波段各种技术的研究才蓬勃发展起来。
与此同时，半导体物理的研究和材料加工工艺的改进也日趋完善，人们在选择与太赫兹辐射研究相关的半导体材料过程中发现半导体材料有着尤为重要的研究价值，且它们都是常用的半导体材料；同时通过掺杂工艺，改善半导体材料的性质，如载流子迁移率、寿命和阻抗都可以控制调整以适应光电器件的要求，这些半导体制作工艺上的发展促进了相关科学技术的发展。
2.1 THz辐射的特点THz技术之所以引起人们广泛的关注，主要是由于太赫兹电磁波独有的特点，各种物质在这一频段的独特响应及其在特定领域中的不可替代性[1]。
太赫兹通信原理
太赫兹通信原理太赫兹，这是个啥呢？要是把通信的世界比作一个超级大的游乐场，那太赫兹就像是里面一个特别神秘又超酷的游乐设施。
太赫兹波啊，它的频率在微波和红外光之间。
这就好比是在一群小伙伴里，它的性格有点独特，既有着微波的某些特点，又带着红外光的一点小个性。
太赫兹波的频率很高很高，这就使得它能携带好多好多的信息。
就像一个超级能装东西的大口袋，别的口袋只能装一点小物件，它这个口袋能一股脑儿把好多信息都塞进去。
从产生太赫兹波来说，有好多办法呢。
就像做菜一样，不同的菜有不同的做法。
有些是通过电子学的方法，就像用电烤箱烤面包一样，通过电子设备的一些巧妙组合和操作，让太赫兹波就这么诞生了。
还有些是用光学的方法，这就好比是利用太阳光的能量来做一些神奇的事情，在特定的光学设备里，太赫兹波就像被魔法召唤出来一样。
那太赫兹波在通信里是怎么玩的呢？想象一下，太赫兹波是一群超级快递员。
我们要传递的信息就是包裹。
这些快递员速度特别快，而且因为频率高，能分清楚每个包裹该送到哪里。
在太赫兹通信的世界里，发射端就像是包裹的发货站。
这里把各种信息打包好，然后交给太赫兹波这群快递员。
太赫兹波呢，就带着这些包裹，以超快的速度冲向接收端。
接收端就像是收货站，稳稳地把包裹接住，然后把里面的信息提取出来。
太赫兹波在传播的时候也有自己的脾气。
它不像有些波那样，到处乱传。
它在大气里传播的时候，会受到一些东西的影响，比如水汽啊。
这就好比是快递员在送货的路上，会遇到一些小障碍，比如说下雨天路上有积水。
不过呢，这也难不倒太赫兹波。
科学家们就像聪明的导航员，想办法给太赫兹波规划好路线，避开那些不好走的地方。
在太赫兹通信的应用里，那可就太有趣了。
比如说在高速的数据传输方面，就像家里的宽带网络，太赫兹通信能让我们下载东西快得飞起。
以前下载一部高清电影可能要等半天，要是用上太赫兹通信，那就像闪电一样，眨眼间就下好了。
还有在一些特殊的场景，像飞机上的通信。
飞机在高高的天空里飞着，普通的通信方式有时候就不太灵光了，太赫兹通信就像一个超级英雄，能让飞机和地面或者其他飞机之间的通信又快又稳。
太赫兹波的产生
2.2 基于电子学的太赫兹辐射源基于电子学的太赫兹辐射源包括微型真空电子器件、相对论性电子器件、半导体激光器等。
2.2.1 真空电子器件采用先进的微细加工技术，如LIGA技术（LIGA是采用X射线刻蚀和电铸相结合的技术）、MEMS（微电子机械系统）加工技术等，将固态加工技术引入到真空电子技术领域之中，可以制造出能作为太赫兹辐射源的微型真空电子器件（μVED）。
这些器件克服了普通三、四极管的渡越时间效应，而且如果利用微波管分布作用原理，就可使微波管的工作频率达到太赫兹频段，成为一种非常具有应用前景的太赫兹辐射源。
这类太赫兹辐射源有纳米行波管及其阵列、返波振荡器、纳米速调管及其阵列、回旋管、自由电子激光器、相对电子注或等离子体电子器件等（见图2-11），具有噪声低、增益高、效率高、体积小、重量轻、性能稳定等特点。
但是，它们在某些方面也存在着一些问题，如射频窗口、波导元件、磁聚焦问题、阴极和电子枪及器件的装配等，而这些问题又直接限制了微型真空电子器件的性能指标。
目前，在太赫兹频段对于微型真空电子器件的研究还处于研究阶段，它将是一种非常具有应用前景的太赫兹真空辐射源。
图2-11 真空电子学太赫兹源的功率与频率1. 行波管行波管（Traveling Wave Tube ，TWT）是一种基于电子注与行波场之间相互作用的行波型器件，其优点是：频带宽，增益大，寿命长，工作稳定可靠。
行波的种类很多，根据外加磁场的形成可以将其分为具有纵向（沿电子流方向）磁场的“O”型行波管和具有横向磁场的“M”型行波管。
行波管是唯一能将大功率与宽频带等微波管所具有的优点有效结合的微波管器件。
而在这里仅介绍“O”型行波管。
图2-12 行波管结构原理图行波管是利用电子流与沿慢波系统行进的电磁波间的连续互相作用而放大超高频（微波）电磁波的一种微波电子管。
它的一种典型结构如图2-12所示，主要有以下几个部分组成：1)电子枪，包括阴极、加速极；2)微波结构，包括慢波系统、输入、输出的微波结构；3)收集极；4)聚焦磁场。
2第二章-太赫兹波的产生
• 甲醇分子气体激光器是最常见的光泵浦太赫兹激光器之一 。
• 充气管：管内充有气体并产生气体放电。
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微波电子管
• 工作于微波波段的真空电子器件。用来把直流能量转换成 频率为300MHz到 3000GHz的电磁振荡能量，包括M型 返波管、直射速调管、反射速调管、O型返波管和回旋管 等。
• 通常将微波气体放电管也划归微波电子管一类。
• 微波电子管主要用于雷达、电视、微波通信、导航、电子 对抗、遥控遥测、工业加热及粒子加速器等。
• 它起因于介质的三阶非线性极化。
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THz的指标参数
• 频率范围
• 频率0.1THz-10THz
• 功率范围
• 纳瓦到微瓦量级
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方法四：气体激光器
• 激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放 大或振荡发射的器件。
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基本概念
• 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同 ，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损 耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励源、具有亚稳 态能级的工作物质两个部分。
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THz的指标参数
• 频率范围
• 0.1-10THz范围内的单频输出
• 功率范围
• 百毫瓦量级
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主要内容
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第二章-太赫兹波的产生
第二章太赫兹波的产生太赫兹辐射源的研究是太赫兹科技发展的核心内容。
早在上个世纪20年代就有科学家对太赫兹波产生了浓厚的科学兴趣，但其产生方法和探测手段相对于十分成熟的微波、光学技术仍显得十分落后。
由于当时的电子学和光子学理论、技术都难以达到太赫兹频段，所以直到80年代中期，科学家对于该波段得电磁辐射性质的了解还是非常有限，也就形成了远红外和毫米波之间所谓的“太赫兹间隙”(THz Gap）。
如何能有效地产生出高功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的且宽带可调的太赫兹辐射源来，以及如何将其方便、灵活地运用于日常的科研工作和实际生活之中，已经成为21世纪科研工作者的追求目标和迫切需要解决的实际问题。
太赫兹辐射源（见图2-1）的分类主要有两种，第一种，根据应用范围可分为：针对太赫兹波谱学和成像应用的连续窄带的太赫兹辐射源，针对太赫兹波谱学和成像应用的宽带太赫兹辐射源，针对物质非线性和非热平衡状态研究应用的高能量窄带太赫兹辐射源。
第二种分类是根据产生太赫兹机理可分为：基于电子学的太赫兹辐射源，例如反向波振荡器、自由电子激光器、浅掺杂的P型锗半导体激光器、量子级联激光器等；基于光学、光子学及非线性光学的太赫兹辐射源，如利用超短激光脉冲产生太赫兹辐射，利用非线性频率变换过程产生太赫兹辐射，利用远红外光泵浦产生的太赫兹辐射。
；图2-1 各种太赫兹源的功率和频率缺少高功率、低造价和便携式的且能够在室温下工作得太赫兹源是目前限制太赫兹应用的最主要因素。
但仍有很多辐射源可能成为其潜在的候选者，在快速电子学、激光和材料研究之中，每一种辐射源都有其独特的优点。
这些辐射源可以被粗略地分为以下几类：不相干的热发射源、宽波段太赫兹脉冲技术以及窄波段的连续波方法。
窄频带的太赫兹辐射源：窄频带的辐射源对于高频谱分辨率的应用是十分重要的，在通信和超宽频带的卫星通信上也有很好的应用前景。
所以在过去的一个世纪里，很多研究工作都是集中在如何开发窄波段的太赫兹辐射源上。
太赫兹波的产生及探测方法综述
图七
光电导天线采样原理示意图
3、空气探测方法
空气探测法是一种新的 THz 探测方法，该种方法利用飞秒激光与空气等离 子体相互作用产生较强的太赫兹波脉冲辐射的原理，从而探测到太赫兹波的时 域波形。2006 年，Jiangming Dai 和 X.-C. Zhang 等人，根据 THz 辐射的产生 和探测是互逆过程这一理论， 利用三阶非线性性质实现了空气等离子体探测 THz 电场。 该方法利用空气做介质，在外加偏置电场下利用探测光离化空气产生等离 子体并辐射激光脉冲的二次谐波，相干探测太赫兹波脉冲，因此也称为 Air-Biased-Coherent-Detection， 即 ABCD。 在太赫兹波辐射源较宽的情况下， 空气探测方法不受晶体声子吸收的影响， 因此它所探测到的谱能够覆盖整个 “太 赫兹波间隙”，目前报道的利用该方法探测已经可以得到 30THz 的谱，因此这
图四
等离子体有质动力产生太赫兹波
另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫 兹。将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离 形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是 一个三阶的非线性四波整流（ 混频） 过程 ，称之为 Four Wave Rectification-FWR （或 Four Wave Mixing-FWM）。 图五为四波混频辐射太赫兹示意图。
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波 段具有很多独特的性质： （1）宽带性：一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个 脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱 性质。 （2）瞬态性：太赫兹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，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背 景辐射噪音的干扰。 （3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV， 一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的 电离，便于对生物体进行活体检验。 （4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激 光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的， 它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问 题有很大的优势。 （5）透射性：除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透 性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。 （6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光 谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广 阔的应用前景。
太赫兹
太赫兹THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。
太赫兹波是指频率在0.3THz到3THz范围的电磁波，波长大概在0.1mm(100um)到1mm范围，介于微波与红外之间。
随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。
人们关注THz技术的原因是THz射线普遍存在，是人们认识自然界的有效线索和工具。
但是相对于其他波段的电磁波比如红外和微波，对它的认识和应用非常匮乏。
其次，THz射线有它自身的特点。
一、是THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。
目前，脉冲THz 辐射通常只有较低的THz 射线平均功率，但是由于THz 脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。
二、是THz 脉冲源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 直至几十THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。
因此THz 时域光谱技术作为探测材料在THz 波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。
三、THz 光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。
四、许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。
太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加（超声、红外、X－射线技术也能提高图像分辨率，但是毫米波技术却没有明显的提高）。
另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，能够探测和测量水汽含量等等。
太赫兹波的发射与探测
论文题目:太赫兹波的发射与探测毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果，如违反有关规定或上述声明，愿意承担由此产生的一切后果。
作者签字：摘要本文主要概述介绍了太赫兹波的在电磁波中位置，概述利用光整流、光电导天线、参量振荡、空气等离子体等方式产生太赫兹波，以及利用电光取样、光电导天线等探测THz波的方法。
简单的论述了THz时域光谱技术在某些各领域的应用。
关键词：太赫兹波产生探测时域光谱应用目录一绪论 (1)（一）太赫兹波在电磁波中的位置 (1)（二）太赫兹波的性质 (2)二太赫兹波的发射 (4)（一）光导天线 (4)（二）光整流方法 (5)（三）空气产生太赫兹波 (7)（四）太赫兹参量源 (7)（五）光泵浦太赫兹激光器 (8)三太赫兹波的探测 (10)（一）光电导取样 (10)（二）电光取样 (11)四太赫兹波的应用 (13)（一）THz波与物质相互作用 (13)（二）太赫兹波重要方面的应用 (13)参考文献 (17)致谢 (19)一绪论太赫兹波技术的兴起，带来新兴技术的革新。
太赫兹波作为电磁波谱的新开发的一个频率窗口，由于在物理，化学，生物医学，通信，安全检查等各方面都有广阔的应用前景，自发现以来太赫兹辐射源和探测器的研究在不断的取得新的进展，极大的促进了太赫兹技术的研究和发展。
（一）太赫兹波在电磁波中的位置太赫兹波通常指的是频率在0.1THz---10THz范围内的电磁辐射.从频率看，该波段位于毫米波和红外线之间.属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间，在电磁波频谱上，如图1－1所示，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个“空白”。
太赫兹3大工作原理
太赫兹3大工作原理太赫兹技术是一种使用太赫兹波段（位于电磁波谱中红外光与微波之间）进行通信、成像和传感的新兴技术。
其在无线通信、成像和安全检测等领域具有广泛的应用潜力。
太赫兹波段的特点在于其波长相对较长，能够穿透许多非金属的物体，同时又能够提供较高的分辨率。
太赫兹技术的工作原理可以分为三类：电磁波辐射、光学物质相互作用和低能量电子相互作用。
第一种工作原理是电磁波辐射。
当电流通过导电体或半导体的时候，会生成太赫兹波辐射。
这种辐射是由电荷加速产生的电磁波，波长范围在微波和红外光之间。
太赫兹辐射具有强大的穿透能力，因此可以穿透并检测非金属物质，如塑料、纸张、织物等。
这使得它在安全检测、物质成分分析和通信中具有广泛的应用。
第二种工作原理是光学物质相互作用。
太赫兹波能够与物质中的分子和晶格结构发生相互作用，从而使得物质的光谱特性发生变化。
这种相互作用可以用来研究材料的结构、成分和动力学特性。
通过太赫兹光谱技术，可以测量样品的吸收、透射和反射等光学特性，从而获取样品的内部结构和组分信息。
这使得太赫兹技术在医学诊断、药物研发和材料科学等领域具有广泛的应用。
第三种工作原理是低能量电子相互作用。
太赫兹波能够与物质中的电子发生散射，从而改变其运动状态。
这种相互作用可以用来研究电子在材料中的输运和动力学行为。
通过太赫兹时间域光谱技术，可以测量材料中的电子动力学过程，如载流子寿命、载流子迁移率和电子-声子相互作用等。
这使得太赫兹技术在半导体器件研发、光电子器件测试和超导材料研究等领域具有广泛的应用。
总的来说，太赫兹技术的工作原理涉及电磁波辐射、光学物质相互作用和低能量电子相互作用。
这些原理使得太赫兹技术在无线通信、物质成分分析和材料研究等领域具有广泛的应用前景。
随着对太赫兹波现象的深入研究和技术的不断改进，太赫兹技术在未来将会有更多的创新和突破。
磁有序材料太赫兹时域光谱研究.doc
磁有序材料太赫兹时域光谱研究第一章绪论1.1太赫兹波简介太赫兹波(Terahertz，THz，lTHz=1012Hz~300 m~33cm-1~4.1meV~47.6K)通常定义为频率从0.1-10THz 范围内的电磁波。
早在十九世纪二十年代就有人对太赫兹电磁波进行了研究[1]。
但是，“Terahertz”一词却是由费莱明Fleming）于1974 年首先提出的[2]，当时提出来这个词是用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱频率范围的。
太赫兹波由于它位于微波和红外线之间，技术上属于传统的微波技术与光学技术的过渡，在过去相当长的时间里，由于缺乏产生和检测THz 波的有效方法，相对于微波技术和光学技术，该波段的研究进展相当缓慢。
由此，许多研究者称其为“THz 空白”THz Gap）[3,4]。
现在看来，THz 空白其实包含了两层含义：一是THz 波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，从频率上看，该波段位于无线电波和光波和红外波之间，如图1-1 所示，其长波段方向与毫米波(亚毫米波)重合，在短波段方向与红外线相重合，所处的位置正好处于技术发展相对较为完善的微波、毫米波与红外光学之间，形成一个相对落后的“空白”；二是THz 波的长波方向属于电子学(Electronics)范畴，短波方向属于光子学(Photonics)范畴，从能量上看，介于电子和光子之间，从而在电子学与光子学之间形成了一个“空白”。
.1.2 太赫兹电磁波的独特性质科学家发现，在宇宙大爆炸理论中，从宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射，几乎一半以上的能量和几乎全部光子都分布在THz 波段，我们周围的大多数物体的热辐射都在太赫兹波段(约为6THz)。
现在国际科学界已经越来越认识到太赫兹波的优越性，认为它为技术创新、经济发展和国家安全等提供了新的机遇。
太赫兹波科学与技术(完整版)实用资料
太赫兹波科学与技术（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）太赫兹波科学与技术Sc i e nce and Te chno l o gy o f Te rahe rtz W ave周泽魁张同军张光新(浙江大学信息科学与工程学院自动化仪表研究所,杭州310027摘要:太赫兹波是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的电磁辐射区域,它在成像、医学诊断、安全检查、信息通信、空间天文学乃至军事等领域都有着广阔的应用前景。
从总体上介绍了太赫兹波的独特性质、应用领域,阐述了太赫兹波的产生、太赫兹波探测的机理和方法,并简单讨论了太赫兹技术的发展前景:被誉为21世纪影响人类未来的十大技术之一的太赫兹波科学技术,将会在未来的数十年间逐渐成熟并得到广泛的应用。
关键词:太赫兹波太赫兹波的产生太赫兹波的探测成像中图分类号:O434.3文献标识码:AAbstract:Terahertz wave is an electr omagnetic radiation area with significant scientific value,but has not been fully developed .Its app lica 2ti ons possess wide p r os pects in i maging,medical diagnosis,security inspection,infor mati on communicati on,astr onomy and m ilitary research,etc .The unique characteristics and the app licable areas of terahertz wave are generally intr oduced,and the mechanis m and methodol ogy of gen2erati on and detection of terahertz wave are reviewed .The devel op ing trend of terahertz technol ogy is briefly discussed .It is said that terahertz wave is one of ten technologies influencing human future in 21century,and it will mature gradually and be app lied widely in com ing decades .Keywords:Terahertz wave Generation of terahertz wave Detection of terahertz wave I maging0引言太赫兹波(又称THz 波、T 射线通常是指频率在0.1~10THz (1THz =1012Hz 范围内的电磁辐射,在电磁波谱上位于微波和红外线之间,如图1所示[5〗。
太赫兹波的产生及探测方法综述教程
图一 太赫兹波在电磁波谱中的位置
二、太赫兹波的性质
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波 段具有很多独特的性质：
1、宽带太赫兹的产生方法
A）光整流法产生太赫兹
光整流是一种非线性效应，是光电效应的逆过程，光整流过程也称为光致 直流电场过程，是一个二阶非线性过程。一般来说，两束光束在线性介质中可 以独立传播，且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中，它们将会发生 混合，会产生和频振荡和差频振荡现象。
如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则根据傅里叶变换理论，一 个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，这些单色光将会在非线性介质 中发生混合。其中，由差频振荡效应会产生一个低频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。这与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，则辐射出的电磁波频率 的上限就会在太赫兹量级，这种效应被称为太赫兹光整流效应。图二所示为光 整流法产生太赫兹波示意图。
（3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV， 一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的 电离，便于对生物体进行活体检验。
（4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激 光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的， 它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问 题有很大的优势。
太赫兹科学与技术原理
太赫兹科学与技术原理嘿，咱今儿来聊聊太赫兹科学与技术原理这档子事儿啊！你说这太赫兹，它就像是一个神秘又厉害的魔法盒子。
咱平常熟悉的光啊、电波啊啥的，太赫兹就在它们中间的那么一个特别地带。
它的频率可高啦，高到让你想不到。
就好像咱生活里常见的各种东西，比如手机信号，那是一种频率；还有家里的 Wi-Fi 信号，又是一种频率。
而太赫兹呢，就是个独特的存在。
想象一下啊，太赫兹波就像是一个超级小精灵，能在各种领域大显身手呢！在安检的时候，它能轻轻松松地看穿各种东西，什么危险物品啊，一下子就能被它发现，就像孙悟空的火眼金睛一样厉害！而且在医学上，它也能发挥大作用呢，可以帮助医生更清楚地看到人体内部的情况，就好像给医生配了一副超级透视眼镜。
太赫兹科学与技术的原理其实也不复杂，就是利用太赫兹波的各种特性嘛。
它能穿透很多材料，又能携带很多信息。
这就好比是一个快递员，能把各种重要的“包裹”准确无误地送到目的地。
咱再说说它在通信领域的应用吧。
你想啊，以后要是用太赫兹来传输信息，那速度得多快啊！简直就像火箭一样嗖的一下就传过去了。
这可就太棒了呀，下载个大电影啥的，眨眼的功夫就好了，那多爽！还有啊，在材料检测方面，太赫兹也有一手呢。
它能检测出材料的好坏，就像一个经验丰富的老师傅，一眼就能看出东西有没有问题。
你说这太赫兹科学与技术是不是很神奇？它就像是隐藏在科技世界里的一颗璀璨明珠，等待着我们去发现和利用它更多的神奇之处。
咱平常可能觉得这些高科技离我们挺远的，但其实它们就在我们身边，慢慢地改变着我们的生活。
说不定哪天，你买的新手机就用上了太赫兹技术呢！这太赫兹科学与技术原理啊，真的是充满了无限的可能和惊喜。
咱可得好好关注它，说不定哪天它就能给我们带来更大的惊喜呢！你说是不是这个理儿？反正我是这么觉着的！。
THz generation and dtection太赫兹电磁波的产生和检测PPT
Dt, Dw
c(2)
P(t)
ETHz(t)
2P(t) 2t
E T( H t) z J ( tt) 2 P 2 ( tt) c (2 ) 2 I 2 (tt)
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精选ppt
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光电子学——光电导天线
偶极天线发射THz波原理
p
-
+
a
-+
p
dipole
p=qa
laser
h+ e-
研究生系列讲座——
太赫兹电磁波的产生和检测
1-50
精选ppt
提纲
1 太赫兹波的产生 2 太赫兹波的检测
太赫兹技术和应用 3 太赫兹波光谱
4 太赫兹波成像
2-50
5 ………
精选ppt
提纲
1 太赫兹波的产生 2 太赫兹波的检测
太赫兹技术和应用 3 太赫兹波光谱
4 太赫兹波成像
3-50
5 ………
精选ppt
精选ppt
高莱探测器 （Golay Cell）
➢ 非相干测量 ➢ 0.1 THz — 100 THz ➢ NEP: 10-10 W/Hz1/2 ➢ R = 1.5×105 V/W
34-40
精选ppt
热释电探测器 （Pyroelectric detector）
➢ 非相干测量 ➢ 0.1 THz — 100 THz ➢ NEP: 10-9 W/Hz1/2
microwaves
visible x-ray g -ray
100 103 106
109 1012 1015 1018 1021 1024 Hz
dc kilo mega giga tera peta exa zetta yotta
第二章 太赫兹波的产生-
第二章太赫兹波的产生太赫兹辐射源是太赫兹技术能否转化为现实生产力的关键环节,而大功率、高效率的THz 发射源则是THz 时域光谱技术、THz 诊断和成像技术以及THz 雷达和通信能否成为投入实际应用的决定性因素。
如何才能有效地产生出大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的、宽带可调的太赫兹辐射源,以及如何将其方便、灵活地应用于日常的科研工作和实际生活之中,已经成为21世纪太赫兹领域的科技工作者所追求的目标,以及他们迫切所要解决的实际问题。
虽然说现在依然缺少高功率、低造价和便携式的低温太赫兹光源,从而也就限制了太赫兹在实际中的应用,但是,仍有许多种光源可能成为其潜在的候选者。
在快速电子学、激光和材料的研究之中,每种都有其特有的方面,而这些光源可以被粗略地分为以下几类:不相干地热发射源、宽频带的太赫兹脉冲源以及窄频带的太赫兹连续波源等。
当然也可以有其他的分类方式,如根据其应用范围或产生机理等。
接下来就根据不同的产生机理来逐一介绍几种常见的太赫兹源。
2.1 基于光学效应的太赫兹辐射源本节主要讨论产生太赫兹脉冲的几种常用的光学方法:与超短激光脉冲有关的能产生宽带亚皮秒太赫兹辐射的光电导、光整流、等离子体四波混频(即空气产生太赫兹,以及与晶格振动有关的太赫兹波参量源、太赫兹气体激光器等。
光电导方法就是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源,从而向外辐射太赫兹,如图2-1(a 所示。
而常用的光电导材料有:高电阻率的砷化镓(GaAs ,磷化铟(InP ,以及用放射法制作的有缺陷的硅(Si 晶片。
光电导天线的基本原理是:在这些光电导半导体材料表面淀积上金属电极制成偶极天线结构,如图2-1(b 所示。
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(光子的能量要大于或等于该种材料的能隙,即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g E hv ≥材料的表面形成瞬变的光电流。
太赫兹应用及其产生方法
太赫兹及其产生方法摘要：太赫兹技术是20世纪80年代末产生的一种高新技术，近年来颇受关注。
它在基础研究、生物科学等众多领域都有非常重要的应用前景。
THz波具有很多的优越性，具有重要的研究价值。
本文简要的介绍了THz波及其在公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信方面的应用，然后深入的阐述了THz波的产生方法。
关键词：THz波的应用THz波产生方法1.引言随着现代科学技术的发展、国际竞争的加剧以及社会信息化进程不断加快，各种各样的新技术、新思想大量涌现出来。
从云计算到物联网，从激光到太赫兹技术的出现都给了我们很大的机遇，同时也存在一定的挑战。
为在国际竞争中立于不败之地，我们国家在“十二五”战略新兴产业发展重点中提出了应大力发展信息产业、生物产业、航空航天产业、新能源产业、新材料产业、节能环保产业、新能源汽车产等新型产业，另外国家还确定了五项科技领域，而太赫兹技术在这些领域的探索及应用中起着举足轻重的作用。
2.太赫兹简介及其应用2.1太赫兹简介太赫兹通常是指频率在0.1~10THz的电磁波，是上个世纪八十年代中后期才被正式命名的，在此之前科学家们称其为远红外射线。
实际上早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。
随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。
2004年，美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。
我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。
另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。
太赫兹波光子能量
太赫兹波太赫兹波是指波长在 3μm 到 1000μm 之间，频率为 0.1-10THz，介于微波与红外线之间的电磁波。
太赫兹波不仅拥有与光相同的直进性，还具有与电波相似的穿透性和吸收性。
根据发射源和发射方法的不同，太赫兹波分为两种：（一）、干涉太赫兹波（人工波，单一波），由红外线激光和光电导体共振或激光自由电子与半导体的共振产生。
（二）、太赫兹波（自然光，复合波），包括月亮、星星的光以及宇宙光（暗黑宇宙空间的光）。
二、太赫兹波的应用（一）、医学诊断及成像太赫兹波也具有类似X射线的穿透能力，但其光子能量小，对人体的辐射能量比X光小100万倍，因此不会对人体造成辐射性伤害。
另外，X光穿透性很强，无法细致区分正常细胞与癌细胞，超声波穿透性又稍弱，照射不到细胞内部，只能“看到”直径大于1毫米的癌症肿瘤。
而太赫兹波却恰好能够检测到细胞内部生化信号的变化，分辨出正常细胞和癌细胞的不同。
（二）、安全检查太赫兹可以轻易穿透塑料、衣物、纸盒等非极性和非金属材料，能有效探测和识别出藏在包裹、信件和衣服中的枪支、毒品、炸药等危险品。
分辨爆炸物品和药品的区别，太赫兹可以做到。
目前，利用太赫兹遥感能准确发现30米内的爆炸物品，这是远远优于其他安检手段的，美国ProVision系列已在欧美多个机场投入使用，（三）、通信雷达太赫兹波是很好的宽带信息载体，在网络通信方面有很大的应用前景，尤其在卫星间、星地间的无线通信，高速局域网通信方面具有巨大优势。
太赫兹波的频率是目前手机通信频率的1000倍左右，利用太赫兹波实现超宽带高速无线通信。
当前，国际通讯联盟已指定下一代地面无线通信的频段0.12 THz，太赫兹技术将成为6G或7G通讯的基础，人类将全面进入太赫兹通信时代。
（四）、射电天文在宇宙中，大量的物质在发出太赫兹电磁波，来自星际物质的太赫兹波会包含各种气态分子的信息。
遥远星系的辐射由于宇宙膨胀偏移到了太赫兹波段，因此利用太赫兹波还可以探测宇宙的演化。
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第二章 太赫兹波的产生太赫兹辐射源是太赫兹技术能否转化为现实生产力的关键环节，而大功率、高效率的THz 发射源则是THz 时域光谱技术、THz 诊断和成像技术以及THz 雷达和通信能否成为投入实际应用的决定性因素。
如何才能有效地产生出大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的、宽带可调的太赫兹辐射源，以及如何将其方便、灵活地应用于日常的科研工作和实际生活之中，已经成为21世纪太赫兹领域的科技工作者所追求的目标，以及他们迫切所要解决的实际问题。
虽然说现在依然缺少高功率、低造价和便携式的低温太赫兹光源，从而也就限制了太赫兹在实际中的应用，但是，仍有许多种光源可能成为其潜在的候选者。
在快速电子学、激光和材料的研究之中，每种都有其特有的方面，而这些光源可以被粗略地分为以下几类：不相干地热发射源、宽频带的太赫兹脉冲源以及窄频带的太赫兹连续波源等。
当然也可以有其他的分类方式，如根据其应用范围或产生机理等。
接下来就根据不同的产生机理来逐一介绍几种常见的太赫兹源。
2.1 基于光学效应的太赫兹辐射源本节主要讨论产生太赫兹脉冲的几种常用的光学方法：与超短激光脉冲有关的能产生宽带亚皮秒太赫兹辐射的光电导、光整流、等离子体四波混频（即空气产生太赫兹），以及与晶格振动有关的太赫兹波参量源、太赫兹气体激光器等。
2.1.1 光电导天线光电导方法就是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐射太赫兹，如图2-1（a ）所示。
而常用的光电导材料有：高电阻率的砷化镓（GaAs ），磷化铟（InP ），以及用放射法制作的有缺陷的硅（Si ）晶片。
光电导天线的基本原理是：在这些光电导半导体材料表面淀积上金属电极制成偶极天线结构，如图2-1（b ）所示。
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(光子的能量要大于或等于该种材料的能隙，即)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g E hv ≥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。
图2-1 （a）光导天线受激辐射示意图，（b）光电导天线，也称偶极天线、Grischkowsky天线由图2-1（a）可知，此种太赫兹辐射系统的性能取决于三个因素：光导体、天线的几何结构和泵浦激光的脉冲宽度。
光导体是产生太赫兹辐射的关键部件，对于性能良好的光导体来说，它应该具有载流子寿命极短、载流子迁移率高和介质耐击穿强度大等特点。
目前应用于太赫兹技术中最多的光导体材料是Si和低温生长的GaAs（LT-GaAs）材料。
而天线结构通常有赫兹偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线以及大孔径光导天线等。
由于偶极子天线的结构相对简单，所以在大多数实验当中都是采用这种结构的天线。
这种天线结构由3部分组成：平面偶极子，产生光电流的光导开关，用作欧姆接触的两条共面传输线，如图2-1（b）所示。
另外，材料的一些参数特性也会影响到最终所产生的太赫兹辐射的能量和频谱宽度。
如若要有效的辐射出太赫兹，光电流的快速增大和衰减是必需的。
所以，电子有效质量较小的半导体材料，如砷化铟（InAs）和InP是用来产生太赫兹很好的材料。
材料的最大迁移率也是一个重要的参数，但带内散射率或直接带隙半导体（如GaAs）的谷间散射对它限制很大。
此外，由于辐射能量主要是来源于以偏置静电场形式储存的表面能，所以偏置电场、激发光强的大小也能影响到太赫兹辐射的能量。
如果增大外加电场，就可以得到更强的太赫兹辐射脉冲，由此可以采用大孔径光导天线。
此外，如果要增大太赫兹信号功率，也可采用天线阵列来实现。
另一个重要的参数就是材料的击穿电场，这是因为击穿电场决定了可施加的最大电场。
利用光电导发射装置可以产生相对较大的（大约40μW）太赫兹辐射功率和相当宽的辐射带宽(4 THz)。
2.1.2 光整流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。
众所知道，两束光束在线性介质中可以独立传播，且不改变各自的振荡频率。
然而在非线性介质中，它们将会发生混和，从而能产生和频振荡及差频振荡现象。
由此在出射光中，除了和入射光具有相同频率的光波以外还有其他频率（例如和频）的光波。
而且当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通过差频振荡效应激发出一个恒定（不随时间变化）的电极化场。
这个电极化场不会向外辐射电磁波，它只是会在介质内部建起一个直流电场。
我们就把这种现象称为光学整流效应。
如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则根据傅立叶变换理论可知，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，这些单色光将会在非线性介质中发生混合。
其中，由差频振荡效应会产生一个低频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，如图2-2所示。
光整流的物理过程是一个瞬间完成的过程，而产生的太赫兹辐射强度与非线性介质的极化电场强度P(t)的低频部分对时间的二阶偏导数成正比。
光整流的关键问题是位相匹配，它可以放大激光和太赫兹脉冲在非线性介质中的相互作用，并且能增强光整流的产生效果。
另外，非线性介质的非线性系数对所产生的太赫兹脉冲的振幅强度、频率分布以及光整流的转换效率，如图2-2（a）所示。
常用的非线性介质由LiNbO3、LiTaO3、有机晶体DAST、半导体GaAs、ZnTe、InP、InTe等。
用得最多的是ZnTe和GaAs，而DAST则是很有潜力得有机介质，它是目前非线性效应最强的物质之一。
图2-2 （a）利用光整流产生太赫兹，（b）太赫兹光整流效应的原理比较光电导和光整流这两种产生太赫兹脉冲的机制可知：（1）用光导天线辐射的太赫兹脉冲能量通常要比用光整流效应所产生的太赫兹脉冲的能量强。
这是因为光整流效应产生的太赫兹波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量，而光导天线辐射的太赫兹波的能量则主要来自天线上所加的偏置电场，如果要想获得能量较强的太赫兹脉冲，则可以通过调节外加电场的大小来实现。
（2）光导天线产生的太赫兹电磁波的频率较低，而光整流产生的太赫兹电磁波的频率较高。
（3）光导天线产生的太赫兹脉冲频谱宽度较窄，而光整流产生的太赫兹脉冲的频谱宽度较宽。
2.1.3 空气产生太赫兹将超短强激光脉冲聚焦在周围空气中直接产生太赫兹的技术，近年来引起了人们的广泛关注。
该方法可在远处（可在几公里远）产生太赫兹波，所以应用前景十分美好。
当前对空气等离子体产生太赫兹的机制解释还没有完全的定论，现有许多模型如有质动力模型、辐射压力模型、四波混频模型和量子模型等，都在试图对其进行解释，但都只能对该部分该现象给予正确解释。
在此只介绍四波混频模型，该模型是文献中应用比较多的解释之一。
当高能量的超短激光脉冲聚焦在空气中时，焦点处的空气会发生电离现象形成等离子体。
由此所形成的有质动力（Ponderomotive Forces）会使离子电荷和电子电荷之间形成大的密度差，而且这种电荷分离过程会导致强有力的电磁瞬变现象的发生，从而辐射出太赫兹波来。
在空气中产生强太赫兹辐射是实现全空气太赫兹光子学的第一步。
在空气中产生太赫兹波有三种结构，如图2-3所示。
图（a ）是将波长为800nm 或400nm 、持续时间为100fs 的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体从而辐射太赫兹波；而图（b ）较之于图（a ）则是在聚焦透镜后添加一块了BBO 晶体；图（c ）是利用分色镜将波长为800nm 和400nm （基频波与二次谐波）的两束光混合在一起，通过干涉相长或干涉相消对太赫兹辐射进行相干控制。
在本节我们只是着重介绍图（b ）与图（c ）所示的系统。
在图b 与图c 所示的系统中包含了两束光：基频波（ω）和它的二次谐波（2ω），它们分别对应于800nm 和400nm 波。
将它们同时聚焦在空气中，则利用超短激光脉冲诱导空气等离子体中的四波混频整流效应（Four Wave Mixing Rectification, FWMR ），可在空气中产生较强的太赫兹辐射。
)t (*E )t (*E )t (E )t (P )t (E 2)3()3(THz ωωωχ=∝其中，P 表示介质的极化强度，χ（3）表示三阶非线性极化率，E 表示与光场有关的电场强度。
并且由实验结果可知：当基频光、倍频光和太赫兹的偏振方向（如P 偏振）相同时，则可获得最佳的太赫兹辐射效率。
由此上式又可表示为：)(cos )t (*E )t (*E )t (E )t (E 2)3(xxx THz ϕχωωω∝其中φ=2ωτ表示基频波（800nm ）与二次谐波（400nm ）之间的相移，τ表示时间延迟。
时间延迟τ可以从外部精确控制。
图2-3 空气产生THz的三种实验装置示意图如图2-3所示，a图为光脉冲（ω或2ω）在焦点位置产生空气等离子体；这个光电离的等离子体会辐射出太赫兹波，即有质动力驱动电子和离子产生太赫兹波。
而B图是采用非线性光学晶体（透镜后放置BBO晶体）产生二次谐波，再与基频波混合，通过三阶非线性光学效应产生强太赫兹波。
C图则是利用分色镜混合二次谐波与基频波。
两束光的位相、振幅和偏振均可分别控制。
混合后，空气等离子体中的共振三阶非线性效应会产生强太赫兹波辐射。
太赫兹波的极性可以通过改变两束光波之间的位相（通过时间延迟）进行相干控制。
总之，产生太赫兹波的主要机制是在空气等离子体中混合的ω与2ω光束发生的三阶非线性光学效应，即四波混频过程。
太赫兹场的极性和强度完全由ω与2ω光束间的相对位相控制。
当光学脉冲总能量超过空气等离子体形成的阈值时，太赫兹场的振幅与基频波的脉冲能量成正比（线性关系），与二次谐波的脉冲能量的平方根成正比关系。
在四波混频过程中，当所有光波（ω、2ω及THz）的偏振态均相同时产生的太赫兹效果最佳。
上文所介绍的三种产生太赫兹的方法都是利用超短激光脉冲激发不同物质而产生太赫兹的，它们所产生的太赫兹波具有超宽带、脉宽窄、峰值功率高等特点，可应用太赫兹时域光谱成像、精密时间分辨光谱等研究，其信噪比要远高于传统远红外傅立叶光谱，但是这里的太赫兹脉冲频谱较宽、时间相干性差，且不可连续可调、转换效率较低，得到的太赫兹光束的平均功率只有纳瓦到微瓦量级，不利于对其探测。
2.1.4 太赫兹参量源光学参量振荡是产生太赫兹辐射的另一机制，是基于光学参量效应的一种技术。
太赫兹参量源通常有太赫兹参量发生器（TPG，Terahertz-Wave Parametric Generator）和太赫兹参量振荡器（TPO，Terahertz-Wave Parametric Oscillator）两种，二者之间的区别在于TPO有谐振腔，而TPG没有这样的选频结构。