光电导天线产生太赫兹波概要

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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。

SI-GaAs光电导天线产生THz电磁波的性能分析

第1章太赫兹简介1.太赫兹简介1.1太赫兹电磁波概述太赫兹电磁波(t era h er t z，m z)通常是指频率在0.lm z一10T H z(波长在3m m一3咖m)之间的电磁波，其波段在微波和红外之间，属于远红外和亚毫米波段范围。

在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和探测手段，研究人员对该波段电磁辐射性质的认识很有限，所以在相当长的一段时期，很少有人问津电磁波波谱中的这一波段，以至于形成远红外和亚毫米波空白区，也就是太赫兹空白区，人们称之为“太赫兹间隙”，如图1一1所示。

电子学微波一.-十一一一一一十2001031061024d e k i l o m e它a应用无线电雷达通信太赫兹光子学可见光x一射线爷射线一10121015te fa D e ta光通信生物成像10181021C X a Z e tta天体物理频率八七图1一1电磁波频谱图F i g.1一1.E le e tr o m ag n e tie sP e e t r u m1.2太赫兹电磁波的特性太赫兹波的频率范围位于电子学与光子学交汇处，是宏观经典理论向微观量子理论过渡区域。

在太赫兹的低频段，可以用经典的麦克斯韦电磁理论来描述，而在其高频段，则可用光量子理论解释，正是由于太赫兹波在电磁波谱中的独特地位，使其有着不同于其它电磁波段的独特特性【‘一‘’。

1.2.1瞬态性通常情况下，太赫兹脉冲的典型脉宽都是在皮秒以及亚皮秒量级，脉冲的持续时间也都为几个皮秒。

这就可以对检测物品(包括固体、液体、生物样品等)进行皮秒、亚皮秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，例如太赫兹时域光谱技术(T H zt i m e一d o m a i n sp ec t r u m)能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到很高的信噪比(S N R)，目前，辐射强度测量的信噪比可达到10’“，而且太赫兹电磁波具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点。

光电检测技术10

10.2 THz辐射光谱学
利用THz脉冲可以分析材料的性质，THz脉冲时域光谱系统是在20世纪90年代出现的，THz脉冲光谱仪利用锁模激光器产生的超快激光脉冲，产生和探测THz脉冲。最常用的锁模激光器是钛宝石激光器，它能产生800nm附近的飞秒激光脉冲。 THz时域光谱系统是一种相干探测技术，能够同时获得THz脉冲的振幅信息和相位信息，通过对时间波形进行傅里叶变换，能直接得到样品的吸收系数和折射率等光学参数。THz时域光谱有很高的探测信噪比和较宽的探测带宽，探测灵敏度很高，可以广泛应用于多种样品的探测。典型的THz时域光谱兹脉冲产生的另一种机制，它是电光效应的逆过程。两个光束在线性介质中可以独立传播，而不改变各自的振荡频率。但是在非线性介质中，两个单色光束将发生混合，从而产生和频振荡和差频振荡。在出射光中，除了有与入射光相同频率的光波外，还有新的频率(例如和频) 的光波。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一个恒定(不随时间变化)的电极化场。恒定的电极化场不辐射电磁波，但在介质内部建立一个直流电场。这种现象称为光学整流效应，它是最早发现的非线性光学效应之一。超短激光脉冲的发展为光学整流效应的研究和应用开辟了新的途径。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，其频谱决定于该脉冲的中心频率和脉冲宽度。在线性介质中，因为每个单色分量都可以独立传播，出射光的频谱和波形与入射光相比没有根本的变化，其差别仅来源于介质的色散特性。但非线性介质中，这些单色波分量不再独立传播，它们之间将发生混合。和频振荡效应产生频率接近于二次谐波的光波，而差频振荡效应则产生一个低频振荡的电极化场，这种低频的电极化场可以辐射出太赫兹波段的低频电磁波。
1) 窄频带的太赫兹光源窄频带的光源对于高频谱分辨率测量的应用是十分重要的，在通信和极宽频带的卫星通信上也有广泛的应用前景。所以在过去的一个世纪里，很多研究工作集中在开发窄波段的THz光源上。很多新的技术现在仍在发展中，包括无线电波波源频率上转换和下转换，THz激光和反向波管。主要用于发射低功率(<100μＷ)连续太赫兹辐射的是低频微波振荡器的升频转换技术，这些振荡器包括电压控制的振荡器和介电共振振荡器。升频转换的方法通常是使用一个平面肖特基二极管倍增器链来实现的。使用这种方法，频率可以高达2.7THz。气体激光器是另一种常用的产生太赫兹的光源，在这种激光器中，利用CO2激光器抽运一个低气压腔，并在这种气体的某些发射谱线处形成受激发射。这种光源不是连续可调的，而且通常需要大的气体腔和上千瓦的能量输入，但这种方法可以得到高达30mW的输出功率。 2) 宽频带的太赫兹光源大多数的宽波段脉冲太赫兹光源是由超短的激光脉冲对不同材料的激发引起的。有几种不同的机制发射太赫兹电磁波，包括在光电导天线中光生载流子的加速、电光晶体中的二阶非线性效应、等离子体振荡和电子非线性传输线。但是目前这些方法的转换效率都很低，所以太赫兹光束的平均功率只有纳瓦到微瓦的数量级，而作为激发太赫兹辐射的飞秒光源的平均功率却有瓦的数量级。利用光电导天线和光整流是最常见的两种产生宽频带脉冲太赫兹辐射的方法。

THz波产生技术

TH z 波产生技术谢春燕,袁明辉(上海理工大学光学与电子信息工程学院,上海　200093)提要:在介绍太赫兹技术的基础上,系统论述了太赫兹波的各种产生技术及其发展动态。

关键词:TH z 波;产生中图分类号:TN 928 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2010)01-0007-03TH z G eneration technologyXIE Chun -yan ,Y UAN M ing -hui(University of Shanghai for Science and T echnology ,Shanghai 200093,China )Abstract :The generation technologies and development trends of TH z waves in detail are described.K ey w ords :T eraHertz (TH z )waves ;generation收稿日期:2009-12-20基金项目:上海市高校优秀青年教师科研专项基金资助项目(编号:563204)。

作者简介:谢春燕(1987-)女,在读本科生。

通讯作者:袁明辉(1976-)男,博士,讲师。

TH z 科学技术是近20年迅速发展起来的一门新兴交叉学科。

TH z 波通常是指频率在0.1TH z 至10TH z (对应波长0.03mm 至3mm )范围内的电磁辐射波。

很长一段时间以来,由于没有切实可行的产生技术和有效的检测方法,使得TH z 波成为电磁波谱中最后一个有待全面研究的频率窗口。

近年来,伴随着激光技术、量子技术和化合物半导体、超快技术等的迅猛发展,为实现稳定可靠的TH z 波发射源提供了可能〔1〕。

TH z 波之所以引起广泛关注,是由于其无法取代的重要特性以及在各个领域当中巨大的应用价值:(1)TH z 的典型脉冲宽度在ps 量级,可以方便地进行时间分辨。

太赫兹波文献综述

太赫兹波文献综述太赫兹波技术摘要：太赫兹波是一个非常有科学价值但尚未被完令认识和利用的电磁辐射区域，它在成像、医学诊断、信息通信、空问、天文学乃至军事等领域都有着广阔的应用前景。

本文从总体上介绍了太赫兹波的独特性质、臆用领域，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，将会在未来的数年问逐渐成熟并得到广泛的应用。

引言太赫兹渡(又称THz波、T射线)通常足指频率在0．1—10THz范围内的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。

THz频段是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的最后一个电磁辐射区域。

许多年来，由于缺乏切实可行的THz 波产生方法和检测手段，人们对THz波段的特性知之甚少，以致于该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”。

正文1太赫兹波的独特性质太赫兹波的频率范围处于电子学与光子学的交叉蔓域。

在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠。

在频域上，太赫兹处于宏观经典理论向微观量子理沦的过渡区。

①THz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)进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而日．通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于)太赫兹电磁波时域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点；②THz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，便于在大范围里分析物质的光谱性质；③THz波的光子能量较低，1’r比频率处的光子能量大约只有4 nlV，比x射线的光子能量弱10 7～108倍。

因此THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查”“l。

THz光子能量约为可见光，用THz 做信息载体比用可见光和近巾红外光能量效率高得多；④THz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。

太赫兹光电导天线的工作原理

太赫兹光电导天线的工作原理
太赫兹光电导天线的工作原理
太赫兹光电导天线是一种把光信号转变为电信号的装置，它是由一个太赫兹发射晶体、一个偏压控制器以及一个接收晶体组成的。

太赫兹技术是一种相对新颖的技术，它可以大大提高信号传输的质量和速率。

目前，太赫兹光电导天线应用于消费电子、汽车、医疗卫生、安防监控系统等领域。

太赫兹光电导天线的工作原理是：利用太赫兹技术使光信号转换成电信号。

太赫兹技术利用发射晶体发出光信号，而接收晶体则把光信号转化为电信号。

太赫兹光电导天线可以实现光信号的高效传输，电信号则在天线中不受传输延时的影响，因此导致信号传输效率极高。

太赫兹光电导天线的特点有：1、传输距离远：利用太赫兹技术，可以把光信号传输到更远的距离；2、信号损耗小：因为太赫兹技术
可以将信号转换成电信号，所以传输过程中信号损耗很小；3、传输
效率高：太赫兹光电导天线可以实现光信号的高效传输，电信号在传输过程中不受延时的影响，因此信号传输效率极高；4、安装方便：
太赫兹光电导天线安装方便，可以实现实现无线传输；5、适用范围广：太赫兹光电导天线可以应用于消费电子、汽车、医疗卫生、安防监控系统等领域。

太赫兹光电导天线正在广泛应用，在未来，会更多地应用于许多领域，改变人们远距离传输信号的方式。

- 1 -。

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。

02太赫兹波的产生

49
激光器的分类
分类标准：工作物质的不同固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器自由电子激光器
50
方法一：太赫兹气体激光器

利用一台CO2 激光器输出的远红外光来泵浦一个充有甲烷（CH4）、氨气（NH3）、氢化氰（HCN）或是甲醇（CH3OH）等物质的低压真空腔，由于这些气体分子的转动和振动能级间的跃迁频率正好处于太赫兹频段，所以可以形成太赫兹受激辐射，从而在光泵浦太赫兹激光器中直接辐射出太赫兹波。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。它已经在美国国家航空航天管理局（NASA）所命名的 “先兆”（AURA）卫星上投入了实用。以此来观测大气。
Current (mA)
0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -30 -20 -10 0 10 voltage (V)
AuGeNi ( X100 ) Ti/Au
20
30
具有AuGeNi电极的天线和Ti/Au电极的天线的伏安特性曲线
影响天线发射功率的因素——电极材料
Ti/Au电极天线和AuGeNi电极天线的比较
19

不同材料的THz辐射强度比较
20
பைடு நூலகம்

GaAs和InP表面发射THz辐射
21
影响天线发射功率的因素——天线结构
天线结构通常有偶极天线、共振偶极天线、锥形天线、传输线天线以及大孔径光电导天线等。大多数实验中采用偶极天线和传输线天线，其结构相对比较简单。
Emitter V E laser pulse
5
发展历程
超快激光技术
从１ＴＨｚ向两边
超快激光技术，这类技术是从1 THz向低频和高频两个方向同时发展。

太赫兹天线（二）

DCWTechnology Lecture技术讲座1数字通信世界2024.04上一讲所介绍的传统型天线，仍不能完全满足未来6G 等对利用太赫兹通信电路的要求，例如，平面电路广泛采用的微带贴片天线，天线效率较低，每个单元增益仅一至数分贝，甚至为负值，相对带宽（通频带上下限频率差与中心频率之比）仅百分之一左右，天线效率也欠佳，此外，在天线的可重构（工作频率、多波束、波束扫描等）方面也难以提供更多、更大的灵活性。

光电导天线是利用光致电导效应，用一束光脉冲或两束不同频率的连续波激光作用于光电器件，将光转换为太赫兹频率的电磁波，既可作为太赫兹源，又可作为辐射太赫兹波的天线，并因其具有高强度、高辐射效率和宽带响应性能而成为太赫兹技术生要的组成部分。

此外，利用太赫兹工作波长极短的特点，以及相应出现的亚波长技术，即电路尺寸远小于太赫兹波长的技术，可进一步制作出芯片上天线，更好地实现与其他射频电路集成。

但芯片天线也面临若干技术的挑战。

石墨烯等新材料的出现和超材料、超平面和衬底集成波导的理论与技术的成果，为太赫兹天线集成芯片化开辟了新的有效的途径。

1 光电导天线（PhotoconductiveAntenna，PCA）[1]-[7]1.1 基本原理与构成太赫兹波光电导天线（PCA ）原理如图1所示。

通常是在由III-V 族化合物加工而得到的半绝缘高电阻Si-GaAs 做的衬底上，外延生长出一层GaAs 半导体薄膜。

在此薄膜上沉积出金属电极，并加上偏置电压；二电极间接一偶极子，将波长为800 nm 或1 100~1 550 nm的激光用飞秒（1 ps 或更高）脉冲调制后，照射偶极子间隙处的半导体薄膜，激光光子被半导体薄膜材料吸收，当光子能量大于半导体导带与价带之间的能带带隙时，便将载流子（电子）从价带激发到导带，而价带出现空穴，形成空穴-电子对，成为自由载流子，然后它们被偏置产生的电场加速，载流子电荷的运动便是电流，称为光生电流，简称光电流。

太赫兹波工作原理

太赫兹波工作原理太赫兹波是一种具有特殊频率范围的电磁波，其频率介于红外光和微波之间，波长通常在0.1毫米到1毫米之间。

太赫兹波的工作原理基于电磁波在太赫兹频段的传播和相互作用，其独特的性质使其在许多领域具有广泛的应用潜力。

在太赫兹波的工作原理中，关键的角色是波的传播和能量的相互转换。

太赫兹波可以通过多种方式生成，如激光光斑的光电发射、光学激励和非线性光学过程等。

一旦太赫兹波被生成，它将在空间中以电磁波的形式传播。

太赫兹波在传播过程中与物质发生相互作用，这使得太赫兹波显示出了独特的应用前景。

太赫兹波可与有机物、无机物以及生物分子产生作用。

由于太赫兹波波长与分子的振动和转动之间的相互作用尺度相当，因此太赫兹光谱技术在分子结构和物质特性的分析方面具有独特的优势。

太赫兹波的物质相互作用机制主要包括吸收、散射和透射等过程。

吸收是指当太赫兹波穿过物质时，部分能量被物质吸收而转化为热能。

散射是指太赫兹波与物体表面或内部的微观结构相互作用而改变方向。

透射是指太赫兹波通过物体并能够保持较高的传输功率。

太赫兹波的工作原理还与材料的电导率、介电常数和吸收系数等物理特性密切相关。

不同的物质对太赫兹波的传播和相互作用表现出不同的特征。

因此，通过太赫兹波的传播和与物质的相互作用，可以获取物质的结构、成分和特性等信息。

太赫兹波的应用领域非常广泛。

在安全检测领域，太赫兹波可以用于检测爆炸物品和毒品等危险物质。

在医学领域，太赫兹波可以用于病变组织的早期诊断和显微成像。

在材料科学领域，太赫兹波可以用于材料的非破坏性检测和表征。

此外，太赫兹波还可以应用于信息通信、生物技术和纳米科技等领域。

总之，太赫兹波作为一种特殊频率范围的电磁波，具有独特的工作原理和广泛的应用潜力。

太赫兹波的生成、传播和与物质的相互作用是太赫兹波技术的基础，通过对太赫兹波的研究和应用，可以实现对物质结构和特性的深入认识，推动相关领域的发展和创新。

光电导天线产生太赫兹波的微观机制理论分析和计算

光电导天线产生太赫兹波的微观机制理论分析和计算研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性，利用麦克斯韦方程及其边界条件，计算了近远场的电场强度；采用电磁波时域有限差分方法(FDTD)，在Matlab系统软件中，用C语言编写程序计算光电导偶极天线的辐射太赫兹波的空间电磁场分布，并在计算机上以伪彩色图形显示，这种电磁场的可视化结果为天线的设计和改进提供了直观的物理依据。

太赫兹波是指波长范围为3m～3mm(011～10THz)之间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。

随着超快激光技术和低尺度半导体技术的发展，使THz电磁波的产生技术，THz辐射机理的研究，THz检测技术和应用技术得到迅速的发展。

目前，产生脉冲THz 辐射的方法主要有两种：光电导天线产生THz电磁波和光整流产生THz。

前者是利用飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电导体，通过相干电流驱动偶极天线产生太赫兹辐射；光整流是一种非线性效应，是用飞秒激光脉冲和非线性介质(LiNbO3，LiTaO3，ZnTe等)相互作用产生低频极化场也可以辐射出THz电磁波。

近年来，国内外有不少关于光电导天线产生THz电磁波的文献报道。

Darrow等对光电导天线产生太赫兹波的理论进行了详细的解释，并且对砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)作为光电导天线的基质材料产生太赫兹辐射进行了对比。

Hattori等研究了大孔径光电导天线产生太赫兹波的时间特性，考虑了半导体载流子寿命和弛豫时间对太赫兹辐射的影响。

大孔径光电导天线在强激光脉冲的照射下会产生饱和现象，Darrow等等分别进行了理论模拟，得出了半导体表面的辐射电场对偏置电场的屏蔽效应是产生饱和现象的主要原因。

施卫等对半绝缘砷化镓(GaAs)天线产生太赫兹波的辐射特性进行了相关研究。

在国内外研究的基础上，对光电导天线产生太赫兹波的微观机制进行理论分析和计算，用麦克斯韦方程及其边界条件计算了光电导体的表面电流和近远场的辐射电场，通过计算可以看出近场条件下太赫兹波的辐射强度正比于表面电流，远场条件下太赫兹波的辐射强度正比于触发光脉冲的宽度、功率和偏置电场的强度。

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。

太赫兹波的产生与检测 ppt

另一方面，除了激光脉冲，人们很早就发现，最早从核爆炸产生的强电磁脉冲(脉宽在纳秒量级)对电子设备有极强的破坏力，由此引发了人们对超短电磁脉冲的研究兴趣。
过去的几年间，该领域的一门新兴的研究课题--THz电磁脉冲产生技术
及应用受到了人们极大的关注。这是因为THz电磁脉冲正是由超短激光脉冲
选通半导体光导开关后产生的，而另外一个很重要的原因是这种电磁脉冲
者，在快速电子学、激光和材料研究中，每一种光源都有其独特的优点。这
些光源可以被粗略地分为：不相干的热辐射光源、宽波段脉冲(T－ray)光源及窄波段的连续波光源。 Nhomakorabea-
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1) 窄频带的太赫兹光源
窄频带的光源对于高频谱分辨率测量的应用是十分重要的，在通信和极宽频带的卫星通信上也有广泛的应用前景。所以在过去的一个世纪里，很多研究工作集中在开发窄波段的THz光源上。很多新的技术现在仍在发展中，包括无线电波波源频率上转换和下转换，THz激光和反向波管。主要用于发射低功率(<100μＷ)连续太赫兹辐射的是低频微波振荡器的升频转换技术，这些振荡器包括电压控制的振荡器和介电共振振荡器。升频转换的方法通常是使用一个平面肖特基二极管倍增器链来实现的。使用这种方法，频率可以高达2.7THz。气体激光器是另一种常用的产生太赫兹的光源，在这种激光器中，利用CO2激光器抽运一个低气压腔，并在这种气体的某些发射谱线处形成受激发射。这种光源不是连续可调的，而且通常需要大的气体腔和上千瓦的能量输入，但这种方法可以得到高达30mW的输出功率。
能短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。天线结构通常
有基本偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线及大孔径光导天
线等
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太赫兹波谱的特点及介绍

1THz=1,000,000,000,000Hz光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，光的干涉，证实了光具有波动性。

干涉条纹间距：根据Δx=，在双缝到屏的距离L一定，双缝间的距离d一定的的前提下，光的波长越大，相邻的亮条纹或暗条纹的距离越大；光的波长越短，相邻的亮条纹或暗条纹的距离越小。

体现了穿透性：太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像的有效互补手段，可用于安检和质检过程中的无损检测。

另外，由于大多数极性分子和生物大分子等有机分子的振动和转动能级间距位于太赫兹波段，利用宽带太赫兹光谱可以检测这些分子的指纹特征谱，进一步结合量子化学计算和分析可以识别分子结构并分析物质成分，所以太赫兹光谱成像技术不仅能够穿透塑料、陶瓷、皮革、布料以及脂肪等物质分辨物体的形貌，而且可以鉴别物体的组成成分、分析物体的物理化学性质。

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, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。

大多数极性分子如水分子，对THz辐射有强烈的吸收。

体现了宽带性：单个太赫兹脉冲的脉冲宽度在皮秒量级，其相应的频带可以覆盖几百GHz至几个THz的宽广频率范围，因此太赫兹光谱能够获得物质更丰富的光谱信息。

体现了瞬态性：同时，太赫兹脉冲具有很高的时间分辨率，可以进行瞬态光谱研究。

体现了相干性：太赫兹光谱相干测量技术能够直接测量太赫兹波的时域电场，通过傅立叶变换后能够同时确定太赫兹脉冲电场在频域的振幅和位相信息，从而可以给出被测物质的透射谱、吸收谱、消光系数、介电函数、电导率和折射率色散特性，对于物质材料光学性质的分析具有极大的帮助。

太赫兹波成像的一个显著特点是信息量大，可准确显示物体的内外部信息。

太赫兹波的产生与检测

是一个典型的THz时域光谱系统THz时域光谱系统，既可以做透射探测，也可以做反射探测，还可以在泵浦探测的方式下研究样品的时间动力学性质。对于不同的样品、不同的测试要求可以采用不同的探测装置。
10.2.1 透射型THz时域光谱系统
材料的光学常数是用来表征材料宏观光学性质的物理量，是进行其他各项研究工作的基础，但一般材料在THz波段范围内已测得的光学常数的数据比较少，利用 THz时域光谱技术可以很方便地提取出材料在THz波段范围内的光学常数。 T.D.Dorney和L.D.Duvillaret等人提出的THz时域光谱技术提取材料光学常数的模型。实验中THz时域光谱系统的响应函数是不随时间改变的，同时要求所测的样品结构均匀，两平面抛光且保持平行。 ~ 一般地，可以利用复折射率 n n j k 来描述样品的宏观光学性质。其中n为折射率，κ为消光系数，一般它们都是频率的函数。消光系数与吸收系数之间的关系为
光导体是产生THz电磁波的关键部件，性能良好的光导体应该具有尽可能短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。天线结构通常有基本偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线及大孔径光导天线等
10.1.2光整流光整流是太赫兹脉冲产生的另一种机制，它是电光效应的逆过程。两个光束在线性介质中可以独立传播，而不改变各自的振荡频率。但是在非线性介质中，两个单色光束将发生混合，从而产生和频振荡和差频振荡。在出射光中，除了有与入射光相同频率的光波外，还有新的频率(例如和频) 的光波。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一个恒定(不随时间变化)的电极化场。恒定的电极化场不辐射电磁波，但在介质内部建立一个直流电场。这种现象称为光学整流效应，它是最早发现的非线性光学效应之一。超短激光脉冲的发展为光学整流效应的研究和应用开辟了新的途径。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，其频谱决定于该脉冲的中心频率和脉冲宽度。在线性介质中，因为每个单色分量都可以独立传播，出射光的频谱和波形与入射光相比没有根本的变化，其差别仅来源于介质的色散特性。但非线性介质中，这些单色波分量不再独立传播，它们之间将发生混合。和频振荡效应产生频率接近于二次谐波的光波，而差频振荡效应则产生一个低频振荡的电极化场，这种低频的电极化场可以辐射出太赫兹波段的低频电磁波。