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

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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”。究其缘由是因为在此频段上，即不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，从而也就形成了科学家们通常所说的“太赫兹空隙”。这一波段也成为电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。近十几年来，伴随着一系列的新技术、新材料的发展和应用，尤其是超快激光技术的发展，如掺钛蓝宝石激光器的问世和迅速的商业化，为宽带相干脉冲THz辐射的产生提供了稳定、可靠的激发光源，并使之成为一种容易实现的准常规技术。这种基于超快激光技术的相干脉冲THz源的问世和广泛使用，极大地推动了THz辐射产生机理、检测技术和应用技术的蓬勃发展，使这一研究成为光物理等学科的重要前沿领域。

THz波段在电磁波谱中的位置

图1—1电磁波频谱

（二）太赫兹波的性质

目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的，有很多独特优点的辐射源：太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新，国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广泛的关注，有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹光谱（包括透射谱和反射谱）包含丰富的物理信息和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探测有重要的意义；其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比较具有很多独特的性质。

1．THz波的波长处于微波及红外光之间。因此，它和物质的相互作用具有独特的物理机制，并呈现出很多新的特点。以光谱探测和成像技术为例，和其它波段的电磁波相比，如可见光和X射线等，在很多实际应用中，具有非常强的互补特征。

2 .利用飞秒激光产生的THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，可以对很多超快的动态过程进行亚皮秒、甚至飞秒时间分辨的瞬态光谱研究。利用这种辐射源的高度相干性和合适的取样测量技术，可以有效地防止背景热辐射噪音的干扰。目前，对THz辐射强度测量的信噪比可大于1010，因此可以实现高灵敏度的测量。

3 .基于飞秒激光技术的脉冲THz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，因此具有很高的时间和空间相干性。现有的THz检测技术可以同时直接测量振荡电磁场的振幅和位相。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。

4 .THz波的光子能量低。频率为1 THz的电磁波的光子能量只有大约4 meV，约为X射线光子能量的百万分之一，因此一般不会对生物组织产生有害的电离，特别适合于对生物组织进行无损的活体检查。如利用THz时域谱技术研究各种生物样品的特性，进行DNA合蛋白质的鉴别和结构分析等。

从各种物质和材料在THz波段的响应来看，物质的THz光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息，如凝聚态物质的声子和其它元激发的频率很多就落在这个频率区，大分子(包括蛋白质等生物分子)的振动光谱均在THz波段有很多特征峰，凝聚态物质和液体中的载流子对THz辐射也有非常灵敏的响应。研究有关物质在这一波段的光谱响应，探索其结构性质及其所揭示的新的物理内容已成为一个新的研究方向。此外，作为一种新型相干光源，THz辐射的独特性质在物理、信息、材料和生物等领域具有广阔的应用前景，如凝聚态体系中的各种超快过程探测、宽带通讯、高速光电子器件、材料表征等，通过物质的太赫兹

特征谱分析提供关于物质的化学及生物成分在无标记生物芯片、医学诊断等领域也有非常重要的潜在应用前景。由此带动的交叉研究将会有力地推动和促进这些相关学科的进一步发展。

特别地，在凝聚态物理的研究中，太赫兹波段是一个非常重要的频谱。因为在THz波段中，包含了许多决定材料性质的重要特征能量，如半导体中激子（exciton）的束缚能，光学声子（optical phonon）的频率、超导能隙，磁场作用下Landau能级间隔等，都落在这一波段中。在科学发展史上，Tinkham等人使用FTIR技术分析超导体在远红外波段的电导率，是直接证实BCS理论的最重要的证据之一【1－4】，由此可见此波段在科学上的重要性。其他如电子－声子散射，各种隧穿机制，在能量或时间尺度上，许多都与THz区域重叠。随着高速信息时代的来临，半导体元器件的工作频率正在从GHz向THz波段发展，这也使得研究半导体和其它材料在THz波段的响应更加具有实用价值。