THz科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)(文科)2015-3-16

太赫茲波科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)

首都師范大學(xué)物理系沈京玲(二)太赫茲波的基本性質(zhì)(三)THz波的產(chǎn)生與探測原理(四)THz波的應(yīng)用(五)目前研究情況介紹(一)太赫茲波及其研究意義

(一)太赫茲波及其研究意義THz在電磁波譜中的位置1031061091012101510181024100Hz1021THz可見光X射線g射線微波kilomegagigaterapetaexazettayotta1THz

~1ps~300μm~33cm-1~4.1meV~47.6oK

THz是一個(gè)頻率單位，1THz=1012Hz,英文為terahertz,譯成中文為“太赫茲”，所以又稱為太赫茲。通常THz輻射指0.1THz~10THz之間的電磁輻射.THz光子能量的計(jì)算一個(gè)頻率為f的光子能量：THz波長與波數(shù)的計(jì)算根據(jù)公式可得：1THz對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度的計(jì)算由熱力學(xué)公式可得：及能量公式THz在電磁波譜中的位置1031061091012101510181024100Hz1021THz可見光X射線g射線微波kilomegagigaterapetaexazettayotta1THz

~1ps~300μm~33cm-1~4.1meV~47.6oK

THz是一個(gè)頻率單位，1THz=1012Hz,英文為terahertz,譯成中文為“太赫茲”，所以又稱為太赫茲。通常THz輻射指0.1THz~10THz之間的電磁輻射.

物質(zhì)的THz譜（包括發(fā)射譜、反射譜和透射譜）包含著豐富的物理和化學(xué)信息，而且THz脈沖具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，這使得THz技術(shù)在很多方面可以成為傅立葉變換紅外光譜技術(shù)和X射線技術(shù)的互補(bǔ)技術(shù)，使THz電磁波在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用及軍事應(yīng)用領(lǐng)域有相當(dāng)重要的應(yīng)用。隨著THz技術(shù)的發(fā)展，THz技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬，它在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子學(xué)、農(nóng)業(yè)及其它領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用潛力。THz課題研究的意義(二)太赫茲波的基本性質(zhì)THz波具有波的特性:衍射和干涉T-ray塑料板上的單孔0120121THz1.5THz0120122THz012012cm0.5THz012012cmcmcm單孔衍射(f=1.8mm)楊式干涉實(shí)驗(yàn)T-ray雙縫干涉Time(ps)X(mm)1002001427空間相干0121.5THz012cm0.5THz012012cm2THz012012cm0120121THzcm

T-射線的干涉圖樣THz波的一些重要特性（一）瞬態(tài)性（二）寬帶性（三）相干性

（四）低能性

（五）THz輻射對(duì)于很多非極性物質(zhì)，如電介質(zhì)材料及塑料、紙箱、布料等包裝材料有很強(qiáng)的穿透力,可用來對(duì)已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于安全檢查。（六）大多數(shù)極性分子如水分子，對(duì)THz輻射有強(qiáng)烈的吸收。

(4.1meV～1THz)X-射線~30keV相差7個(gè)數(shù)量級(jí)!!THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級(jí)，不但可以方便地對(duì)各種材料進(jìn)行時(shí)間分辨的研究，而且通過取樣測量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。在小于3THz時(shí)信噪比高達(dá)104:1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，而且其穩(wěn)定性更好。返回瞬態(tài)性：寬帶性：

THz脈沖光源通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz至幾十THz的范圍，便于在大的范圍里分析物質(zhì)的光譜性質(zhì)。

返回THz的相干性源于其產(chǎn)生機(jī)制。它是由相干電流驅(qū)動(dòng)的偶極子振蕩產(chǎn)生，或是由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生。THz技術(shù)的相干測量技術(shù)能夠直接測量電場振幅和相位，可以方便地提取樣品的折射率、吸收系數(shù).相干性：返回在THz成像技術(shù)中，可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀態(tài)，如在THz成像技術(shù)中，可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀態(tài)，如對(duì)人體燒傷部位的損傷程度進(jìn)行診斷，還可以進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，如測量食品表面水分含量以確定其新鮮程度。返回(三)THz波的產(chǎn)生與探測

1.THz光源和探測器介紹

太赫茲光源:

自由電子激光器，氣體激光器

Gunn振蕩器，Bloch振蕩器，BWO等等。光電導(dǎo)天線(更高功率)

空氣等離子體

電光晶體(光整流)

太赫茲探測器:

熱輻射探測器(bolometer)

熱釋電探測器(Pyroelectricdetector)

光電導(dǎo)偶極天線(高靈敏度)

電光晶體(電光效應(yīng))常用的兩種產(chǎn)生方法：2.THz波的產(chǎn)生2.1光導(dǎo)天線的方法2.2光整流的方法THz脈沖THz脈沖E入射光束THz發(fā)射源反射光束和1qqqE1ot2E2J(t)=n(t)emEb(1)激光脈沖+半導(dǎo)體(2)產(chǎn)生瞬時(shí)光電流(3)遠(yuǎn)場THz

輻射

載流子加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致THz輻射(真實(shí)電流)*ZhangandAuston，J.Appl.Phys.71326(1992).

2.1光導(dǎo)天線的方法產(chǎn)生THz輻射電光晶體

2.2光整流的方法入射激光脈沖

I(t，w，

Dw)THz

脈沖

ETHz(t，W)

差頻

W<Dw(激光帶寬)電極化矢量:P(W)=c(2)(W，

w+W，

-w)E(w+W)E*(w)DtDw=1P(t)c(2)DwDt實(shí)驗(yàn)證明：如果在與電場垂直的方向加上磁場，可以提高THz輻射的輸出功率.

二階非線性光學(xué)效應(yīng)1.線性光學(xué)效應(yīng)

當(dāng)外界光場較強(qiáng)時(shí)（即當(dāng)外界光場可與原子內(nèi)平均場強(qiáng)(大約v/m)相比擬時(shí)），非線性效應(yīng)就表現(xiàn)出來。這時(shí)物質(zhì)對(duì)光場的響應(yīng)與光場的關(guān)系為非線性，極化強(qiáng)度為：

當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，如果外界入射光場中的電場強(qiáng)度比物質(zhì)原子的內(nèi)場強(qiáng)小得多，則光場在物質(zhì)中的感生的電極化強(qiáng)度與外界電場強(qiáng)度成正比.

為電極化率。即物質(zhì)對(duì)光場的響應(yīng)與光的場強(qiáng)成線性關(guān)系。

2.非線性光學(xué)效應(yīng)即式中各系數(shù)都是與物質(zhì)有關(guān)的系數(shù),稱為非線性光學(xué)效應(yīng)。稱為非線性光學(xué)效應(yīng)。

即其中

假設(shè)光電場包含有多個(gè)頻率分量則二階非線性極化強(qiáng)度為：

二階非線性極化引起的三波混頻現(xiàn)象是指，兩個(gè)頻率不同的單色光同時(shí)入射到非線性介質(zhì)中，產(chǎn)生和頻與差頻的效應(yīng)。下面講一下和頻與差頻的效應(yīng)對(duì)于頻率為和的三個(gè)光波和頻：差頻：要保證和頻或差頻產(chǎn)生，必須使這些過程滿足相位匹配條件：.光導(dǎo)天線光整流能量高

低頻率低高譜寬窄寬

(50THz)2.3光導(dǎo)天線與光整流的對(duì)比3.THz波的探測常用的兩種方法：3.1光導(dǎo)天線的方法3.2電光取樣的方法

3.1光導(dǎo)天線的方法ZnTe渥拉斯頓偏振片[1，-1，0][1，1，0]/4波片Pellicle(薄膜分光片)探測光束THz光束sp偏振片探測器DI3.2電光取樣的方法

光導(dǎo)天線探測THz脈沖，由于受到光電流速度的制約，其探測帶寬較窄。電光取樣技術(shù)不受光電流速度的影響，只與所用的電光晶體的非線性性質(zhì)有關(guān),有較寬的探測帶寬。目前用電光取樣技術(shù)探測到的頻譜已超過50THz。同時(shí)這種探測方法具有光學(xué)平行處理的能力和好的信噪比，在實(shí)時(shí)二維相干遠(yuǎn)紅外成像技術(shù)中具有很好的應(yīng)用前景3.3兩種方法的比較4.太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）4.1透射式4.2反射式首師大THz-TDS透射光譜測量系統(tǒng)

返回4.2自由空間THz探測及成像(反射模式)返回(四)THz波的應(yīng)用THz脈沖的波形、振幅、以及時(shí)間延遲的變化可以給出書的頁數(shù)及書中的水分含量。FundamentalsofPhotonicsSaleh&Teich著大約1000頁-101THz信號(hào)(a.u.)403020100

時(shí)間延遲(ps)入射脈沖6420-2THz信號(hào)(a.u.)130120110100

時(shí)間延遲(ps)透射脈沖1.用THz波束讀書-101THz信號(hào)(a.u.)1413121110

時(shí)間延遲(ps)360頁361頁

每頁的時(shí)間延遲范圍為130fs到200fs。-101THz信號(hào)(a.u.)2520151050

時(shí)間延遲(ps)

360頁

361頁THz成像50澳大利亞圓T-射線

光速點(diǎn)鈔機(jī)？鈔票的數(shù)量與

THz信號(hào)的時(shí)間延遲的關(guān)系。($100鈔票材料的折射率為1.607)-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5信號(hào)543210

時(shí)間延遲(ps)$8000to$9000one-billincrement$0$9000$8000$3000$7000$6000$5000$4000$2000$1000歸一化信號(hào)302520151050

時(shí)間延遲(ps)“時(shí)間就是金錢”正如“光年“是一個(gè)天文學(xué)常用單位，我們可以引進(jìn)一個(gè)新的貨幣單位:“T-射線秒"。THz脈沖1ps的時(shí)間延遲對(duì)應(yīng)于4.5張鈔票，

因此1T-射線秒=$4.5萬億

(對(duì)1美圓面值的鈔票而言)，這倒是一個(gè)對(duì)美國的國債很有用的單位(5.7萬億美圓)。

大約4.5美元/ps

時(shí)間延遲(ps)80006000400020000Dollars20151050slope:$450/ps

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

線性擬和-1018000600040002000Dollars12次隨機(jī)測試誤差（鈔票數(shù)目）

THz在生物學(xué)中應(yīng)用的微觀基礎(chǔ)

生物分子對(duì)于THz射線的響應(yīng)主要來自于大分子的構(gòu)型或構(gòu)象決定的集體振動(dòng)模決定的，這種集體振動(dòng)模主要反映分子的整體結(jié)構(gòu)信息，而不是光學(xué)方法通常測量的相對(duì)定域的電子結(jié)構(gòu)或與單個(gè)化學(xué)鍵相關(guān)的振動(dòng)模。同時(shí)由于大分子的結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境很敏感，集體振動(dòng)模的分布和強(qiáng)度也包含了對(duì)環(huán)境的影響。一次THz光譜對(duì)于研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、分子之間的反應(yīng)，分子與環(huán)境的相互作用等具有獨(dú)特的優(yōu)勢。此外利用泵浦－探測技術(shù)，可以通過時(shí)間分辨的THz光譜分析，對(duì)易于變形的大分子在特定的生理過程或其他的相互作用過程中發(fā)生的構(gòu)象變化等過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。生物分子的整體結(jié)構(gòu)與它們在THz波段光譜性質(zhì)的這種高度相關(guān)性，是這種新型技術(shù)應(yīng)用于生物體系研究的最重要的微觀基礎(chǔ)。2.THz在生物學(xué)上的應(yīng)用THz乳腺腫瘤(模型)成像43210電光信號(hào)(nA)403020100TimeDelay(ps)

癌變組織

正常組織

癌變組織和正常組織的THz波具有不同的振幅，波形和時(shí)間延遲，我們可以從中得到腫瘤的大小和形狀。THz

成像標(biāo)準(zhǔn)照片THz

波形腫瘤3.基于電光效應(yīng)的THz成像技術(shù)濾波片檢偏器ZnTe計(jì)算機(jī)THz

波readoutbeam偏振片THzImageCCD相機(jī)Z15mm_3DTHz成像(Hu&Nuss，1995)樹葉火腿肉新鮮2天后2維實(shí)時(shí)THz活體昆蟲成像2f物體透鏡檢偏器ZnTe讀出光束偏振片CCDcameraTHz光束THz

昆蟲成像樹葉上的蒼蠅瓢蟲螞蟻蚯蚓計(jì)算機(jī)2fCCD相機(jī)一個(gè)摩托羅拉芯片THz成像空氣芯片840-4THz信號(hào)(a.u.)1284

時(shí)間延遲(ps)THz光束可以穿透IC芯片的塑料表皮一個(gè)球狀物體(f=36mm)的T-射線

CT成像

實(shí)驗(yàn)裝置重現(xiàn)的像在LaserFocusWorld上發(fā)表的一篇圖文,5月,20022fZnTe偏振片透鏡測量介電常數(shù)和厚度的分布,例如水印成像。光束焦平面THz

成像2f檢偏器CCD相機(jī)克拉拉舒曼(1819-1896)T-射線Figure2.6 THzwaveimagesofthewatermarksofseveralcommonbills(a)100USADollar(b)100ChineseYuan(c)20BritishPound(d)50SingaporeDollar(e)100GermanMark(f)10,000KoreaWon.3.使用太赫茲技術(shù)研究航天飛機(jī)失事的原因

談?wù)撊绾斡犹魬?zhàn)？Dr.EricMadaras(NASALangleyResearchCenter)andRPIResearchers在泡沫樣品中預(yù)埋了５７個(gè)缺陷，THz可以探測到它們嗎？從悲劇中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)……“T-rayspecs,”Nature,424,722,2003不同部位的THz波形的比較Lightweightpolyurethanefoam0481216Amplitude(a.u.)TimeDelay(ps)normaldefect2013.3.11DefectsneartheFoam/SubstrateInterface2’49of57defectsweredetected

太赫茲成像技術(shù)作為一種可以提供多維信息的新型無損檢測技術(shù)，被美國宇航局應(yīng)用到以后的發(fā)射過程中的安全檢查中.實(shí)驗(yàn)證明：太赫茲比微波具有更高的空間分辨率.

4.THz在安全檢查上的應(yīng)用THzwaveTopviewimageplateCCDObtain3DdielectricdistributioninTHzfrequencyrange,andusebackpropagationthanbackprojectionalgorithm.T-射線透視衣物？121086420時(shí)間延遲(ps)自由空間牛仔褲(1.8mm)褲子(0.05mm)

襯衫(0.023mm)絲巾(0.023mm)毛巾(1.3mm)羽絨大衣(1.9mm)毛衣(1.9mm)內(nèi)衣(0.03mm)

皮衣(2mm)牛仔褲:Route66毛衣:Mercury羽絨大衣:Bossini褲子:GreatLand毛巾:414內(nèi)衣:Puma襯衫:BasicEdition如果是鞋子會(huì)怎么樣?

幾種炸藥的遠(yuǎn)紅外譜線6005004003002-amino-4,6-DNT20010000.0000.400.50Wavenumber(cm-1)AbsorbanceAbsorbance60050040030020010000.000.030.060.090.120.15Wavenumber(cm-1)TNT1,3-DNT2,4-DNT60060050050040040030030020010001000200AbsorbanceAbsorbance0.050.0000.00Wavenumber(cm-1)Wavenumber(cm-1)ephedrineKetamine幾種毒品的太赫茲譜線裝有粉末的信封的T-射線圖像信封成像信封中裝有粉末在LaserFocusWorld上發(fā)表的一篇圖文,7月,2002檢測建筑和地雷基于激光的THz檢測系統(tǒng)可以透視墻壁。檢測及辨認(rèn)在破舊建筑中的石棉及輻射污染。THz檢測系統(tǒng)可以收發(fā)THz波，THz波則能夠穿透物質(zhì)，隔墻探測石棉和輻射污染。通過吸收光譜辨別各種類型的石棉。還可以搜索地雷?PhotonicSpectra，二月版，1999年為了加強(qiáng)執(zhí)法力度?T-射線收發(fā)器當(dāng)警察需要從屋外確知人質(zhì)、恐怖分子和武器的詳細(xì)位置和狀況的時(shí)候，我們可否使用THz收發(fā)器來幫忙?恐怖分子人質(zhì)報(bào)紙

尖刀!!5.THz

雷達(dá)與通信THz電磁波是很好的寬帶信息載體，THz電磁波比微波能做到的信道數(shù)多得多，特別適合于衛(wèi)星間及局域網(wǎng)的寬帶移動(dòng)通信。國際通信聯(lián)盟已指定200GHz的頻段為下一步衛(wèi)星間通信之用,進(jìn)一步的發(fā)展必定進(jìn)入300GHz以上的范圍，這實(shí)際上就是THz通信。THz電磁波的光子能量約為可見光的光子能量的1/40，因而利用THz電磁波做信息載體比用可見光或近中紅外光能量效率高得多。從技術(shù)上看，THz雷達(dá)技術(shù)可以探測比微波雷達(dá)更小的目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)更精確的定位，前者具有更高的分辨率和更強(qiáng)的保密性，因而THz雷達(dá)可成為未來高精度雷達(dá)的發(fā)展方向，有望在軍事裝備和國家安全等方面發(fā)揮巨大作用。5.1THz雷達(dá)R.A.ChevilleandD.GrischkowskyAppl.Phys.Lett.67,1960(1995)局限性:應(yīng)用:5.2THz通信020406080-3-2-10123THzField(nA)Time(ps)020406080-80-4004080THzField(pA)Time(ps)108meterswith32mirrors2.4metersaftertheemitterT-射線收發(fā)器

-4-202THz信號(hào)(a.u.)12080400時(shí)間延遲(ps)56.7metersTHz收發(fā)器目標(biāo)T-射線波6.用THz研究中藥的指紋圖譜

----推動(dòng)中藥現(xiàn)代化

中藥的真?zhèn)蝺?yōu)劣，即中藥的品種和質(zhì)量直接影響中醫(yī)的臨床療效和中藥的實(shí)驗(yàn)研究，因此，中藥的品種鑒別和品質(zhì)的評(píng)價(jià)一直是中藥鑒定學(xué)領(lǐng)域主要的研究方向。傳統(tǒng)的性狀鑒別法和經(jīng)典的組織顯微鑒別法具有一定的實(shí)用價(jià)值，但在中藥指標(biāo)性成分的鑒別方面有明顯的局限性，尤其對(duì)飲片和粉末品質(zhì)的評(píng)價(jià)帶有一定的主觀性.(a)當(dāng)歸

(b)茯苓(c)枳實(shí)(d)板藍(lán)根

參考信號(hào)

振幅

時(shí)間(ps)

當(dāng)歸、茯苓、枳實(shí)、板藍(lán)根樣品和參考信號(hào)的THz時(shí)域譜(10-9安培)振幅振幅振幅振幅時(shí)間(ps)時(shí)間(ps)時(shí)間(ps)時(shí)間(ps)(a)當(dāng)歸

(b)茯苓(c)枳實(shí)(d)板藍(lán)根

吸收系數(shù)頻率(THz)四味中藥材樣品的THz吸收譜吸收系數(shù)吸收系數(shù)吸收系數(shù)頻率(THz)頻率(THz)頻率(THz)(五)THz波目前研究情況

什么是下一射線?T-射線!現(xiàn)在全世界有100個(gè)以上的研究小組在進(jìn)行與THz

有關(guān)的研究物理生物化學(xué)生物制藥

材料科學(xué)電子工程美國: 主要研究力量歐洲: Teravision,Tera-bridge TeraviewLtd.日本: Tera-photonics臺(tái)灣: Tera-photonicsChina:NNSFC新的

THz

項(xiàng)目USNewsandWorldReportTHz

Wave

論文數(shù)量(>1400)200150100500098969492900Year#ofPapersINSPECT-rayimaging02T-Ray

在各個(gè)領(lǐng)域的論文比例Paperscollectedfromleadingjournalsduringpast6yearssemiconductor25%gas4%waveguide6%microscope8%materialtesting17%other20%imaging11%tomography3%biomedical6%日本決定開發(fā)能檢測出毒品和炸藥的新型裝置2004年05月31日09:48新華網(wǎng)

新華網(wǎng)東京5月31日電（記者何德功）日本理化研究所、大阪大學(xué)、警察廳科學(xué)警察研究所和日立制作所日前決定，共同開發(fā)Ｔ射線（頻率達(dá)萬億赫茲）檢測裝置。該裝置在包裹不開封的情況下，能檢測出藏在其中的毒品和炸藥。據(jù)時(shí)事社報(bào)道，在機(jī)場等場所用Ｘ射線系統(tǒng)只能掃描出包裹中物品的形狀。而Ｔ射線檢測裝置不僅可以顯示隱藏物的外形，而且還能確定物品的化學(xué)成分。出于當(dāng)前反恐的要求，日本政府綜合科學(xué)技術(shù)會(huì)議已經(jīng)批準(zhǔn)開發(fā)新型Ｔ射線檢測裝置的研究預(yù)算。日本文部科學(xué)省在三年內(nèi)每年最高補(bǔ)助