太赫茲波科學(xué)技術(shù)綜述

1、深圳大學(xué)研究生課程論文題目 太赫茲波科學(xué)技術(shù)綜述 成績(jī) 專(zhuān)業(yè) 生物醫(yī)學(xué)工程（秋） 課程名稱(chēng)、代碼 生物醫(yī)學(xué)工程導(dǎo)論 1512011083002年級(jí) 2014級(jí) 姓名 楊圣新 學(xué) 號(hào) 2410220511 時(shí)間 2015 年 7 月 任課教師 陸敏華 目錄摘要3第一章 太赫茲波41.1太赫茲波的介紹41.2太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)51.3太赫茲波科學(xué)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.4太赫茲波的產(chǎn)生技術(shù)71.4.1窄頻帶連續(xù)THz波產(chǎn)生技術(shù)71.4.2寬頻帶脈沖THz波產(chǎn)生技術(shù)8第二章 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)82.1太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)82.1.1透射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)92.1.2反射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)10參考

2、文獻(xiàn)11摘要太赫茲波是指介于微波和紅外線之間,頻率在0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波，是電磁波譜上由電子學(xué)向光子學(xué)過(guò)渡的特殊區(qū)域，也是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論過(guò)渡的交叉區(qū)域,具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS)是基于飛秒超快激光技術(shù)的THz波段光譜測(cè)量新技術(shù)，它利用物質(zhì)對(duì)THz輻射的特征吸收來(lái)分析材料組成及其結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，因而近年來(lái)被廣泛運(yùn)用于化學(xué)、生物材料在THz波段的光學(xué)特性研究。本文簡(jiǎn)要介紹了太赫茲波的概念、性質(zhì)和太赫茲波科學(xué)與技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；詳細(xì)闡述了太赫茲波的關(guān)鍵技術(shù)，即太赫茲波的產(chǎn)生、探測(cè)方法及其理論機(jī)理；介紹了THz時(shí)域光譜技術(shù)的特點(diǎn)和兩種

3、典型THz時(shí)域光譜系統(tǒng)的光路及其基本工作原理。關(guān)鍵詞：太赫茲 太赫茲的產(chǎn)生與探測(cè) 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)第一章 太赫茲波1.1太赫茲波的介紹太赫茲(Terahertz,THz,ITHz=1012Hz)波通常是指電磁波譜上位于微波和紅外線之間，頻率在0.1-10THz(波長(zhǎng)在30um-3mm)范圍內(nèi)的電磁波,其在電磁波譜上的位置如圖1.1所示。THz波在電磁波譜中的位置非常特殊：在長(zhǎng)波方向，它與微波毫米波有重疊；在短波方向，它與紅外線有重疊。因而，太赫茲頻段是電磁波譜上由電子學(xué)向光子學(xué)過(guò)渡的特殊區(qū)域，也是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過(guò)渡區(qū)域，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值1。長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏有效的產(chǎn)

4、生和檢測(cè)THz波的手段，人們對(duì)該段電磁波的特性知之甚少，以至于該波段被稱(chēng)為電磁波譜上的“THz隙(THz GaP)”2。 THz隙的形成還在于THz頻段正好處于科學(xué)技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟的微波毫米波和紅外線光學(xué)之間，形成一個(gè)相對(duì)落后的“空隙”。在長(zhǎng)波方向，THz波的研究主要依靠電子學(xué)理論，在短波方向則主要依靠光子學(xué)理論，從而在電子學(xué)和光子學(xué)之間形成一個(gè)理論上的“空隙”。20世紀(jì)90年代以后，隨著飛秒超快激光技術(shù)的發(fā)展，為T(mén)Hz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使得THz波段的理論研究和應(yīng)用技術(shù)都取得了很大的進(jìn)展。太赫茲波科學(xué)技術(shù)是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的前沿學(xué)科，它涉及電磁學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、化學(xué)、光電子

5、學(xué)、通信理論、量子理論以及材料科學(xué)等許多個(gè)重要學(xué)科3。微觀上太赫茲波是具有量子特征的電磁波，而宏觀上太赫茲波具有類(lèi)似微波的穿透能力和類(lèi)似光波的方向性。因而太赫茲波科學(xué)技術(shù)在微觀和宏觀領(lǐng)域都具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值4。太赫茲波科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了人類(lèi)研究微觀世界的方法和手段，同時(shí)在天文遙感、生物醫(yī)學(xué)、公共安全、環(huán)境檢測(cè)、化學(xué)分析、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)等宏觀領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)由于THz波在電磁波譜上的位置比較特殊,因而表現(xiàn)出一系列不同于其它電磁輻射的特殊性質(zhì)。(1)THz脈沖的典型脈寬在亞皮秒量級(jí),不但可以方便地對(duì)各種材料(包括液體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、生物樣品等)

6、進(jìn)行亞皮秒、飛秒時(shí)間分辨的瞬態(tài)光譜研究，而且通過(guò)取樣測(cè)量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾，得到具有很高信噪比(大于1010)的太赫茲電磁波時(shí)域譜5，并且具有對(duì)黑體輻射或者熱背景不敏感的優(yōu)點(diǎn)。(2)THz脈沖通常只包含若干個(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)。(3)THz波的相干性源于其產(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(guò)非線性光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生。與傳統(tǒng)的光學(xué)方法僅僅測(cè)量出某一頻率光的強(qiáng)度不同，THz波的時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS)直接測(cè)量THz波的時(shí)域電場(chǎng)，通過(guò)傅立葉變換給出THz波的振幅

7、和相位。因此，無(wú)需使用Kramers-Kronig色散關(guān)系，就可以提供介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。(4)THz波的光子能量較低，1THz頻率處的光子能量只有大約四毫電子伏特，比X射線的光子能量弱107-108倍，因此THz波不會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生有害的光致電離和破壞，特別適合于對(duì)生物組織進(jìn)行活體檢查。THz光子能量約為可見(jiàn)光的1/4，用THz波做信息載體比用可見(jiàn)光和近、中紅外光能量效率高得多。(5)THz波是具有量子特性的電磁波，具有類(lèi)似微波的穿透能力，同時(shí)又具有類(lèi)似光波的方向性。THz波可以被特定的準(zhǔn)光學(xué)器件反射、聚焦和準(zhǔn)直，也可以在特定的波導(dǎo)中傳輸。THz波對(duì)于很多非極性物質(zhì)具有較強(qiáng)的穿透能力，可以

8、穿透很多對(duì)于可見(jiàn)光和紅外線不透明的物質(zhì)如塑料、陶瓷、有機(jī)織物、木材、紙張等，因而可用來(lái)對(duì)已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于安全檢查。(6)凝聚態(tài)體系的聲子吸收很多位于THz波段，自由電子對(duì)THz波也有很強(qiáng)的吸收和散射，THz時(shí)域光譜技術(shù)是研究凝聚態(tài)材料中物理過(guò)程的一個(gè)很好的工具。特別是許多有機(jī)分子在THz波段呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性，不同分子對(duì)于THz波的吸收和色散特性是與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)的偶極躍遷相聯(lián)系的，而分子的偶極躍遷猶如人的指紋，是千差萬(wàn)別的，因此可以通過(guò)光譜分析實(shí)現(xiàn)分子的識(shí)別，就如同識(shí)別人的指紋一樣。THz光譜通過(guò)介電函數(shù)的實(shí)部和虛部來(lái)描述分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)，大多數(shù)極性分子如水分

9、子、氨分子等對(duì)THz輻射有強(qiáng)烈的吸收，可以通過(guò)分析它們的特征譜研究物質(zhì)成分或者進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制。1.3太赫茲波科學(xué)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)前，太赫茲波科學(xué)技術(shù)己經(jīng)引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被譽(yù)為二十一世紀(jì)影響人類(lèi)未來(lái)的十大科學(xué)技術(shù)之一，世界發(fā)達(dá)國(guó)家更是投入了大量的人力物力進(jìn)行研究。在世紀(jì)之交短短數(shù)年間，國(guó)際上關(guān)于太赫茲波的研究機(jī)構(gòu)大量涌現(xiàn)，并取得了很多研究成果。在美國(guó)，包括倫斯勒理工學(xué)院、常青藤大學(xué)和美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)在內(nèi)的數(shù)十所大學(xué)都在進(jìn)行THz的研究工作,美國(guó)的許多國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS、ORNL等都在開(kāi)展THz波的研究工作。美國(guó)

10、國(guó)家基金會(huì)(NSF)、國(guó)家航天局(NASA)、國(guó)防部(DARPA)和國(guó)家衛(wèi)生學(xué)會(huì)(NIH)從90年代中期開(kāi)始，對(duì)THz研究項(xiàng)目持續(xù)進(jìn)行了較大規(guī)模的資金支持。英國(guó)的Rutherford國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)、Strathelyde大學(xué)等十幾所大學(xué)以及德國(guó)的BESSY、Karlsruhe、Cohn、Halnburg等大學(xué)都在積極開(kāi)展THz的研究工作。除了各國(guó)自己支持的研究項(xiàng)目以外，歐洲國(guó)家還利用歐盟的資金組織了跨國(guó)家的多學(xué)科參與的大型合作研究項(xiàng)目，如Teravision公司(發(fā)展小型化器件、THz輻射成象在生物醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域的應(yīng)用)，THz-Bridge公司(THz輻射與生物系統(tǒng)相互作用的

11、研究)等。日本于2005年1月8日公布了日本國(guó)十年科技戰(zhàn)略規(guī)劃，提出十項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)，將THz列為首位。日本的東京大學(xué)、京都大學(xué)、大阪大學(xué)、東北大學(xué)、福井大學(xué)以及日本理化學(xué)研究所等許多機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行THz科學(xué)技術(shù)的研究。韓國(guó)漢城大學(xué)、浦項(xiàng)科技大學(xué)，新加坡國(guó)立大學(xué)以及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的臺(tái)灣大學(xué)、清華大學(xué)等都在積極開(kāi)展THz波的研究工作。我國(guó)國(guó)家科技部、自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院也對(duì)THz研究給予了高度的關(guān)注。國(guó)內(nèi)從2001年開(kāi)始，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、首都師范大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等十余個(gè)研究所和高等院校相繼開(kāi)展了THz波的科學(xué)研究工作。1.4太赫茲波的產(chǎn)生技術(shù)太赫茲波

12、的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)是太赫茲波科學(xué)技術(shù)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。太赫茲波科學(xué)技術(shù)之所以到最近十幾年才受到廣泛關(guān)注就是因?yàn)樘掌澆ǖ漠a(chǎn)生和檢測(cè)十分困難，用傳統(tǒng)的電子學(xué)方法和光學(xué)方法都難以產(chǎn)生和檢測(cè)太赫茲波。近年來(lái)隨著超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，使用超快激光轟擊非線性光學(xué)晶體(如砷化嫁)或光電導(dǎo)偶極天線就可以產(chǎn)生功率和頻率可調(diào)的太赫茲波，使用飛秒激光采樣可以在時(shí)域和頻域上檢測(cè)太赫茲波，這就為太赫茲波科學(xué)技術(shù)的研究提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源和檢測(cè)手段。但是缺乏高功率、低價(jià)位、便攜式室溫工作的太赫茲發(fā)射源是當(dāng)前限制太赫茲技術(shù)應(yīng)用的最主要障礙，目前國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)致力于解決這方面的難題并取得了很大的進(jìn)展，很多新的產(chǎn)

13、生和檢測(cè)方法被提出。目前常見(jiàn)的THz發(fā)射源大致可分為窄頻帶連續(xù)THz波產(chǎn)生技術(shù)和寬頻帶脈沖THz波技術(shù)兩大類(lèi)。1.4.1窄頻帶連續(xù)THz波產(chǎn)生技術(shù)窄頻帶THz發(fā)射源對(duì)于高頻譜分辨率的測(cè)量十分重要，在通信特別是極寬頻帶的衛(wèi)星間通信領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。所以在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，很多研究工作主要集中在開(kāi)發(fā)窄頻帶THz發(fā)射源上。目前的研究主要集中在兩個(gè)方向上:一是利用電子學(xué)的方法將低頻微波向高頻延伸，這類(lèi)方法的特點(diǎn)是效率較高，可以產(chǎn)生大功率甚至是超大功率的THz波，但產(chǎn)生的THz波頻率較低(1THz以下);另一個(gè)是光學(xué)方向，即將光學(xué)特別是激光技術(shù)向低頻延伸，這類(lèi)方法的特點(diǎn)是可以產(chǎn)生方向性和相干性很好

14、的THz波，但是輸出功率較小，適合于產(chǎn)生ITHz以上頻率的太赫茲波。目前這兩個(gè)發(fā)展方向也有相互融合的趨勢(shì)。還有其他一些產(chǎn)生THz波的技術(shù)正處于發(fā)展中，包括非線性光學(xué)混頻技術(shù)、光學(xué)參量轉(zhuǎn)換技術(shù)、量子級(jí)聯(lián)激光技術(shù)、自由電子激光技術(shù)等。1.4.2寬頻帶脈沖THz波產(chǎn)生技術(shù)上述窄頻帶連續(xù)THz波產(chǎn)生方法各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，但它們有一個(gè)共同的弱點(diǎn)是無(wú)法有效地消除系統(tǒng)的背景噪聲。隨著近幾年超快激光技術(shù)的發(fā)展，使用基于鎖模激光器產(chǎn)生超快激光脈沖的脈沖THz發(fā)射源得到了廣泛應(yīng)用，由于這類(lèi)方法中使用了飛秒(10-15s)量級(jí)的探測(cè)脈沖，速度很快，測(cè)量過(guò)程中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)不及反映背景噪聲，從而有效地解決了這一難題。第二

15、章 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)本章簡(jiǎn)要介紹了THz時(shí)域光譜技術(shù)的特點(diǎn)和兩種典型THz時(shí)域光譜系統(tǒng)的光路及其基本工作原理。2.1太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)物質(zhì)在THz波段的光學(xué)特性可以通過(guò)多種方法獲得。傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)是傳統(tǒng)的用于研究分子共振光譜的手段，這種技術(shù)具有很寬的光譜帶寬(從THz到近紅外),它的缺點(diǎn)是光譜分辨率相對(duì)較低，對(duì)熱背景噪聲比較敏感，需要液態(tài)冷卻的熱輻射測(cè)量?jī)x作為探測(cè)器等等。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)是20世紀(jì)90年代由AT&T，Bell實(shí)驗(yàn)室和IBM公司的T.J.Watson研究中心發(fā)展起

16、來(lái)的一種相干探測(cè)技術(shù),它能夠同時(shí)獲得THz脈沖的振幅信息和相位信息6。THz-TDS利用THz輻射脈沖透射樣品或從樣品上反射,記錄下通過(guò)參考片和樣品片后的THz時(shí)域電場(chǎng)波形，對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行快速傅立葉變換得到參考和樣品的頻域波形，然后對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理就可以得到被測(cè)樣品的折射率、吸收系數(shù)和消光系數(shù)等光學(xué)參數(shù)。更重要的是，THz-TDs無(wú)需使用Kramers-Kronig色散關(guān)系就可以獲得這些參數(shù)，這是當(dāng)前任何光學(xué)或微波技術(shù)都無(wú)法做到的。根據(jù)這些光學(xué)參數(shù)，就可以對(duì)樣品的種類(lèi)進(jìn)行鑒別并可進(jìn)一步分析出樣品的一些重要物理、化學(xué)信息。THz時(shí)域光譜系統(tǒng)的典型光路主要有四種:透射型光路,反射型光路,差

17、分型光路和惆啾展寬型光路,它們主要由飛秒激光器、THz波產(chǎn)生裝置、THz波探測(cè)裝置和時(shí)間延遲控制系統(tǒng)四部分組成。本節(jié)主要介紹前兩種最常用的光譜系統(tǒng)。2.1.1透射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)透射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)是應(yīng)用最早、最廣的THz時(shí)域光譜技術(shù)。該方法己被用來(lái)研究大量不同的材料，包括電介質(zhì)、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、有機(jī)材料、液體、氣體和火焰等。因此這種方法在THz時(shí)域光譜學(xué)中最具有代表性。一種標(biāo)準(zhǔn)的透射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的光路如圖2.1所示7,8。泵浦和探測(cè)THz波所用的飛秒激光器是美國(guó)相干公司生產(chǎn)的自鎖?？烧{(diào)諧式鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，激光中心波長(zhǎng)為800nm，脈寬小于100fs，重復(fù)頻率為80MHz,

18、平均輸出功率650mw。飛秒激光脈沖經(jīng)半波片(half-wave Plate,HWP)后被分束鏡(cubic beam splitter,CBS)分為泵浦光I和探測(cè)光11。泵浦光I在經(jīng)過(guò)斬波器和由反射鏡M3、M4組成的電動(dòng)平移臺(tái)后經(jīng)反射鏡M5、M6反射，再經(jīng)A3、A4和凸透鏡Ll準(zhǔn)直、聚焦后以450角入射到晶向?yàn)?lt;100>的p-型砷化錮(InAs)晶體上，通過(guò)光整流效應(yīng)激發(fā)出THz波。探測(cè)光11經(jīng)過(guò)一系列反射鏡M7M12以及凸透鏡L2后經(jīng)偏振片P打在高阻硅Si上，經(jīng)過(guò)高阻硅的反射打在晶向?yàn)?lt;l10>型，厚度為0.8mm的ZnTe扮電光探測(cè)晶體上，在ZnTe晶體上與經(jīng)四個(gè)

19、拋物面鏡印parabolic mirror,PM)反射并透過(guò)樣品而載有樣品信息的太赫茲波共線，太赫茲波通過(guò)電光晶體調(diào)制探測(cè)光從而將樣品的信息加載到探測(cè)光束上來(lái)。載有樣品信息的探測(cè)光最終經(jīng)過(guò)四分之一波片(quarter-wave plate,QwP)和凸透鏡L3后被渥拉斯頓棱鏡(wollaston prism,PBS)分為兩個(gè)偏振方向垂直的分量，最后由差分探測(cè)器通過(guò)測(cè)量?jī)善穹至康牟町惗庹{(diào)出樣品的信息。該系統(tǒng)的基本工作原理是：飛秒激光脈沖入射到InAs電光晶體中通過(guò)光整流效應(yīng)的方法產(chǎn)生出THz電磁波。THz波經(jīng)過(guò)樣品時(shí)由于對(duì)樣品的響應(yīng)而攜帶上樣品的信息(包括色散和吸收)，然后被拋物面鏡反射到電

20、光晶體ZnTe上，利用電光取樣的方法進(jìn)行測(cè)量。THz波電光取樣的方法是基于線性電光效應(yīng)(又稱(chēng)普克爾效應(yīng))進(jìn)行的，當(dāng)THz脈沖電場(chǎng)通過(guò)電光晶體時(shí)，其瞬態(tài)電場(chǎng)將通過(guò)線性電光效應(yīng)使電光晶體的折射率發(fā)生各向異性的改變，從而調(diào)制晶體的折射率橢球，當(dāng)另一束探測(cè)光和THz脈沖同時(shí)通過(guò)晶體時(shí)，在晶體中產(chǎn)生的雙折射使探測(cè)脈沖的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，調(diào)整探測(cè)光脈沖和THz脈沖間的時(shí)間延遲，檢測(cè)探測(cè)光在晶體中發(fā)生的偏振變化就可以獲得THz脈沖電場(chǎng)的時(shí)間波形。2.1.2反射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)反射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)與透射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的工作原理基本一致，區(qū)別在于反射型系統(tǒng)的探測(cè)器接收的是由樣品表面反射的THz波。如圖2.2所示。 圖2.2 反射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)簡(jiǎn)圖反射型THz時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的要求比較高。這是因?yàn)閽呙鑵⒖夹盘?hào)時(shí)，樣品架的位置應(yīng)該放上與樣品的表面結(jié)構(gòu)基本一樣的金屬反射鏡, 而且要求反射鏡的位置和樣品的位置嚴(yán)格復(fù)位。這就加大了樣品、樣品架及用作參考的金屬反射鏡的制作難度。參考文獻(xiàn)1.劉盛綱.太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展.中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué),2006.8(l),7-12.2.G Davies,E Linfield.Bridging the terahertz gap.Physies world,2004.17(4),37-41.3.張希成,B