THz科学与技术基础(文科)2015-3-16

2021年3月7日太赫兹波科学与技术基础首都师范大学物理系沈京玲2021年3月7日(二)太赫兹波的基本性质(三)THz波的产生与探测原理(四)THz波的应用(五)目前研究情况介绍(一)太赫兹波及其研究意义2021年3月7日(一)太赫兹波及其研究意义2021年3月7日THz在电磁波谱中的位置1031061091012101510181024100Hz1021THz可见光X射线g射线微波kilomegagigaterapetaexazettayotta1THz~1ps~300µm~33cm-1~4.1meV~47.6oKTHz是一个频率单位，1THz=1012Hz,英文为terahertz,译成中文为“太赫兹”，所以又称为太赫兹。通常THz辐射指0.1THz~10THz之间的电磁辐射.THz光子能量的计算346.6310hJsEhf121110fTHzHz31914.1104.11.610eVhfEeVmeVJeV一个频率为f的光子能量：meVTHz1.4~13412226.63101106.6310EhfJ1911.610eVJTHz波长与波数的计算8412310/31030010cmsmmfHzcf1331~cmv根据公式可得：133~300~1cmmTHz1THz对应的热力学温度的计算•由热力学公式TkEB可得：Ehf34122316.63101047.61.3810BhfJsHzTKkJK及能量公式KTHz6.47~12021年3月7日THz在电磁波谱中的位置1031061091012101510181024100Hz1021THz可见光X射线g射线微波kilomegagigaterapetaexazettayotta1THz~1ps~300µm~33cm-1~4.1meV~47.6oKTHz是一个频率单位，1THz=1012Hz,英文为terahertz,译成中文为“太赫兹”，所以又称为太赫兹。通常THz辐射指0.1THz~10THz之间的电磁辐射.2021年3月7日物质的THz谱（包括发射谱、反射谱和透射谱）包含着丰富的物理和化学信息，而且THz脉冲具有很多独特的性质，这使得THz技术在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线技术的互补技术，使THz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。随着THz技术的发展，THz技术的应用领域也在不断拓宽，它在生物学、医学、微电子学、农业及其它领域也有很大的应用潜力。THz课题研究的意义(二)太赫兹波的基本性质2021年3月7日THz波具有波的特性:衍射和干涉T-ray塑料板上的单孔2021年3月7日0120121THz1.5THz0120122THz012012cm0.5THz012012cmcmcm单孔衍射(f=1.8mm)2021年3月7日杨式干涉实验T-ray双缝干涉Time(ps)X(mm)1002001427空间相干2021年3月7日0121.5THz012cm0.5THz012012cm2THz012012cm0120121THzcmT-射线的干涉图样2021年3月7日THz波的一些重要特性（一）瞬态性（二）宽带性（三）相干性（四）低能性（五）THz辐射对于很多非极性物质，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。（六）大多数极性分子如水分子，对THz辐射有强烈的吸收。(4.1meV～1THz)X-射线~30keV相差7个数量级!!2021年3月7日THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小于3THz时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。返回瞬态性：2021年3月7日宽带性：THz脉冲光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至几十THz的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。返回2021年3月7日THz的相干性源于其产生机制。它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效应产生。THz技术的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数.相干性：返回2021年3月7日在THz成像技术中，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，如在THz成像技术中，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，如对人体烧伤部位的损伤程度进行诊断，还可以进行产品质量控制，如测量食品表面水分含量以确定其新鲜程度。返回2021年3月7日(三)THz波的产生与探测2021年3月7日1.THz光源和探测器介绍太赫兹光源:n自由电子激光器，气体激光器nGunn振荡器，Bloch振荡器，BWO等等。n光电导天线(更高功率)n空气等离子体n电光晶体(光整流)太赫兹探测器:n热辐射探测器(bolometer)n热释电探测器(Pyroelectricdetector)n光电导偶极天线(高灵敏度)n电光晶体(电光效应)2021年3月7日常用的两种产生方法：2.THz波的产生2.1光导天线的方法2.2光整流的方法2021年3月7日THz脉冲THz脉冲E入射光束THz发射源反射光束和1qqqE1ot2E2J(t)=n(t)eEb(1)激光脉冲+半导体(2)产生瞬时光电流(3)远场THz辐射载流子加速运动导致THz辐射(真实电流)*ZhangandAuston，J.Appl.Phys.71326(1992).gEt)t(J)t(ETHz2.1光导天线的方法产生THz辐射2021年3月7日2021年3月7日电光晶体2.2光整流的方法入射激光脉冲I(t，，D)THz脉冲ETHz(t，W)差频WD(激光带宽)电极化矢量:P(W)=c(2)(W，+W，)E(+W)E*()DtD=1t)t(P)t(E22THzP(t)t)t(It)t(Pt)t(J)t(E22)2(22THzcc(2)DDt实验证明：如果在与电场垂直的方向加上磁场，可以提高THz辐射的输出功率.二阶非线性光学效应•1.线性光学效应10103当外界光场较强时（即当外界光场可与原子内平均场强(大约v/m)相比拟时），非线性效应就表现出来。这时物质对光场的响应与光场的关系为非线性，极化强度为：Epc0c当光与物质相互作用时，如果外界入射光场中的电场强度比物质原子的内场强小得多，则光场在物质中的感生的电极化强度与外界电场强度成正比.为电极化率。即物质对光场的响应与光的场强成线性关系。2.非线性光学效应.......)3()2()1(+++pppp.....32+++EEEg即式中各系数都是与物质有关的系数,称为非线性光学效应。称为非线性光学效应。即其中2021年3月7日假设光电场包含有多个频率分量则二阶非线性极化强度为：tinmnmnmnmeEEtp)(,)2(0)2()()(),()(c+二阶非线性极化引起的三波混频现象是指，两个频率不同的单色光同时入射到非线性介质中，产生和频与差频的效应。下面讲一下和频与差频的效应2021年3月7日12213+1231对于频率为2213+和的三个光波和频：差频：要保证和频或差频产生，必须使这些过程满足相位匹配条件：0321+kkk.2021年3月7日光导天线光整流能量高低频率低高谱宽窄宽(50THz)2.3光导天线与光整流的对比2021年3月7日3.THz波的探测常用的两种方法：3.1光导天线的方法3.2电光取样的方法2021年3月7日3.1光导天线的方法2021年3月7日ZnTe渥拉斯顿偏振片[1，-1，0]/4波片Pellicle(薄膜分光片)探测光束sp偏振片E探测器THz413ELrnIIDDDIE3.2电光取样的方法2021年3月7日光导天线探测THz脉冲，由于受到光电流速度的制约，其探测带宽较窄。电光取样技术不受光电流速度的影响，只与所用的电光晶体的非线性性质有关,有较宽的探测带宽。目前用电光取样技术探测到的频谱已超过50THz。同时这种探测方法具有光学平行处理的能力和好的信噪比，在实时二维相干远红外成像技术中具有很好的应用前景3.3两种方法的比较2021年3月7日4.太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）4.1透射式4.2反射式首师大THz-TDS透射光谱测量系统2021年3月7日返回2021年3月7日4.2自由空间THz探测及成像(反射模式)返回2021年3月7日(四)THz波的应用2021年3月7日THz脉冲的波形、振幅、以及时间延迟的变化可以给出书的页数及书中的水分含量。FundamentalsofPhotonicsSaleh&Teich著大约1000页-101THz信号(a.u.)403020100时间延迟(ps)入射脉冲6420-2THz信号(a.u.)130120110100时间延迟(ps)透射脉冲1.用THz波束读书2021年3月7日-101THz信号(a.u.)1413121110时间延迟(ps)360页361页每页的时间延迟范围为130fs到200fs。-101THz信号(a.u.)2520151050时间延迟(ps)360页361页THz成像50澳大利亚圆2021年3月7日T-射线光速点钞机？钞票的数量与THz信号的时间延迟的关系。($100钞票材料的折射率为1.607)-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5信号543210时间延迟(ps)$8000to$9000one-billincrement$0$9000$8000$3000$7000$6000$5000$4000$2000$1000归一化信号302520151050时间延迟(ps)2021年3月7日“时间就是金钱”正如“光年“是一个天文学常用单位，我们可以引进一个新的货币单位:“T-射线秒。THz脉冲1ps的时间延迟对应于4.5张钞票，因此1T-射线秒=$4.5万亿(对1美圆面值的钞票而言)，这倒是一个对美国的国债很有用的单位(5.7万亿美圆)。大约4.5美元/ps时间延迟(ps)80006000400020000Dollars20151050slope:$450/ps实验数据线性拟和-1018000600040002000Dollars12次随机测试误差（钞票数目）2021年3月7日THz在生物学中应用的微观基础生物分子对于THz射线的响应主要来自于大分子的构型或构象决定的集体振动模决定的，这种集体振动模主要反映分子的整体结构信息，而不是光学方法通常测量的相对定域的电子结构或与单个化学键相关的振动模。同时由于大分子的结构对环境很敏感，集体振动模的分布和强度也包含了对环境的影响。一次THz光谱对于研究生物大分子的结构、分子之间的反应，分子与环境的相互作用等具有独特的优势。此外利用泵浦－探测技术，可以通过时间分辨的THz光谱分析，对易于变形的大分子在特定的生理过程或其他的相互作用过程中发生的构象变化等过程进行动态分析。生物分子的整体结构与它们在THz波段光谱性质的这种高度相关性，是这种新型技术应用于生物体系研究的最重要的微观基础。2.THz在生物学上的应用2021年3月7日2021年3月7日2021年3月7日2021年3月7日THz乳腺肿瘤(模型)成像0005101520255101520250mmmmStandardphotoTHzImagingatumor43210电光信号(nA)403020100TimeDelay(ps)癌变组织正常组织癌变组织和正常组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。THz成像标准照片THz波形肿瘤2021年3月7日3.基于电光效应的THz成像技术滤波片检偏器ZnTeTHz波r