（物理学专业论文）水的太赫兹谱测量.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 水是自然界广泛存在的物质，尽管其分子结构十分简单，但却有着奇特的物 理和热力学性质。水分子与氢键相互作用形成了复杂的多体系统，该系统与太赫 兹波相互作用会有较强的吸收，因而太赫兹光谱对于研究水的特性有很大的帮助。 太赫兹时域光谱技术以其宽带宽、高信噪比、高时间分辨率及良好的相干性等独 特的优势在许多研究领域中发挥者越来越重要的作用。本论文利用太赫兹时域光 谱技术，实验测量了液态水和冰在不同温度下的吸收系数和折射率，对于理解水 的结构和热力学性质，具有重要的基础研究和实际应用价值。 本文对常见的太赫兹产生及探测方法做了简要的总结，对t h z 时域光谱技术 作了详细的描述，设计了实验方案并测量了水在不同温度下的太赫兹光谱。提出 了利用冰透射波形的时间延迟间接测量水样品厚度的实验方案，克服了采用透射 方法测量水在太赫兹波段光学常数所面临的主要困难。水在太赫兹波段有着广泛 的吸收，除了理论预言的在6 0 c m 一附近的吸收峰，没有其他共振吸收峰的存在。 实验结果与文献发表的水在太赫兹波段的光学常数一致，验证了太赫兹时域光谱 技术的有效性。实验还测量了冰以及冰水混合物在太赫兹波段的光学常数，补充 了液态水的测量数据，为进一步的理论和实验研究提供了参考。 主题词：太赫兹太赫兹光谱水吸收系数氢键 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a bs t r a c t w a t e ri sak i n d o f u b i q u i t o u sl i q u i d o i le a r t h , w h i c hh a ss o m ep e c u l i a r c h a r a c t e r i s t i c si np h r 7 s i c sa n dt h e r m o d y n a m i c s ，t h o u g hh 2 0m o l e c u l ei sv e r ys i m p l e a m a n y - b o d ys y s t e m i sf o r m e db yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nw a t e rm o l e c u l ea n d h y d r o g e n - b o n d t e r a h e r t zw a v ew o u l db eg r e a t l ya b s o r b e db yt h i ss y s t e m , s oi tw i l l h e l pu ss t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rt om e a s u r et h es p e c t r u mo fw a t e ri nt e r a h e r t z ( t h z ) d o m a i n n i zt i m e d o m a i ns p e c t r o s c o p y ( t n z t d s ) h a sb e e np l a y i n gam o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei nm a n yr e s e a r c ha r e a sd u et oi t sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e ss u c ha s b r o a d b a n dd e t e c t i o n , h i 曲s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ，h i g ht i m er e s o l u t i o na n d p h a s ec o h e r e n t d e t e c t i o n w | eo b t a i nt h ea b s o r p t i o nc o e i i i c i e n ta n dr e f r a c t i o ni n d e xo fw a t e ru s i n g t h z - t d st e c h n o l o g y , a n dt h er e s u l tw i l lb ev a l u a b l et os t u d yo nt h es t r u c t u r a la n d t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fw a t e r mm o s tp o p u l a rm e t h o do ft e r a h e r t zg e n e r a t i o na n dd e t e c t i o ni ss u m m a r i z e d ，a n d 啦t i m e - d o m a i ns p e c t r o s c o p ys y s t e mi sd e s c r i b e dd e t a i l e d l ya sw e l la so u re x p e r i m e n t s c h e m e b e s i d e s ，w eo b t a i nt h es p e c t r u mo fw a t e ri nt e r a h e r t zd o m a i na td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s w ep r o p o s eam e t h o dt om e a s u r et h et h i c k n e s so fw a t e rm e m b r a n eu s i n g t h et e r a h e r t zt r a n s m i s s i o nw a v ef o r mt h r o u g hi c e ，w h i c hs o l v e st h ed i f f i c u l tp r o b l e mi n t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r o s c o p y mr e s u l t , w h i c hi si ng o o da g r e e m e n t 、i l ，i mr e f e r e n c e s ， s h o w st h a tt e r a h e r t zw a v ei sa b s o r b e di na l l 田h zr a n g e a n dh a sn or e s o n a n ta b s o r p t i o n p e a l 【e x c e p tt h eo n en e a r b y6 0c m 1 b e s i d e s ，w eo b t a i nt h et e r a h e r t zs p e c t r u mo fi c e a n dm i x t u r eo fw a t e ra n di c e k e yw o r d s ：t e r a h e r t z ；t e r a h e r t zs p e c t r u m ；w a t e r ；, a b s o r b a n c e - c o e f f i c i e n t ； h y d r o g e n b o n d 第i i 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图 图 图 图 5 6 7 8 图3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图目录 太赫兹波在电磁波谱中的位置1 光整流产生t h z 原理图8 半导体表面漂移电流方向示意图9 半导体表面扩散电流方向示意图l o 光电导天线示意图1l 光学差频产生过程中三波相互作用框图和能级图1 3 太赫兹时域光谱系统18 t p s10 0 0 系统光路图1 9 l t - g a a s 光电导天线产生和探测的太赫兹辐射波形和频谱2 0 电磁波在平板型介质中的传播2 l 倾斜入射示意图2 2 透射式几何构形2 4 两种不同的透射式方案2 5 反射式几何构形2 6 两种不同的反射式方案2 7 截止函数处理前的样品时域信号及频域信号3 l 截止函数处理后的样品时域信号及频域信号3 2 薄样品实验结果3 2 厚样品实验结果3 2 透射方案二的实验结果3 3 冰0 8 0 k ) 的透射实验结果3 3 方案一测得的水的反射谱3 4 方案二测得的水的反射谱。3 4 硅的折射率。3 6 时域上被分开的反射峰3 8 不同厚度水的主峰的位置3 8 不同厚度冰的主峰及反射峰的位置3 9 水的常温吸收系数3 9 不同温度下的水的吸收系数4 0 冰的吸收系数随温度的变化4 1 冰水混合物的折射率与吸收系数4 2 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究正作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，j 论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我- n x 作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：知眸弓月p 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：壅盟态蕴兹遥型量 学位论文作者签名： 磊! 至生釜 日期：讪加年弓月o 日 作者指导教师签名：之之建j 三 日期：矽秒年弓月莎日 国砧科学拄术大 研究生院硕学位论文 第一章绪论 麦克斯韦方程组的建立大大加快了人们对电磁波的研究和利用。但在毫米波 和红外光之间有一块尚未披充分利用的频谱资源，被称为“太赫兹空白”。太赫 兹( t h z ) 辐射指频率在0i t h z 1 0 t h z ( 波长在3 0 “m 3 衄) 之间的电磁辐射， 如图l1 所示。太赫兹波位于微波与红外光之间，在低频区和毫米波有重叠，在高 频区和红外线有重叠，故而，t h z 在电磁波频谱中占有很特殊的位置。1 n i z 对应 的波数为3 33 c m - ，能量为4 l m c v 波长为3 0 0 l j m ，在室温下，k t ， = 6 t p z ， 可见太赫兹辐射的光子能量与室温下的热噪声相当。太赫兹正好处存经典世界和 量子世界的过渡区。 孑i 竺i 互 i i h l h 【_ 州】f i ， i j ih ， 】) i i ， 图11 太赫兹被在电磁渡谱中的位置 太赫兹辐射作为“电磁波段上最后一块未开垦之地”，在过去相当长的一段时 间里，未能得到人们广泛而深入的研究。由于未能找到有效的产生和检测方法， 所以对该波段的研究十分困难。近十几年来，固态振荡嚣、量子级联激光器、自 由电子激光器和超快激光技术的迅速发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可 靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生和应用得到了极大的发展。太赫兹的独特性 能给通信( 宽带通信) 、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像( 无标记 的基因检查、细胞水平的成像) 、无损检测、安全检查( 生化物的检查) 等领域带 来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它 的脉冲很短( 皮秒量级) 所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹 波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹的应用仍然在不断 的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认： ( 1 ) t h z 成像技术：利用t h z 时域光谱技术可以直接测量t h z 电磁脉冲所 产生的瞬态电磁场，可以直接测得样品的介电常数。而且由于t h z 电磁波的强透 射能力和低辐射能量( 对人体完全无害) ，n i z 成像技术可以用来检验食品新鲜度， 替代医疗x 射线透视仪、c t ( 层析) ，以及用于机场安全检查和炭疽病菌等生化 物品的检夤等等。 ( 2 ) 生物化学技术领域：由于许多生物大分子的转动吸收谱处于t h z 频段， 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 对生化反应t h z 吸收谱的研究可以得到反应中的分子运动状况信息，对于进一步 研究生化反应提供了有力的手段。 ( 3 ) 天文学：在宇宙中，大量的物质在发出t h z 电磁波。炭、水、一氧化碳、 氮、氧等大量的分子可以在t h z 频段进行探测。 ( 4 ) 通信技术：t h z 用于通信可以获得1 0 g b s 的无线传输速度，这比当前 的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得t h z 通信可以以极高的带宽进行高保 密卫星通信。虽然由于缺乏高效的t h z 发射天线和源，使其还无法在通信领域商 业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。 此外，太赫兹波在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有广泛的 应用。研究该频段不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电 路技术也将提出重大挑战 1 1 太赫兹波概述 1 9 9 0 年代飞秒激光的出现，使人们能够在实验室产生出信噪比很高的太赫兹 辐射，掀起了太赫兹技术研究的热潮。人们发现这一久久未能得到研究的新波段 具有极其特殊的性质。太赫兹波在材料检测、功能成像等方面显示出巨大的应用 潜力，引起各国政府和科研机构的高度重视。下面介绍太赫兹的主要特点及其发 展过程与研究进展。 1 1 1 太赫兹波的主要特点 太赫兹波主要有以下特点： 1 量子能量和黑体温度很低，对黑体辐射不敏感，在小于3 个t h z 时信噪 比高于1 0 4 ：1 ，远高于傅里叶变换红外光谱仪，稳定性较好【l 】，而且在样品探测时， 不会产生有害的光致电离，是一种有效的无损探测方法。 2 许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄 膜材料等的声子振动能级落在n z 波段范围。因而t h z 时域光谱技术作为探测材 料在t h z 波段信息的一种有效的手段，可用于进行定性鉴别的工作。 3 t h z 电磁辐射脉冲具有瞬时性，脉宽皮秒量级，能进行时间分辨研究1 2 一 4 t h z 脉冲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g h z 到几十t h z 的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。 4 t h z 辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等， 使得其能在某些特殊领域发挥作用。 5 t h z 脉冲电场的振幅和相位信息可同时测量，利用电光取样的方法，可直 接记录t h z 电磁辐射脉冲的波形。通过快速傅立叶变换后即可以得到t h z 电场振 第2 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 幅和相位信息，进而可以知道材料在t h z 波段的色散及吸收等信息。它与利用 k r a n l e r s - k r o n i g 关系来提取材料光学常数的方法相比，大大简化了运算过程，提高 了可靠性和精度。因此许多材料在t h z 波段的信息可以通过t h z 时域光谱技术测 量出来，其中包括电介质材料、半导体材料1 5 6 1 、气体分子【7 ，8 1 、生物大分子1 9 1 0 】 以及超导材料【一z j 等。 1 1 2 太赫兹技术的研究进展 太赫兹辐射的产生方法可以分为电子学方法和光子学方法两大类。二者各有 优劣，一般情况下，利用微波电子技术产生的太赫兹辐射频率低于2 0 0 g h z ，而光 子技术产生的太赫兹频率在1 t h z 以上。利用电子学产生t h z 的方法有：返波管 ( b w o ) 、迪旋管( g y r o t r o n ) 、自由电子激光器( f e l ) 、量子级联激光器( q c l ) 等。在电子学方法中，可以产生高功率的t h z 辐射，但设备都十分庞大，能耗高、 价格昂贵，设备维护繁琐。利用光子学方法产生t h z 的方法主要有：通过高功率 c 0 2 激光器泵浦气体池产生t h z 波【1 3 】、通过超短脉冲的光电导效应【1 4 】或光整流【1 5 】 产生1 r i z 波、光学差频( d f g ) 1 6 i 、t i z 参量产生振荡器( t p g t p o ) 1 1 7 l 、光学 c h e r e n k o v 辐射效应【1 酎、光表面激发、光学受激散射等。在光子学产生t h z 的方 法中，光泵法能够产生几百毫瓦量级的t h z 波，但这种辐射源不能连续可调，而 且电光效率低，体积重量大，价格昂贵。利用飞秒激光的光整流可以得到毫瓦量 级的t h z 辐射i l w ，但由于该方法产生的t h z 为宽谱带，只适用于无相干性要求的 场合。此外，利用差频或者参量振荡是产生高功率相干t h z 辐射行之有效的方法。 现有报道中，美国y u j i ej d i n g 教授利用1 0 6l am 附近的全固态激光器差频产生 t i z 的输出峰值功率已达3 8 9 w t 2 0 i ；u c l a 的s ht o c h i t s k y 等利用脉冲宽度为 2 5 0 p s 的c 0 2 激光在c r a a s 晶体中差频得到2 m w 的t h z 峰值功率1 2 h 捌，利用2 0 0 n s 的c 0 2 激光在g a a s 晶体中差频得到t h z 峰值功率达到2 k w 2 3 1 。 相应的太赫兹电磁辐射脉冲的探测方法也主要分为两种1 2 睨7 1 ，一种是基于光 电导效应的光电导取样的方法f 2 8 。3 0 l 。该方法利用一束探测激光脉冲在半导体材料 内部产生瞬间载流子，利用t h z 电磁辐射脉冲的电场部分驱动瞬间载流子，这样 就可以得到反映t h z 电场信息的电流，从而得到t h z 电磁辐射的信息。另一种是 利用激光脉冲在电光晶体中的线性电光效应进行的电光取样。这种探测方法利用 激光光束和t h z 电磁辐射脉冲共线经过晶面取向为 的电光晶体z n t e ，利用 t h z 电磁辐射脉冲的电场部分通过线性电光效应调制晶体的折射率椭球，通过测 量探测光束偏振态的改变，得到t h z 电磁辐射脉冲的电场信息。第一种探测方法 的探测带宽主要由载流子的响应时间决定，带宽比较窄，同时光路的调节也比较 麻烦2 4 j 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 1 3 太赫兹技术的应用前景 太赫兹时域光谱( t d s ) 技术是太赫兹技术应用最成功的领域之一，是研究太 赫兹波段物理、化学过程的重要手段，通过对太赫兹时域波形的处理和分析，它 可以同时得到介电函数的实部和虚部。对于研究物质在太赫兹波段的光谱特性、 分析物质的内在结构具有十分重要的意义。此外，太赫兹t d s 在研究生物分子动 力学、结构和功能方面也显示出巨大的应用潜力【3 i 】。 太赫兹成像技术是另一个得到人们极大关注的应用领域，主要是因为太赫兹 辐射可以透过大多数绝缘体，主要应用包括行包检查、芯片质量监控、点钞、反 恐、缉毒、以及太赫兹辐射三维层析成像等。第一张太赫兹二维扫描图像是在1 9 9 5 年由h u 和n u s s 3 2 1 用光电导天线得到的。后来，美国的w u 和张希成等人用z n t e 晶体和数字c c d 得到焦点处的太赫兹辐射光斑图俐3 3 j 。近些年来，太赫兹成像在 实验技术和数据处理方法上取得了许多进展1 3 4 1 。为了提高太赫兹成像的空间分辨 能力，最近发展了近场太赫兹成像，分辨率可以达到微米量级【3 5 】。 高功率高信噪比的太赫兹辐射源的出现，极大地促进了t h z 辐射的产生机理、 检测技术和应用技术的研究，为许多物理研究和商业应用提供了可能性。来自于 半导体、医药、材料、航天、国防等领域的研究兴趣，使太赫兹技术成为最具吸 引力的前沿学科之一。美国、欧洲和日本尤为重视。在美国有数十所大学都在从 事t h z 的研究工作，日本于2 0 0 5 年1 月，公布了日本十年科技战略规划，t h z 技术位列十项重大关键技术的首位【3 6 1 。国内也有众多课题组开始了相关的研究 【3 5 1 。 1 2 水的太赫兹谱研究 1 2 1 研究水的太赫兹谱的意义 水是对人类非常重要的一种液体，虽然水分子的结构十分简单，但水却有着 奇特的热力学性质，因而对水的相关研究比对其他任何液体都要多l 络s 。虽说人 们将水奇特性质的来源归因于水分子在液态水中形成的氢键网络【4 6 1 ，但由于氢键 网格的存在，加大了对水的理论研究的复杂性与不确定性，人们尚未从根本上理 解水的奇特性质的原因。另外，由于极性水分子间具有较强作用力，在实验中很 难获得严格意义上的水分子结构，增加了水分子相关实验研究的难度。 虽然液态的水分子的结构难于直接测量和表征，孤立水分子簇的结构和动力 学研究依然为定量研究水中分子问作用力和氢键重排提供了一种方法。目前已有 多种研究水分子簇的理论方法。主要有：从头计算法、蒙特卡罗模拟法、密度泛 函理论等，这些方法虽可以揭示液态水分子簇存在的结构、稳定能量和力学机制 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 等，但是理论研究仍有很多的问题。纵然人们建立了几百个模型，计算能力得到 极大的提高，我们至今仍不能精确计算水的光学性质，仍没有完全理解水表面的 分子特性及超低温下水的奇异性质。尽管人们知道氢键网络是决定水的性质的关 键，但仍没有实验能在分子层面上给出一个合理的解释。最后，理论模拟的可靠 性也需要检验，所以人们对于水光谱特性的实验也进行了广泛的研究。 水分子与氢键相互作用形成了复杂的多体系统，水分子在平衡位置附近的平 动和转动的弛豫时间处于皮秒、亚皮秒量级，该系统与毫米波和太赫兹波相互作 用会有选择的吸收。因而远红外或太赫兹光谱对于研究水的特性有明显的作用， 尤其是对氢键的研究有很大优势。 另外，生物组织中含有大量液态形式的水，研究水的特征谱，特别是在太赫 兹波段的特征谱，对生物组织的研究具有重要的基础意义。 1 2 2 研究概况 随着太赫兹技术的蓬勃发展，人们越来越关注太赫兹的实际应用。特别是时 域光谱技术出现以后，人们可以测量各种材料在太赫兹波段的光谱信息。特别地， 水作为一种常见而又被广泛研究的重要液体，直吸引着人们极大的兴趣，关于 这方面的测量数据也有很多报道。 早在1 9 8 9 年，m a r t i n 等人1 5 2 】就研究过水蒸汽的太赫兹谱，他们的结果显示水 蒸汽在太赫兹波段共有九条吸收谱线。1 9 9 8 年，a l a nc h e v i l l e 等人1 5 3 1 测量了被丙 烷火焰加热的水蒸汽的吸收峰，虽然和m a r t i n 的结果不一致，但是和他们的理论 模拟结果却十分一致。在2 0 0 4 年w e is h i 等人【5 4 1 用0 2 4 2 t h z 范围内可调谐的太 赫兹源测量水及水蒸汽的光谱，他们发现水蒸汽在此范围内存在2 7 个共振吸收峰。 他们把结果与m a r t i n 等人的结果相比较，发现只有四个吸收峰相互吻合，其他的 吸收峰二者存在较大差别。另外，水的吸收谱几乎没有明显的吸收峰，只在 1 0 - 1 5 t h z 的范围存在一个宽带的突起。后来，t a k a s h i 等人1 5 5 垸成水的太赫兹谱 测量实验，发现1 4 t h z 内水完全没有吸收峰。 可见，虽然关于太赫兹波段水的吸收情况存在很多实验数据，但数据之间并 不能相互印证。这里面的原因是很多的：一方面是因为水的结构比较复杂，不同 的温度压力等可能对其微观结构造成很大的影响，另一方面则是因为实验条件不 同，太赫兹源的强度及信噪比等存在较大差异，另外实验方案及数据处理都会带 来误差。 总之，水的太赫兹谱虽然在过去的十几年中被人们大量研究，但对水在不同 温度不同状态的系统研究还是很少，而且结果一致性很差。本文旨在测量较大温 度范围内水的光学性质，从而为揭示水的微观结构提供数据参考。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 本文的内容 全文共分三个部分，先介绍了t h z 信号的产生和检测理论；接着介绍了利用 t h z 时域光谱技术测量材料光学常数的方法；最后通过实验测得了水在不同温度 的太赫兹谱。 第二章介绍了t h z 信号的产生和检测理论。对各种主要的太赫兹产生及检测 方法进行比较详细的介绍。重点是t e r a v i e w 中用到的光电导天线产生和检测太赫 兹技术。 第三章介绍如何从t h z 时域光谱中提取材料光学常数。文章以t d d o m e ) , 和 l d d u v i l l a r e t 等人提出的t h z 时域光谱技术提取材料光学常数的模型为基础展开 讨论。在测量水的太赫兹光谱方案中，详细介绍了四种不同的测量方案。 第四章介绍了实验方案，得到了水在不同温度下的太赫兹谱。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章太赫兹波的产生与探测 太赫兹的产生和探测技术是太赫兹波科学研究中的重点和难点。用传统的电 子学方法和光学方法都难以产生和检测太赫兹波，高功率、低价位、便携式室温 工作的太赫兹源的缺乏仍然是限制太赫兹技术应用的最大障碍，目前国内外很多 科研机构致力于解决这方面的难题并取得了很大的进展，很多新的更好的产生和 检测方法被提出。目前常见的t h z 发射源大致可以分为宽频带脉冲t h z 波产生技 术和窄频带连续t h z 波技术 2 1 宽频脉冲太赫兹波产生技术 利用超短激光脉冲对不同材料( 半导体材料、有机物、包括空气在内的各种 气体等) 激发，可以产生宽频带的t h z 脉冲辐射，其中基于光电导原理和光整流 效应的两种方法是目前较为成熟的脉冲t h z 波产生技术。而从半导体表面产生t h z 波以及在空气中四波混频产生t h z 辐射则由于其简单的结构而得到比较广泛的关 注。 2 1 1 光整流效应 光整流是电光效应的逆过程。在非线性介质中，两单色光束混合，产生和频 振荡和差频振荡。同样当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会通 过差频振荡效应激发低频振荡的电极化场。这种低频的极化场就可以辐射出t h z 波段的低频电磁波。光整流的转换效率主要依赖于晶体的非线性系数和相位匹配 条件，由光整流机制产生的辐射带宽较宽，缺点是输出功率较小。图2 1 是光整流 产生t h z 原理示意图，下面就其基本原理作一详细介绍。 对于非线性光学过程，当入射光频率远离介质共振区域或入射光比较弱时， 极化强度与入射光电场的关系可以采用下面的级数形式表示【5 6 】： p = 8 0 z e + 6 0 z 2 ：e e + 6 0 z 3 ie e e + ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中，z ( 1 是一阶极化率或线性极化率，它是二阶张量；z ( 2 是二阶极化 率，它是三阶张量；z ( 3 是三阶极化率，它是四阶张量。 光整流是二阶非线性效应，它只与上式第二项相关。假设入射光是一平面波， 其电场可用下式来表述： e ( f ) = l e ( ) e xp ( 一f t ) d 功+ c ( 2 1 2 ) 上式实际是电场的傅里叶展开形式，它表示入射光是由不同频率的单色光叠加而 第7 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 成。 把式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 1 ) 得： 硝i ；) ( ，) = 2 氏z ：ff e 1 l q 砸 ) e x p - i f 2 t d c o d f 2 ( 2 1 3 ) 其中q 是两个频率分量的差值。在远场条件下，从介质辐射出的电场强度正比于 介质极化强度对时间的二阶导数： 盎2 e r ( f ) 舞麟( f ) ( 2 4 于是有下式： j 2 e ，( f ) 口黄麟( f ) ( 2 1 5 ) = la ( q ) e x p 一i f 2 t d t 2 式( 2 1 5 ) 中么( q ) = 一2 破2 占。z 2 f ”( 国手q ) 冒( 彩) d 缈，e r ( f ) 就是辐射出的电场 的强度，由上式可以看出它是由许多频率分量组成的，这些频率分量恰好是入射 光各频率分量的差值q 。设入射光的带宽为a c a ，则有0 q a c o 。若使入射光 的a c o 为t h z 量级，则从介质中辐射出的电磁波的频率分量就限于t h z 范围内。 现在的飞秒激光器产生的激光束就能使其各频率分量差值限制在t h z 范围内，所 以一般用飞秒激光脉冲作为泵浦光来产生t h z 。 秒 光 冲 e ( t c o a a )2 x ( 2 ， 电光晶体 础( ，) = 盯卫( 彩手q ) 层( 妫f 。口d 删q 耳。，够簧磔。， 0 x - m y - m l x - m ：( 4 2 i ，i 。 经过截止函数处理后的信号如图4 2 所示，从图中可以明显看出主峰之外的嘈 杂信号被去除，频谱变得光滑。t e r a v i e w 有效的频谱范围则在3 t h z 以下，所以我 们的实验只能测到3 t h z 以下的水的吸收系数。 第3 l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 2 截止函数处理后的样品时域信号及频域信号 4 2 2 透射测量结果 在实际测量时，我们首先进行了技术相对比较成熟的透射方法，测得了薄、 厚两组样品的光谱数据。 = = f c 图4 3 薄样品实验结果 图4 3 是测得的比较薄的水的太赫兹光谱。左图是时域信号，虚线的信号为透 过两硅片窗口的信号，实线信号是加入水样品后的信号。右图是其频谱。在时域 信号中，我们可以发现，太赫兹波经过薄水之后，幅度变小，相位延迟。在频谱 图中，可以比较明显的看到样品的谱强度在各个频率都有很大的衰减，反映出了 水在t h z 波段确实有很强的吸收，具体的处理过程还需要考虑反射损耗等因素， 在最后的章节一并给出最终数据处理结果。 图4 4 厚样品实验结果 用同样的方法，采用较厚的水样品，得到了较厚水的测量结果，如图4 4 所示。 第3 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为了排除硅窗口对实验带来的额外干扰，简化实验数据的处理方法，我们取薄样 品的样品信号作为新的参考信号，厚样品的样品信号则作为新的样品信号，利用 透射实验方案二，得到了由于水厚度变化所造成的信号强度的变化。测量结果见 图4 5 所示： 图4 5 透射方案二的实验结果 从图4 5 左图可以看出，样品信号相对参考信号的延迟非常小，说明厚薄两种 样品的厚度比较接近，从两者数据的差异中可以提取到厚度等同于它们厚度差的 薄水的吸收信息，从图4 5 右图中也能看出薄水对信号的衰减不是很强。 在实验操作相同的情况下，我们在得到了1 8 0 k 时冰样品( 厚度约1 r a m ) 的 测量结果，冰的测量结果如图4 6 所示： 图4 6 冰( 18 0 k ) 的透射实验结果 从冰的透射测量时域谱来看，在冰较厚的情况下，经过样品的信号强度仍然 很强，尤其在低频部分，t h z 的透过率非常高，而且由于冰与硅界面的透射率较 空气与硅界面更大，在低频部分样品信号甚至大于透过两硅片的参考信号。在实 验中，透射信号的强弱将是判断样品中是否有水存在的重要判据。 4 2 3 反射测量结果 对于吸收比较强的样品，理论上利用反射方法获取样品参数具有先天的优势， 由于在利用反射测量时，t h z 信号并不通过整个样品，只是通过与样品表面的相 互作用获取样品的相关信息，有效避免了样品强吸收造成的实验动态范围窄、信 第3 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 噪比低的问题。实际反射实验过程中对传统的反射测量方式做了定的改进，并 将传统测量与改进测量的结果进行了比较。 图4 7 方案一测得的水的反射谱 图4 7 是按照前文所述的反射方案一得到的测量结果。左图的时域图中虚线是 不加样品时，硅片的上表面的反射信号；实线是硅片与样品界面反射回的参号信 号，其幅值要比透射方案的参号信号小，这是由于在反射式几何构形中，太赫兹 波除了要在硅片中走一个来回外，还要通过许多聚乙烯窗口片。虽然如此，由于 太赫兹在硅与水的表面就被反射回来，被水吸收的很少，所以样品信号还是比透 射式的样品信号强。 图4 8 方案二测得的水的反射谱 图4 8 是方案二的测量结果。左图的时域信号中，虚线为硅片下表面的反射信 号，实线为样品信号。可以看出样品信号相比参考信号发生了反相，这是由于前 表面的回波是光疏到光密的界面反射的，而后表面的回波是光密到光疏的界面反 射，过程中发生了半波损失。两种实验方案的时域波形都可以看出水的存在造成 了后表面反射信号的变化，我们可以从这种变化中得到水在t h z 波的光学性质。 从以上两种反射方案入射光强与出射光强之比可以看出，反射方法在测量强吸收 样品时确实有很大的优势。 第3 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 4 3 不同测量方案的分析比较 4 3 1 两种透射方案的比较 方案一通用性比较好，适合大部分样品的测量，只需要一次制样，样品信号 强度相对较高，动态范围比较宽，信噪比比较高。缺点在于数据处理过程相对比 较复杂，需要迭代求解。 方案二数据处理简单明了，准确性有保障，缺点是对样品的均一性要求较高， 而且需要制样两次，分别得到厚薄两种样品，在用较厚样品得到的样品信号强度 相对较小，动态范围降低，信噪比降低，光谱有效范围减小。 4 3 2 两种反射方法的比较 方案一数据处理过程比较直观，相对较容易，在参考、样品信号提取过程中， 具有相同的过程，排除了额外的干扰。缺点是对两次界面的复位精度要求高，误 差要求在微米以内，否侧将会在结果中出现震荡的情况，而且参考信号与样品信 号的获取需要经过两次，中间需要进行样品的放置，无论从空间还是时间上都不 利于实验的进行。 方案二数据处理过程略显复杂，由于参考信号与样品信号通过不同的光路获 得，引入了额外的干扰项，优势在于对实验精度要求降低，实验的可重复性提高； 在测量过程中，只需要“一次 测量，用不同的时间窗口即可分别提取参考信号 和样品信号。 4 3 3 透射法与反射法的比较 透射法是比较常用的光谱测量方法，在数据处理过程中直接明了，实验光路 的搭建和调节比较简单。缺点在于对于样品光学参数的提取需要迭代求解，对于 高吸收的样品，比如水，样品的制样难度大大增大，实验的可重复性较差，实验 参数的提取也有较大难度。 反射法对于高吸收物质的测量有很大优势，数据处理时具有解析解，对液态 样品，反射截面的获取比较容易，由于t h z 波不深入样品，样品信号的信号幅度 相对较大。缺点在于，方案一实验光路的搭建很有难度，对反射面得控制要求较 高，在方案一中需要精确复位，而在方案二中引入了额外的干扰项，不利于数据 处理。此外，虽然的样品信号幅度较大，但反射法的信噪比不高，过多的窗口片、 焦点位置的不精确及反射面的不平整等都会带来误差。所以在数据分析过程中， 我们将采用透射式方案的数据。 第3 5 页 目防科学技术大学研究生院硬学论文 按照第三章提供的处理方法，将测得的时域光谱结果进行数据进步处理， 我们可以得到所测样品更多的信息。我们首先处理硅在不同温度下的测量数据， 获取硅的光学常数，主要是折射率，为髓后样品信息的数据处理提供相关参数。 然后在冰的厚度得到准确测量的前提下，计算低温下冰的吸收系数，并提取冰 豹平均折射率。然后利用光学方法，获取水样品厚度，进而得到关于水的吸收系 数。文章的最后对冰融化过程中光谱的变化情况进行了研究。 4 41 透射法测得硅的折射率 作为样品池的窗口，硅的参数选取将对实验处理结果产生非常大的影响，为 了排除， 在因素对实验测量结果的干扰，我们首先对硅窗片的参数进行提取，确 证实验中所用硅片的特性，为样品实验数据的处理做准备，同时通过将测量值与 报道值进行比较也是对数据处理方 去有效性的检验。由于样品的测量将在不同温 度下进行。测量硅片在不同温度下的光学参数成为我们实验中必不可少的过程。 具体实验中，我们利用方案进行测量，硅片厚度用微米千分尺进行测量，精度 为o0 0 1 m m ，多次测量取平均后得到硅片厚度。将硅片厚度代入，得到硅的折射 率数据如图4 9 所示。 f r e q u e n c yi t h z ) 图4 9 硅的折射率 从图4 9 可以看出，在太赫兹波段硅的色散性质比较好，在实验整个频率测量 范围内折射率保持了很好的一致性，在一定精度范围内，硅的折射率在不同频率 可以按常数处理。通过不同温度下；赠量值的比较可以看出硅的折射在整个温度 范围内变化较小，但在温度跨度比较大时还是需要考虑，所吐在后面的计算中， 硅的折射率在比较小的温度范围按常数处理。当变温范围比较大时，硅的折射采 用各温度下的测量值。 第3 6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 4 4 2 实验中样品厚度的确定 在整个实验过程中，我们对于反射法和透射法都做了一定的研究，由于通过 我们的反射实验方案得到的数据比较差，我们选用透射法为主要的测量方式。透 射方式测量水的吸收系数第一个要解决的是水样品的厚度确定问题。由于水在t h z 波段有强吸收，水的透射测量要求制作的样品非常薄，实验尝试的结果约是0 1 m m 左右，这极大地增加了制样的难度，同时对于厚度的准确测定也造成很大的困难。 常用的机械测量方法达不到精度要求，而且实验条件限制了对样品厚度的直接测 量。利用样品池窗口内表面反射信号的光学延迟来确定样品池厚度是一个不错的 方案。 为了确定冰样品的厚度我们需要做一定的准备工作。首先，冰对t h z 的弱吸 收允许制作比较厚的冰样品( 实验中分别制作了l m m 、4 m m 左右两种厚度的冰样 品) ，在制作过程中，通过对所加水的量进行控制，可以使得样品池只有下半部分 为水。样品池密封后放入低温冷却仓进行降温可以得到只有下半部分为冰样品的 样品池。在9 0 k 的温度下，首先测量不通过冰的时域信号。在时域波形上两硅片 内表面的反射信号可以很明显的辨别，通过时域光谱中反射峰位置的时间延迟， 可以计算得出在空气中由反射带来的光程差，结合空气中t h z 的折射率，可以计 算出样品内表面的实际间距。下一步测量透过冰的反射信号，由于冰的吸收较小， 反射峰也可以很明显的分辨。通过峰值位置的时间延迟可以计算得出在冰中由反 射带来的光程差。两者相比可以得出在该温度下，冰样品的平均折射率。如图4 1 0 所示，左图为透过空气形成的信号波形，右图为透过冰样品得到的信号波形。通 过对光学延迟的计算可以得到冰在9 0 k 的平均折射率，计算公式如下： 死驴d = 乙扣 瓦d = 乞 ( 4 1 ) ( 4 2 ) 则礼= 礼丸肛胁，取瓦，= l ，经过多次平均得到瓢= 1 8 3 8 5 。得到平均折射率后， 只要知道该温度下反射波形的延迟就可以计算得出样品厚度。 第3 7 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 j 日 = = 一 日 c d 们 p o s i t i o n ( r a m ) 图4 1 0 时域上被分开的反射峰 原理上可以利用同样的方法来确定硅片间距进而确定样品水厚度，但实际操 作过程中却无法实现。这主要是因为：一、由于厚度的限制，无法制作像冰那样 半边参考半边样品的样品池；二、水的吸收使反射信号非常微弱，不能从时域波 形中得到比较准确的时间延迟数值。如图4 1 1 所示，时域波形中只能看到透射波 的主峰，反射峰无法辨别。 p o s i t i o n ( m m ) 图4 1 1 不同厚度水的主峰的位置 为了解决这一问题，考虑到冰在t - i z 波段比较好的透过性，而且冰与水可以 相互转化，我们将通过对冰厚度的确定来最终获取水样品的厚度。具体过程如下： 首先通过降温使水转化为冰，反射波信号强度变大，在时域谱中可以清楚的辨认； 然后通过对反射信号相对于主信号的时间延迟的测量，结合实验测量得到的该温 度下的平均折射率即可计算出该温度下冰样品的厚度。实验中为了更好区分反射 峰，提高获取数据的准确性，我们在9 0 k 温度下进行冰厚度的测量。考虑到硅的 热膨胀系数比较小，加上水的流体特性，可以认为冰变为水时，样品的厚度保持 第3 8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 不变，从而通过对冰的测量就可得出样品水的厚度，更进一步的测量就能得出水 的吸收系数。实际实验中，图4 1 1 中所用的两种不同厚度的水样品在转化为冰后 均可以观察到明显的反射峰，具体峰值在图4 1 2 中标出，结合前文求出的冰在9