（物理电子学专业论文）光电导天线thz时域光谱系统和thz小波域光谱技术.pdf

摘要 t h z 科学是一门新兴科学，有很高的实用价值，对未来的科学发展和社会生 活具有重大意义。t h z 时域光谱技术是研究t h z 科学的主要手段之一，因其大 带宽、高信噪比、高时间分辨率和相位相干探测的优势，该技术得到了越来越广 泛的应用。本论文的主要工作一是利用理论与实验相结合的方法，搭建一套基于 光电导天线的t h z 时域光谱系统，通过实验证实了发射天线已经正常工作；二 是探讨了将小波变换引入t h z 时域光谱技术的意义，展示了小波变换与t h z 技 术结合的优势。详细内容包括以下几个方面： 1 、在大量阅读相关文献的基础上，综述了t h z 科学技术的发展历史、发射探测、 应用前景、优势特长和研究现状。 2 、详细介绍了基于光电导天线的t h z 时域系统的结构，描述了天线部分的设 计、安装和调试方法，对实验步骤和实验方法进行了详细的解释，分析了实 验得到的由光电导天线发出的t h z 波脉冲，从而证明了激发天线已经正常工 作。理论部分对发射天线的t h z 波耦合问题、探测天线的响应问题和系统的 光学传输过程进行了细致的分析。 3 、详细介绍了小波变换的历史发展、相关概念和理论基础；采用g a b o r 小波对 经过金属波导的t h z 波脉冲进行了连续小波变换分析，从变换结果中提取出 代表着金属波导中三个主要模式的模式带，指出了基于小波变换的t h z 小波 时域光谱技术相对与t h z 时域光谱技术的优势；详细探讨了形状因子的变化 对小波变换的影响。 关键词：飞秒激光光电导天线t h z t d s 小波变换 a b s t r a c t t h zs c i e n c ei san e wr e s e a r c hf i e l d w h i c hi sq u i t ev a l u a b l et ot h es c i e n c e d e v e l o p m e n ta n dh u m a ns o c i e t yi nf u t u r e a s o n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dt h z t e c h n i q u e ，t h zt i m e d o m a i ns p e c t r o s c o p y ( t h z t d s ) i sp l a y i n ga m o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l e i nm a n yr e s e a r c h f i e l d 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 g hs 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 dp h a s e c o h e r e n td e t e c t i o n t h ef i r s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o ni s 也er e s e a r c ho nt h z t d s s y s t e mb a s e do na n t e n n a s 1 1 1 et h zs i g n a lf r o mt h ee m i s s i o na n t e n n ai sp r e s e n t e d i n t h es e c o n dp a r t ，c o n t i n u ew a v e l e tt r a n s f o r m ( c w t ) i su s e dt oa n a l y z eac h i r p e dt h z p u l s e t h em a i nw o r k si nd e t a i la r ec l a s s i f i e da sf o l l o w s ： 1 仳s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi sr e v i e w e d ，i n c l u d i n gi t sh i s t o r y , e m i s s i o n ，d e t e c t i o n ， a p p l i c a t i o n ，a d v a n t a g e sa n d s o m er e c e n tr e s e a r c h e s 2 t h es t r u c t u r eo f t h et h z t d ss y s t e mb a s e do np ca n t e n n ai si n t r o d u c e d a n dt h e m o d u l eo fa n t e n n ai sd e s c r i b e dp a r t i c u l a r l y , i n c l u d i n ge a c hc o m p o n e n ti nt h e m o d u l ea n dt h em e t h o do fm o u n t i n gt h e m b o t ho ft h ee x p e r i m e n tp r o c e s sa n d t h es i g n a lf r o mt h ee m i s s i o na n t e n n aa r ep r e s e n t e d t h e o r yo ft h es y s t e mi s a n a l y z e di nd e t a i l ，r e s p e c t i v e l y , i n c l u d i n gt h ee m i s s i o na n t e n n a ，t h ed e t e c t o r a n t e n n aa n dt h eo p t i c a ls y s t e m 3 t h eb a c k g r o u n do fw a v e l e tt r a n s f o r mi sr e v i e w e d at h zp u l s e dt h r o u g ham e t a l c y l i n d e rw a v e g u i d ei sa n a l y z e db yu s i n gc 、v t a n dt h e r ei s ac o m p a r i s o n b e t w e e nw a v e l e tt r a n s f o r ma n df o u r i e rt r a n s f o r m a tl a s t ，t h ei m p a c to ft h es h a p e f a c t o ro nw a v e l e tt r a n s f o r mi sd i s c u s s e di nd e t a i l k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e r , p h o t o c o n d u c t i v ea n t e n n a ，t h z t d s ，w a v e l e t t r a n s f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。 学位论文作者签名： 裤醐2 岬“月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字吼岬年6 月形日 导师签名：邢从学 签字日期。2 刁年月舶 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电磁波技术是科学研究的一个重要方向，其应用早已深入到社会的各个领 域，很难想象人类的世界离开电磁波技术会是什么样子。自从麦克斯韦给方程组 建立以来，电磁学便有了完整可靠的理论框架，电磁波技术在此框架内蓬勃发展 了近百年，至今仍然未见衰颓之势，尤其是在t h z 波领域，近些年更是掀起了 一阵t h z 科学研究热潮。 所谓t h z 波，又称太赫兹波，是指频率从0 1 t h z 到1 0 t h z 的电磁辐射 ( 1 t h z = 1 0 1 2 h z ) 。该波段介于微波与远红外辐射之间，这两个相邻的波段已经 是非常成熟的电磁学分支，有完整的理论框架和大量的实验研究成果，其应用十 分广泛，例如微波通讯技术，红外变换光谱技术，红外夜视技术等。相比起来， t h z 波技术最近才得到应有的关注和重视，t h z 波技术的发展也更为波折。实际 上早在十九世纪二十年代，e j n i c h o l s 和j d t e a r 就曾提醒人们关注该波段辐 射，但是因为一直没能找到高效稳定的t h z 波发射源和探测器，因此逐渐被科 学界淡忘。转机是在1 9 7 1 年，yr s h e n 提出基于光学整流的t h z 波技术，给 t h z 波研究指明了新的道路，奠定了t h z 波产生方法的理论基础；1 9 8 1 年，飞 秒激光器诞生，解决了t h z 波的激发问题。此后，t h z 波领域迎来了革命性的 发展，天线、电光晶体等激发源和探测器相继问世，这些重要的突破使t h z 研 究从理论成为实验室中的现实，大大加速了t h z 波技术的研究，一时之间，关 于t h z 波的研究成果层出不穷，t h z 波的研究小组也如雨后春笋般遍布全球， 美国，日本等科技强国纷纷将其列入重点发展学科之中，t h z 波技术对未来科学 研究和社会生活的重要意义得到广泛认同，许多科学家预言，人类已经进入了 t h z 波时代。面对大好的发展时机，国内众多有识之士大声呼吁要格外重视t h z 波的研究，不能再输在起跑线上。2 0 0 5 年香山会议的召开肯定了t h z 科学的重 要意义，极大的鼓舞了关注此方向的国内同行。目前，国内研究t h z 波的高校 和研究所越来越多，虽然在水平和数量上与科技强国尚有一定的差距，但我们很 高兴的看到差距正在逐渐缩小，相信中国t h z 科学研究的前途是无比光明的。 在本论文的第一章中，作者对t h z 波和t h z 技术做了全面的介绍，方便了 读者对t h z 科学有一个大致的了解。下面将有选择地简介关于t h z 科学的相关 内容。 第一章绪论 电手掌 i 10 010 310 61o 10 1 210 1 51 o 810 孙10 2 毒 d ck i l o m e g ag i g a t e r ap e t oe x az e t t ay o t t a 母卜_ + 一卜+ t 十十一十一 漱长3 k m3 m3 0 f h n m3 0 0j j i l l l o 3 “m ：l x10 u 铷 1 2t h z 波的产生 l t l f z - - 。i p $ h 一3 0 0 pm - - - 3 3 c m 1 一，l ，1 n u v 。1 7 6 k 图1 1t h z 在电磁波谱中的位置 t h z 波的频率介于微波与红外之间，科学家开始期望用微波和红外领域成熟 的激发技术过渡到t h z 波段，但是效果很不理想。因此没有令人满意的激发源 成为曾经制约t h z 波发展的瓶颈。而上世纪九十年代发展起来的超快激光技术、 量子阱技术和化合物半导体技术的发展解决了这一棘手难题。t h z 波辐射源有很 多种，总的说来，可以分为宽频t h z 波源和窄频t i - i z 波源两种。本节将重点介 绍各种激发源及其相应的特点。 1 2 1 宽频t h z 波的产生 目前能产生宽频t h z 波的激发方法主要有以下四种： ( 1 ) 光电导天线产生t h z 波。2 0 世纪9 0 年代初，d h a u s t o n 、d g r i s h k o w s k y 等人用光电导偶极天线技术产生了t h z 电磁辐射脉冲。该种方法能产生周期为 几百飞秒的超短t h z 脉冲，包含t h z 范围的光谱，是现阶段产生和探测t h z 波 的最常用方法之一。其基本原理是：在光电半导体材料表面淀积金属制成偶极天 线并在其上加直流偏置电压。以飞秒脉冲激光入射到天线上构成滑动连接，当光 子能量大于半导体禁带宽度时就会在半导体中产生电子空穴对。在偏正电压驱动 下，两种载流子向相反方向运动产生瞬时光电流，辐射出脉宽在亚皮秒量级的 t h z 电磁辐射脉冲，如图1 2 所示。在决定半导体的众多参数中，载流子有效质 量、复合速度、最大迁移率和材料的击穿电场是比较重要的四个参数。前三个参 数与t h z 脉冲的脉宽有关，击穿电场与天线出的t h z 波的最大能量有关。 2 第一章绪论 在电场中加 速的载流子- _ 畛 光导天线 图1 - 2 光电导天线产生t h z 脉冲原理图 t h z 脉冲 ( 2 ) 从半导体表面产生t h z 波。由于晶格的周期性条件在表面处被打破， 半导体表面存在表面态，很多半导体的表面状态被完全占用，于是靠近半导体表 明与空气交界处的费米能级被牵制，导带和价带发生弯曲，从而产生一个耗尽区 和一个表面强电场。这个电场与表面垂直，量级在1 0 5 v c m 【1 1 。当入射到表面的 超快激光的光子能量大于半导体带隙时会在半导体的表面处产生电子空穴对。 载流子在半导体表面耗尽层内被表面电场加速，从而产生超短瞬态电流即发出 t h z 电磁波。值得注意的是可以通过改变入射激光的入射角来改变t h z 辐射场。 ( 3 ) 光学整流产生t h z 波。发生在盐酸氢钾和盐酸重氢钾中的光整流效应 最早用于产生兆赫兹级的辐射，当时使用0 1 微米的激光脉冲。后来由于l i f 0 3 中c u 斗+ 光整流效应的发现，这种方法的应用范围扩展到了皮秒级领域。2 0 世纪 9 0 年代初，张希成发展沈元壤【2 】【3 】等人的工作提出了用该种方法产生1 r i z 波。今 天，光整流可以产生频谱范围达7 0 t h z 的超短脉冲【4 】。光整流效应发生在非中心 对称的材料中，是一种非线性效应，电光效应的逆过程：入射超短激光脉冲在非 线性材料中经历差频过程，接近直流的低频极化( 其实为t h z ，但相对于光的频 率来说，频率非常低) ，辐射出脉宽在亚皮秒量级的t h z 波，如图1 3 所示。为 了描述这一现象，我们将其看作一个不同频率问差频的产生过程，其中频率为u 和吃的入射光子所产生的远红外光子频率为y = 1 一ki ，这样所产生的非线性极 化就可以由下式描述： 只蹦2 = z e e j | ( 1 - 1 ) ，k 式中e 表示入射光场，旌表示二阶非线性磁化张量。由此式可见，极化强 度场与入射光强度成正比，因而t h z 辐射场也与入光强度成正比。入射脉冲越 3 第一章绪论 短，其频谱越宽，则更多的频率能够被混合，所产生的t h z 频谱就越宽。不同 材料中产生的不同t h z 波形能方便地用于区分产生机制。当入射光频率高到能 够激发带间跃迁，自由的载流子将产生和移动，非线性极化率将由于共振而达到 很高的值。相反没有跃迁发生时，被束缚的载流子只会偶尔变位。在这种情况下， 非线性磁化率无共振而只有较低的值。此外，相匹配条件的满足程度非常重要， 其通常用离散度来表征。 z n t e 是典型的非共振跃迁、满足相匹配条件的材料，现在被广泛地应用与 t h z 波的产生和探测，用z n t e 可得到的频率范围为0 1g h z 3 t h z 。当共振跃迁 发生时，入射光在几微米内被完全吸收，所以相匹配条件可以不用考虑。由于非 线性系数非常高，所以能够产生很强的t h z 辐射。这类光整流可以在砷化稼、 磷化铟、碲化镉中发生，只要入射光子能量高于能带隙。在既无共振跃迁，又不 满足相匹配条件的情况下，t h z 辐射也能通过极化激波产生。l i t a 0 3 就是一例， 用它可以产生最高到4 t h z 的远红外辐射。 图1 - 3 电光晶体产生和探测t h z 示意图 1 2 2 窄频t h z 波的产生5 】 顾名思义，窄频t h z 波的频带窄，波形近于连续，该类t h z 波对于高分辨 率的t h z 波光谱分析、t h z 传感器和超宽带通信具有重大意义。因此一向被列 为研究重点。传统上，气体激光器能产生0 9 3 t h z 的连续信号，输出功率范围 为1 - 3 0 m w 。但是气体源缺乏可调性，而且体积非常大，尺寸超过2 5 米。自由 电子激光器既能产生连续波，也能产生高功率的脉冲t h z 辐射【6 】。但这种激光器 非常昂贵，非常大，加上众多附属设备有几间屋的体积，所以使用很少。最近， 一些新的产生连续t h z 波的技术发展起来，本小节主要介绍这些新兴技术。 ( 1 ) 光混频产生t h z 波【7 】。两束连续波激光在一块光电导材料中进行混频 可以产生频率等于两束激光频率差值的光电流。当频率差处在t h z 波段时，光 4 第一章绪论 电流可沿着发射线传播或通过天线向自由空间辐射。有两种光混频器：分离元件 光混频器和分布式光混频器。分离元件光混频器使用光电导缝隙或m s m 集成结 构，在其两个电极之间有很大的偏置电场。光电导体放置在天线或天线阵列的策 动点上，被两束激光所照射。分离元件光混频器像极大带宽的电流源一样工作， 在t h z 波段驱动天线。分布式光混频器基于相似的原理，但由激光所产生的光 场将沿着混频器的结构传播，并不像分离元件混频器里那样位于一个单独的点 上。 ( 2 ) 光参量变换产生t h z 波。光参量变换技术被广泛用于产生各种频率的 辐射，t h z 波也可以用光参量变换技术产生。以这种方法可以产生连续可调的 t h z 波t h z 波的频率可以随着泵浦光入射到非线性晶体的角度变化而改变。 产生的t h z 包络的周期是3 4 纳秒，考虑到t h z 的振荡周期为皮秒量级，所以 包络脉冲可以认为是连续的t h z 波。光参量变换的效率比光混频高3 至4 个数 量级，小型化方面却不如光混频。 ( 3 ) 量子级联激光器产生t h z 波【8 】。1 9 9 4 年美国贝尔实验室发明的量子级 联激光器将固体半导体激光器技术延伸到t h z 波段。此后至今，半导体t h z 激 光器技术有了长足发展，特别是异质结结构技术，可以控制异质结构的特性。在 一台量子阱激光器中，载流子在两个能级间跃迁所产生的光由于一种载流子在一 系列具有楼梯形能级的成对量子阱( 超晶格) 中的光子辅助穿隧运动而增强，增益 程度决定了输出功率。与普通半导体激光器不同，量子级联激光器是单极激光器， 即只用一种载流子。现阶段量子级联激光器必须工作在低温下，但是量子级联激 光器很可能成为窄带t h z 辐射的终极技术，因此仍然是研究重点。 1 3t h z 波的探测 t h z 波的探测是t h z 科学的一个重要问题，这主要是因为两方面的原因： 一是现阶段普通实验室中的t h z 源所激发出的信号很多比较微弱，特别是宽谱 t h z 波探测成像等方面，因此需要t h z 探测器十分灵敏；二是t h z 波光子能量 较小，很易与背景噪声耦合，所以去噪处理是非常重要的。与上一节一样，下面 将从宽带t h z 脉冲探测和窄带t h z 波探测两方面分别介绍t h z 波探测器。 1 3 1 宽带t h z 脉冲探测 探测宽带t h z 脉冲的方法主要有两种： 5 第一章绪论 ( 1 ) 光电导天线【9 】【1 0 】【l l 】【12 1 。如图1 4 所示，原理上光电导天线方法或成光 电导采样方法相当于光电导天线辐射t h z 脉冲的逆过程。用飞秒脉冲照射在天 线上做滑动连接( 相当于采样脉冲) 在半导体上激发出电子一空穴对，以接收到 的t h z 波为偏置电压驱动载流子运动形成探测瞬时电流，经放大后测量。 图l o 光电导采样测量图示 ( 2 ) 电光晶体采样 1 3 1 1 1 4 1 1 1 5 】【1 6 1 1 7 1 。与光学整流产生t i z 波互为逆过程。如 图1 5 所示，当t h z 波入射到非中心对成非线性晶体( 如z n t e ) 中时，t h z 波 对该晶体产生了调制，因而改变了各向异性的晶体的双折射率椭球，入射的飞秒 脉冲激光的脉宽相对于t h z 脉冲可以认为是采样脉冲，该飞秒脉冲经过被调制 的电光晶体后由平衡二极管测量出其偏振的变化，得到t h z 波的波形。 1 3 2 窄带t h z 波探测 图1 - 5电光晶体采样示意图 主要有两种方式： ( 1 ) 在需要高的光谱分辨率的探测中，常用的是外差式探测器。其原理是t 6 第一章绪论 将入射的t h z 连续波信号和局部振荡器( l o ) 信号进行混合，局部振荡器有着 固定的输出功率，且这个功率远大于入射信号功率。局部振荡器的频率也和探测 信号的不同。外差过程由一个叫做混合器的非线性装置实现。这个装置的输出信 号频率与入射t h z 信号和局部振荡器信号的频率之差成正比，被称为中间频率。 t h z 波的变化将直接反映到中间频率输出信号上。 ( 4 ) 辐射量热计( b o l o m e t e r ) 、热探测器和热电子辐射辐射热计( h e b ) 则是近年来发展起来的一种高灵敏度探测器，响应时间很快【l 引。但是此类的探测 其必须工作在低温环境下，而且只能做平方率探测，不能获得相干波的相位信息。 1 4 超快t h z 脉冲的特点 t h z 波虽然介于微波和红外之间，但却在很多方面具有与相邻波段非常不同 的特性，不能简单的看作是微波和红外的延伸。作为新近才被认识的一种电磁波， 这些特点为人们指明了利用t h z 波的方向和障碍，鉴于本论文主要研究超快t i - i z 波，现将其特性陈列如下： 1 4 1 超快t h z 脉冲的优点 t h z 波与其他传统光源相比，有以下的优势： ( 1 ) 瞬态性：宽频t h z 波的典型脉宽在亚皮秒量级，因此可以用于亚皮秒、 飞秒量级的高分辨率研究，不仅如此，通过取样测量技术能够有效地抑制背景辐 射噪音的干扰。 ( 2 ) 宽带性：宽频t h z 波脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，其频带 覆盖了从g h z 至几十t h z 的范围。更重要的是该波段包含了大多数分子的转动 和振动能级，特别是许多重要的有机分子对t h z 频率显示出极强的吸收和色散 特性【1 9 】。 ( 3 ) 相干性：t h z 波的激发是由相干电流驱动的偶极子振荡产生或者是由 相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生，具有很高的时间和空间相干性。现有 的t h z 时域光谱技术可以直接测量振荡电磁场的振幅和相位。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【2 0 】。 ( 4 ) 低能性：频率为1 t h z 的电磁波的光子能量大约只有4 m e v ，约为x 射线光子能量的兆分之一，因此不会对测量样本产生电离作用，这不仅有利于对 生物组织进行活体检查，而且对于对人体无害的安全检查具有突破性意义。 7 第一章绪论 1 4 2t h z 研究中的不足之处 本论文中t h z 技术主要值得是相干t h z 波成像和t h z 时域光谱技术，与其 他电磁波技术相比此二者还很不成熟，因此其中存在这一些的问题和障碍还有待 被解决，下面列举主要的一些不足： ( 1 ) 在上一小节曾指出，许多分子对t h z 波表现出很明显的吸收和色散特 性。其中，极性分子如水分子、氨分子等在t h z 波段都有强烈的吸收峰【2 l 】【2 2 】。 因此水蒸气和氨气成为很强的噪声源，用t h z 作探测或成像时需先作干燥等处 理；某些情况下探测样本本身就对t h z 波就有很强的吸收，大大降低了透视深 度，影响了探测质量。 ( 2 ) t h z 脉冲的平均功率还很低，目前最高只能在纳瓦量级。低功率严重 韵限制了信噪比的提高。 ( 3 ) 相干探测获取数据时间较长。无论是电光采样还是光电导采样，相干 测量都需要延迟线缓慢的扫描获得完整波形，不适合较快现象探测，有一些生物 样本在此过程中可能会变性。因此发展快速采样技术越来越受到重视。目前一些 方法已经见诸报道【2 3 】【2 4 1 ，但是与此同时付出了信噪比或成像质量下降的代价。 ( 4 ) 从实用性角度，现在的t h z 波时域光谱系统和t h z 波成像系统价格过 于昂贵，信息处理过程慢，维护困难( 工作环境要求太高且易损坏) 。与其他成 熟的电磁波技术相比在这方面还有很长的路要走。 总之，虽然t h z 波技术仍有诸多不便之处，但是其优势也很明显，这一点 不仅对于t h z 波技术本身有重大意义，而且因为t h z 波技术很大程度上将作为 一种工具性技术，这就使得其发展也为其他学科的研究开拓了更加广泛的空间。 下面就介绍t h z 波的几种主要的应用方向，其中一些已经得到应用，另一些是 有依据的畅想。 1 5t h z 技术的应用 对t h z 波的兴趣最早来于大气对t h z 波的强烈吸收，后来天文科学和空间 科学的新发现极大地推动了t h z 波的发展，科学家发现宇宙中大量存在着t h z 波，这对于研究类星体等天文现象有重大意义。当t h z 波突破了源和探测器的 限制后，t h z 波的应用也更加丰富，从半导体探测到生物组织成像，从军事应用 可能性到新一代通讯技术的潜在选择等等，每一项都强烈吸引着科学界的视线。 而本节就将具体介绍t h z 波主要的应用方向。 8 第一章绪论 1 5 1t h z 波应用与天文科学和大气科学 天文学是t h z 波技术大显身手的领域，有许多研究方向都可以借助t h z 波 技术开展研究。例如有关宇宙大爆炸的理论中，就发现大爆炸所形成的背景辐射 的一半都在t h z 波段中，宇宙在爆炸时9 8 的光子辐射是t h z 波【2 5 】，另外t h z 波摄像机可以对银河在最初时刻是如何形成的和恒星是如何诞生的这类问题给 出答案。更重要的应用则是t h z 射电天线，其分辨率比现有的射电天线更高， 而且t h z 波频率介于微波和红外之间能穿过宇宙尘埃，加之t h z 波对于水分子， 氨分子这些对生命现象至为重要的分子具有极强的吸收色散特性，因此t h z 射 电天文学在探索宇宙中的生命现象的领域具有广阔的应用前景。 在大气科学方面，t h z 波段的遥感技术开辟了一个新的研究窗口。通过该技 术可以查明地球臭氧层遭到破坏的原理，研究对流层与同温层的相互作用，从而 全面理解全球气候变化的原因。相干公司与美国国家航空航天局喷气推进实验室 合作共同研制成第一台t h z 激光器，这台频率为2 5 t h z 的激光器已与2 0 0 4 年 送往太空【2 6 】。 1 5 2t h z 辐射成像 t h z 波在成像技术中一般被称为t 射线，t 射线成像相对与可见光和x 射 线成像显示了非常强大的互补特性，特别适合可见光不能透过，而x 射线成像 对比度不足的场合。1 9 9 5 年，h u 和n u s s 利用太赫兹波成像的第一篇文章发表 以后【2 7 】，t 射线成像技术受到普遍重视，最初利用振幅的变化研究了塑料封装的 集成电路的内部引线等结构和树叶中含水量的分布图像。现在己经有多种新的成 像技术出现和正在进行深入研究【2 8 】【2 9 1 。这些成像技术包括：使用光电导偶极子 的t 射线常规成像技术、使用c c d 摄像机的电光t 射线成像技术、使用单周期 脉冲t h z 波通过时间反演进行物体重构的成像技术【3 0 】、利用基尔霍夫( k i r c h h o f f ) t 射线反射成像技术【3 、动态孔径和暗场t 射线成像技术、t 射线计算机断层成 像技术，简称t 射线c t ，t 射线衍射断层成像技术，简称t 射线d t t 射线显 微镜成像技术、5 0 m - 2 0 0 m 的t 射线成像技术等等。各种成像技术在扫描方式、 信噪比、动态范围、分辨率、成像所用时间、制造成本、紧凑程度、应用范围和 领域各有千秋。其中，t 射线c t 成像技术与x 射线c t 相比，不仅可以获得被 测物吸收率的三维分布，而且可以获得折射率或介电常数的三维分布。有些物体 对x 射线完全透明，成像对比度很差，如对t 射线有一定的透过率，则t 射线 成像就可以作为一种有效的补充手段。由于t 射线光子能量较x 射线光子能量 低很多，不会引起光电离和破坏，对生物进行活体检查更安全。因此，t 射线 9 第一章绪论 c t 在医学检查、安全检查、环境监测、食品生产质量监控等许多方面存在巨大 的应用潜力。 1 5 3t h z 波的生物及医学应用 在生物学研究中，光谱分析是一个不可缺少的技术手段，如可见波段的吸 收光谱、荧光谱、傅立叶变换红外光谱、紫外吸收谱、园二色光谱、x 射线分析 和波谱学分析等，所涉及电磁波的频率除t h z 波段外几乎覆盖了整个电磁波谱。 准连续t h z 波电脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便的进行时间分辨的 研究，而且通过取样测量技术，能够有效的抑制远红外背景辐射噪声的干扰。t h z 的单个脉冲的频带可以覆盖从g h z 到几十t h z 。最重要的是：生物分子中大多 数生物大分子的构型和构象决定的集体振动模能够对t h z 辐射作出响应。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非常 敏感，所以集体振动模的分布和强度也包含了环境的影响。因此，t t - i z 光谱对研 究生物大分子的结构、分子间的反应、分子与环境的相互作用等具有独特的优势。 此外，利用泵浦一探测技术，可以通过时间分辨的t h z 光谱分析对蛋白质等易 于变形的大分子在特定的生理过程或其他相互作用过程中发生的构象变化等过 程进行动态分析。目前t i - i z 波段生物样品分析和成像技术是t h z 辐射领域最重 要的研究方向之一【3 2 】【3 3 】【3 4 1 。 1 5 4t h z 波通信 t h z 波频率位于红外线和高频无线电( 主要用在移动电话和其它无线通信系 统中) 之间，该频率是目前手机通信频率的1 0 0 0 倍左右，是很好的宽带信息载 体，t h z 电磁波与激光通讯和微波通讯相比，它具有较强的穿透宇宙尘埃的能力， 与微波相比它具有较小的散射角并具有慢衰减特性，特别适合用于卫星间、星地 间及局域网的宽带移动通讯，另外t h z 波光子能量约为可见光的光子能量的 1 4 0 0 ，因而利用太赫兹波做信息载体，比用可见光或近中红外波能量效率高得 多。因此利用t h z 电磁波进行无线电通信，则可以极大地增宽无线电通信网络 的频带，可望使无线移动高速信息网络成为现实。国际通讯联盟已指定0 2 t h z 的频段为下一步卫星间通讯之用，进一步的发展必定进入0 3 t h z 以上的范围， 这实际上就是t h z 通讯。工作在t h z 频段的f s o 设备可以将无线电波和可见光 的优点结合起来，在浓烟中也可以高速传输数据。目前，该频段的光通信设备还 在研制阶段。 1 0 第一章绪论 1 5 5t h z 波与微结构器件 近年来，微结构器件科学引起了科学界的极大兴趣。由于微结构器件的尺度 与工作频率相近，因此产生了许多新的现象，如s p p 效应等。由于麦克斯韦方 程组具有尺度无关性，因此t h z 波频段的规律可以适用于光波段，考虑到t h z 波的波长在微米量级，加工起来比光波段( 纳米量级) 器件方便，技术也更加成 熟。因此最近t h z 波微结构器件成为了研究热点。本实验室李术新、梁冬同学 在邢岐荣教授的指导下，制作了t h z 频段的深度金属光栅，并用t h z t d s 系统 分析了其特性，发现其中有透射增强效应，是由s p p 效应产生的。为了分析器 件对t h z 的响应，我们发展出t h z 小波时域变换技术，后来的工作表明，小波 变换不仅能用来分析微结构器件，也能揭示出更好地表示t h z 波的传输特性。 关于这部分内容，我们将在第三章中重点介绍。 1 5 6t h z 波雷达 从技术上看，因为t h z 波波长更短，分辨率更高，t h z 雷达相比起微波雷 达能探测到更小的目标和实现更精确的定位，具有更强的保密性，有望在军事装 备和国家安全等方面发挥巨大作用【”】。 以上的例子是现阶段t h z 波的应用的几个方面，其他方面限于篇幅不能尽 聚。t h z 波技术作为一种新兴技术，应用前景仍在开发中，相信随着人们对t i - l z 技术认识的不断深入，更多新的用途将被逐渐开发出来。 1 6 本论文的主要工作 本论文主要介绍本人在研究生阶段从事的两大方面工作：基于光电导天线的 t h z 时域光谱系统和用小波变换分析t h z 波的传输性质。 ( 1 ) 关于第一部分基于光电导天线的t h z 时域光谱系统。在第二章主 要给出光电导天线激发和探测t h z 波的理论基础。在第三章中给出t h z 时域光 谱系统的光路结构，搭建过程，关键器件，主要障碍等内容，并对阶段性成果数 据进行分析。 ( 2 ) 关于第二部分用小波变换分析t h z 波的传输性质。在第四章中先 对小波的历史和原理进行必要的补充介绍，而后用小波变换对通过金属波导和塑 料波导的t h z 波进行变换，并分析变换结果。给出小波变换能区分导波模式的 合理解释。 第二章光电导天线t h z 时域光谱系统 第二章光电导天线t h z 时域光谱系统 光电导天线是较早开发的t h z 波激发源和探测器。1 9 8 1 年，gm o u r o u 等人用亚 皮秒脉冲激发光电导开关得到了皮秒量级的微波脉冲【3 6 1 ，1 9 8 4 年，d h a u s t o n 提出光电导赫兹偶极子的概念，并指出该类光电导开关( 天线) 能够辐射出t h z 波【3 。而后对光电导天线的应用贡献较大的是d g r i s c h k o w s k y ，他改进了原有的 天线结构【l 引，使光电导天线得到了短达3 8 0 f s 的t h z 脉冲【3 8 1 ，并在天线后加上 硅透镜用于汇聚t h z 波，改善了t h z 信号过小的问题【3 9 1 。至今，光电导天线已 经是t h z 波研究中最成熟最常用的一类激发源和探测器，种类众多功能各异， 可谓各有千秋，其中应用较广的有赫兹偶极子天线，光电半导体与传输线结合的 天线，大孔径光电导天线，无偏置光电导体及金属覆膜半导体和偶极天线阵列等 等。本人工作中所使用的激发源和探测器是在光电半导体上沉积而成的微带天 线，本章先介绍t i - i z 时域光谱系统，并给出我的实验步骤；然后重点讲天线的 结构，激发、探测t h z 波的原理；第三步分是阶段性结果，证明激发天线已经 正常工作；最后是后续工作。 2 1t h z t d s 的结构及原理 本节将介绍t h z 时域光谱系统的结构，并紧接着给出系统的光学传输理论。 2 1 1t h z t d s 的结构 完整的t i - i z 波时域光谱系统的结构如图2 1 所示：光电导飞秒激光入射到分 束器上被分为两束，一束为泵浦光，一束为探测光。泵浦光经斩波器被调制为 1 0 5 0 h z ，然后经过衰减片将功率控制在5 1 0 m w 之间入射到聚焦透镜a 上，透 镜a 的焦距为1 l m m ，选择焦距小的透镜主要为了得到微米量级的焦斑，从而能 只照射振子中间断裂的部分而不牵扯天线上其他地方，该透镜安装在一个与入射 光平行放置的一维平移台上，通过该平移台可以方便的调整天线上的光斑大小。 泵浦光经汇聚后入射到发射天线上，天线与硅透镜分别固定在一个二维平移调整 架上，两个调整架经加工后又联动在一起，保证了天线和硅透镜紧密接触的同时 能各自在接触平面上二维平移，方便了调整天线对准焦斑和调整硅透镜对准天线 振子，关键部件具体结构将在下一节详述。天线上加载偏置电压，范围为1 0 1 2 v ， 1 2 第二章光电导天线t h z 时域光谱系统 待测：蛊 口 日口 f 1j f 、 i 电流放大器 - 一 ? 、 i 锁相放大器 占b古占a 隶减片术门。硐 卜 u ， _ r r 。i 、 。山 嘉浦睁 巳y 哆，i 卜一 1酮l 、 离轴用抛物面镜 v b 斩波器 图2 1 完整的t h z 时域光谱系统 如工作在正确情况下( 焦斑对准振子，与硅透镜耦合正确) ，天线将发射出t h z 波脉冲，运用几何光学观点可以近似认为波源在硅透镜的虚焦点上。实验中所用 硅透镜的半径为5 m m ，厚度为6 5 m m ，设计结构为超半球透镜，其虚焦点在透 镜底端后1 5 1 5 m m 的主轴上。为了与后面的抛物面镜耦合顺利，应将此虚焦点 与抛物面镜的焦点重合。 这样，从天线发出的t h z 波经第一面抛物面镜后将被汇聚成一束平行光( 几 何光学的观点) ，根据上一节关于t h z 波光学的讨论我们知道第二面抛物面镜与 第一面之间的距离应为两倍的焦距。t h z 波经第二面抛物面镜汇聚后入射到探测 天线上。 探测光从分束器出射后进入延迟线。组成延迟线的是由p i 公司生产的丝杠 式电动平移台( m 一4 0 5 d g ) ，其上加两面成直角放置的反射镜( 如图2 2 ) 。探测 光从延迟线中出来后入射到与发射方完全一样的聚焦透镜b 上，探测天线和硅 透镜的耦合的结构和位置与发射天线完全一样，不同的是探测天线上不加电压而 是引出探测电流输入电流放大器( d li n s t r u m e n t s ，m o d e l5 6 4c u r r e n t p r e a m p l i f i e r ) ，电流放大器直接输出电压信号供锁相放大器探测。 这里详细介绍一下数据采集系统：平移台的运动，处理锁相放大器的信号都 是由电脑控制的，程序由毛方林师兄用l a b v i e w6 i 编译完成，主程序控制界面如 图2 - 4 所示。l a b v i e w 应用程序包括三个部分：前面板、框图程序和图标连接器。 程序前面板用于设置输入量和观察输出量。数据采集程序前面板包括数据实时显 1 3 第= 章光电导无线t h z 时域光谱系统 。 o 。撵g l 瓜面而i 而丽丽i，| e 至匠爿”“4l 哟_| 芦馘 n o o 零灞舅舅哆磊丽 示图表、开始采集的命令按钮s t a r t 、关闭微位移平台马达的命令按钮m o t o r o f f 、 设定微位移平台速度的数值控件以及设定平台最大运动位移的数值控件。采集数 据时在图标中的当前数据点的数值也显示于右上角的数值指示框中。每一个程 序的前面板都有相应的框图程序与之对应。框图程序用图形编程语言编写，可以 理解为传统程序的源代码。框图中的部件可以理解为程序节点各部件之间的连 线定义框图内数据流动的方向。应用程序通过国标代码和连线完成算术和逻辑运 算，因此图标代码是对具体编程问题的图形化解决方案。虚拟仪器还具有层次结 构和模块化的特点。在主程序内部可以调用其它程序作为子程序。各子程序可以 圆- 糯 i 目2 4 t h z - t d s 系统数掘采集程序主异晰 墨己 单独执行，便于调试。 实验巾山；r 衡探测器接收到的连续模拟信号经锁丰h 放大器采样处理后，在计 算机中以时域信号的形式存储。对时域信号进行补零咀及傅立叶变换的| 十算处 理，垃终得到频域信号。 由数据采集知识可知，一f 台运动速度影响光潜分辨率，过快的速度会造成信 号的失真，而利用锁相放大器可以调节动态范围。实验中我们一般选用动态范围 为2 4 d b 。为了在计算机屏幕上实时显示探测器接收的信号强度，锁相放大器传 送数据方式选厂仃单次触发式，即虬捌定的问隔采集一个数据后，立即将该数据传 送至计算机内存。锁轩放大器采集、数据传送以及程序处理需要耗费一定时问， 实验r _ f 【| 邻数据点的叫问间隔最小为o 0 1 3 6s 。若平台移动速度为5 耐s ，则平 台步梃为0 0 6 8 m 在时域内光脉冲采样点问龋为04 5 3 3 b 。适当减小平台移动 速度会提高采 f 频率但是实验耗时咀将大大增加。实验发现，甲台速度选用3 l i 耐s ，对于我们测稽的水蒸汽谱信号足以满足分辨精度型求。 2 1 2 t h z 光学 上一小节完整的介绍了t h z 时域光谱系统，木小节主耍讨论他波在自由 空问- l 传播的光学问题。从上节的介纠可知，本节分析的主要部分是从激发源 上联动的硅透镜起，到探洲无线i l 一。硅透镜和天线耦合的分析将独立的先行探讨， 其后是抛物而镜到探测天线整段光蹄的分析。 第二章光电导天线t h z 时域光谱系统 从光电导天线激发出的t h z 波发散角很人，如果不汇聚则很难传播，也无 法用于光谱探测。解决的办法是在天线后直接加一个汇聚透镜，透镜材料选用高 阻硅，这种材料在t h z 波段折射率与天线衬底材料的折射率相差很小，t h z 波 从衬底到透镜的反射可以忽略，而且这种材料在t h z 波段没有强吸收和材料色 散【4 0 1 。透镜形状设计方案主要有两种，一种是消球差透镜，+ 一种是超半球透镜。 形状如图2 5 所示。两种透镜的形状要求如下： ( a ) ( b ) 图2 5 两种硅透镜：( a ) 为消球差透镜( b ) 为超半球透镜 = 者 k = r ( 竿) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中和如缈是透镜底平面到透镜球顶的距离，r 是透镜的半径，刀是t h z 波段的折