THz科学与技术基础(文科)2015-3-16.ppt

太赫兹波科学与技术基础,首都师范大学物理系沈京玲,(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,(一)太赫兹波及其研究意义,THz在电磁波谱中的位置,103,106,109,1012,1015,1018,1024,100,Hz,1021,THz,可见光,X射线,g射线,微波,kilo,mega,giga,tera,peta,exa,zetta,yotta,1THz1ps300m33cm-14.1meV47.6oK,THz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0.1THz10THz之间的电磁辐射.,THz光子能量的计算,一个频率为f的光子能量：,THz波长与波数的计算,根据公式可得：,1THz对应的热力学温度的计算,由热力学公式,可得：,及能量公式,THz在电磁波谱中的位置,103,106,109,1012,1015,1018,1024,100,Hz,1021,THz,可见光,X射线,g射线,微波,kilo,mega,giga,tera,peta,exa,zetta,yotta,1THz1ps300m33cm-14.1meV47.6oK,THz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0.1THz10THz之间的电磁辐射.,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,THz波具有波的特性:衍射和干涉,塑料板上的单孔,单孔衍射(f=1.8mm),杨式干涉实验,双缝干涉,空间相干,T-射线的干涉图样,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。,(4.1meV1THz),X-射线30keV相差7个数量级!,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：,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,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,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,(三)THz波的产生与探测,1.THz光源和探测器介绍,太赫兹光源:自由电子激光器，气体激光器Gunn振荡器，Bloch振荡器，BWO等等。光电导天线(更高功率)空气等离子体电光晶体(光整流)太赫兹探测器:热辐射探测器(bolometer)热释电探测器(Pyroelectricdetector)光电导偶极天线(高灵敏度)电光晶体(电光效应),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,J(t)=n(t)emEb,(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).,2.1光导天线的方法产生THz辐射,电光晶体,2.2光整流的方法,入射激光脉冲I(t，w，Dw),THz脉冲ETHz(t，W),差频W1400),T-Ray在各个领域的论文比例,Paperscollectedfromleadingjournalsduringpast6years,来自新华网的新闻报道：,我国在20世纪90年代中期就开展了有关THz产生机理的研究,近几年加大了在THz辐射领域的研究力量,并且“THz电磁波段的物理、器件和应用研究”已经列入了国家自然科学基金委员会在“十五”期间的重大项目。首都师范大学物理系负责承担此项目的部分子项目的研究。我们实验室是目前国内开展THz研究较早的实验室，已经取得了一批研究成果。2012年，“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪”获批科技部科学仪器研究重大项目，首都师大是牵头单位。,目前国内发展情况,83,Establishedin2002,BeijingKeyLabforTerahertzSpectroscopyandImaging,2006,KeyLabofTerahertzOptoelectronics,MinistryofEducation,2011,目前国内发展情况,Fundingscertainfundingand211projectfromBeijinggovernmentKeyprojectandgeneralprojectfromNSFCKeyprojectfromBeijingEducationalCommitteeandNSFBMilitarysource,Spectroscopymeasurementandcalculationofdrugs,explosives,bio-moleculars,medicineetcTHzimaging：pulsedTHzimagingforidentifacation,cwTHzimagingforNDTTHzsourceandpropagationcharacteristics,本讲思考题：1