THZ介绍演示幻灯片

/1,专题介绍：太赫兹(Terahertz)技术,/2,1.IntroductionofTerahertz,THz波（0.1THz10THz）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线，其介于微波与红外之间。早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。,/3,1.IntroductionofTerahertz,特点：THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。THz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GHz直至几十THz的范围，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THz波段范围。因此THz时域光谱技术作为探测材料在THz波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。THz光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质，且许多的非金属非极性材料对THz射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能,/4,2.TechnologyofTerahertz,成像技术利用已知波形的太赫兹电磁波作为成像射线,透过成像样品或从样品反射的太赫兹电磁波的强度和相位包含了样品复介电常数的空间分布。将透射的太赫兹电磁波的强度和相位的二维信息记录下来,并经过适当的数字处理和频谱分析,就能得到样品的太赫兹电磁波的三维图像。,/5,2.TechnologyofTerahertz,太赫兹扫描成像第一个太赫兹成像,是1995年由HuBinbin得得到。该成像系统是基于电光太赫兹时域光谱技术。太赫兹时域波形通过800nm的脉冲激光激发光导体转换到太赫兹的范围内得到,他们利用数字电路进行实时的数字信号处理。,太赫兹实时成像利用电光晶体和CCD实现实时成像,与扫描成像相比,可以很快地提高信息的提取速度。由于CCD不能捕捉到太赫兹信号,为此必须利用电光晶体进行频率下转换。每个象素点所对应的电光晶体的折射率的变化是由太赫兹电场的强度所决定的。当另一束激光穿过电光晶体时,由于太赫兹场所引起的晶体的折射率的变化将会调制通过晶体的激光因而太赫兹信息被转化为光频。1996年,张希成等实现了实时成像具体的光路图。,/6,2.TechnologyofTerahertz,太赫兹近场成像为了进一步提高分辨率，Hunsche等于1998年第一次提出赫兹近场成像。我们知道在近场情况下,分辨率不再由波长决定而是决定于孔径的大小。他们利用Al掺cr/Ni合金做成尖锥形结构,将分辨率提高到四分之波长。太赫兹射线计算机辅助成像(T-raycomputedtomography),/7,2.TechnologyofTerahertz,最新进展：为了获得物体和材料的太赫兹图像，太赫兹技术很难人为的控制太赫兹波。波士顿大学的物理教授WillieJ.Padilla和他实验室的研究员们，最近发表了一项简单有效的实现太赫兹成像的突破性成果。Padilla团队同时使用光学和电子学的控制方法，利用编码孔径来快速有效的操纵难以处理的太赫兹波，发展出了一种单像素点成像技术。,/schools/cas/physics/people/willie_padilla.html,/8,2.TechnologyofTerahertz,Conclusion难点/研究：高强度稳定的太赫兹源传播反射折射的半导体等材料研究成像的清晰度提高，成像速度提升机械结构简单化，成本降低,/9,2.TechnologyofTerahertz,太赫兹通信技术THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。,/10,2.TechnologyofTerahertz,太赫兹辐射源利用激光产生太赫兹波一类是在光导开关或半导体中产生超快光电流,其原理是基于电场载流子的加速度或者光丹倍效应;第二类是由非线性器件产生太赫兹波,例如利用光整流、差频光参量振荡等技术产生太赫兹信号,/11,2.TechnologyofTerahertz,太赫兹辐射源2.量子级联激光器(QCL)QCL属于单极性器件,它是由同一种载流子(电子或者空穴)在同一种能带中的不同子带之间的跃迁来实现光辐射。通过调整势垒材料、厚度等来调节载流子不同子带间的能量间隔,进而调节载流子受激辐射的电磁波频率。另一方面，QCL通过周期结构的级联可以有效提高辐射功率。Bell实验室于1994年研制出世界上第一个量子级联激光器,其频率约为70THZ。2002年,R.Kohler等利用半导体材料GaAs/AIGaAs异质结构制备出辐射频率低至4.4THZ的器件。2005年,Q.Hu等制备的谐振声子QCL的辐射频率为1.59THz3.基于电子学和固态电子器件的太赫兹源,/12,2.TechnologyofTerahertz,最新进展高温超导太赫兹辐射源德国达姆施塔特工业大学的科学家成功研发出可在常温下使用的微型太赫兹发射器，并创造了1.111太赫兹的电子发射器频率纪录Conclusion难点/研究：提高辐射源的辐射功率和辐射频率，现辐射功率还未突破mW级较低频段性价比较高的可调连续波固态源,/13,2.TechnologyofTerahertz,太赫兹探测器太赫兹检测器和光检测器的最大不同是太赫兹波段的电磁波所对应的光子能量较低(1-10mV），所以对于太赫兹波段的窄带信号,环境热噪声的干扰很大。为了降低环境热噪声的影响,太赫兹检测器件需要在低温环境下工作。与光检测器不同,太赫兹检测器中通常需要集成天线以进行模式转。,二十世纪中期,太赫兹探测器就已经出现。对于宽带检测,最常使用的是基于热吸收的直接检测器。大多数直接检测器都需要工作在低温环境中,以减小背景热噪声的影响。其中,工作在液氦温区的硅、锗的测热辐射计最为常见。测热福射计是利用器件在热福射后的电阻的变化来探测太赫兹福射的强度。,/14,2.TechnologyofTerahertz,进展/现状太赫兹检测器中最常见的是外差检波器,即检测太赫兹波和本振信号的频率之差的中频信号。因为这种检测手段对本振信号的稳定性要求较高,近年来,人们将研究重点放在与直接检测相关的技术和器件上。2.基于低温超导器件的探测技术最为灵敏。优点:1)一般,人们利用平面工艺技术制备低温超导器件,容易发展多像元阵;2)低温超导器件动态范围广,响应时间短。超导SIS(superconductor-insulator-superconductor)太赫兹探测器和热电子测热福射计是典型的超导太赫兹探测器。SIS探测器可以探测0.1THZ-1.2THZ范围的信号，HEB可探测的频率范围更宽,目前,可探测的最高频率约为5THz。,/15,2.TechnologyofTerahertz,太赫兹天线工作频率处于亚太赫兹波段的天线主要有角锥波纹喇叭天线、对角喇叭天线、矩形微带贴片天线以及对数周期天线等。喇叭天线、抛物面天线等末端开口波导天线是目前研究的重点。为了克服单一设备的功率受限问题,基于单向传输载流子的阵列天线集成技术已被广泛研究。目前,频率为300GHz的3x3阵列天线输出总功率有望达到1mw。进展/现状BrendelC等人在1mm厚的晶体上设计工作频率762GHz对数周期偶极子天线。LiuY等人研究设计工作在0.5THz具有良好天线模式的集成太赫兹H面天线。王玥等人基于纳观域碳纳米管进行了太赫兹波天线研究，设计了全新的碳纳米管太赫兹天线。,/16,2.TechnologyofTerahertz,最新进展苏州纳米所研制成室温高灵敏度高速太赫兹探测器，探测频率达到800-1100GHz，电流响应度大于70mA/W，电压响应度大于3.6kV/W。半导体所低温LT-GaAs材料成功应用于制备太赫兹天线。德国布伦瑞克工业大学THz通信正在实现将平面天线集成使用到薄膜的感光底层上。中科院上海微系统所实现太赫兹实时视频通信演示,/17,2.TechnologyofTerahertz,Conclusion难点/研究：1.探测器超导材料、新型人工材料研究2.大部分研究为设计仿真得到，离现实化仍有距离3.实现天线在高频率下的高增益，满足现实通信系统要求。德国PiesiewiczR.采用射线跟踪技术对集成介质透镜的44微带贴片天线进行研究证明在0.3THz的室内通信天线增益仅需达到30dB就可以满足系统要求。PiesiewiczR,JacobM,KochM,etal.PerformanceanalysisoffuturemultigigabitwirelesscommunicationsystemsatTHzfrequencieswithhighlydirectiveantennasinrealisticindoorenvironmentsJ.SelectedTopicsinQuantumElectronics,IEEEJournalof,2008,14(2):421-430.,/18,2.TechnologyofTerahertz,其他太赫兹通信最新进展美国麻省理工学院(MIT)的研究人员们透过在两层铁电材料间夹进高迁移率的石墨烯薄膜，从而实现可直接在光讯号上操作的太赫兹级频率晶片。加拿大的INRSnergieMatriauxTlcommunications研究中心的团队已经开发出第一个宽带太赫兹隔离器日大学利用小型半导体元件在室温下实现太赫兹波无线数据传输的技术,/19,3.end,展望太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。目前，笼统的说THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开，THz产生源、THz探测和应用研究。随着全世界对太赫兹技术的不断研究和实验，相信不久太赫兹技术将真正实现现实应用，改变人类生活。,/20,3.end,太赫兹天线相关文章BrendelC,ScholtyssekJM,LudwigF,etal.HTSJosephsonJunctionCantileverWithIntegratedNearFieldTHzAntennaJ.AppliedSuperconductivity,IEEETransactionson,2