太赫兹波的发射与探测

1、论文题目：太赫兹波的发射与探测毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果，如违反有关规定或上述声明，愿意承担由此产生 的一切后果。作者签字:摘要本文主要概述介绍了太赫兹波的在电磁波中位置，概述利用光整流、光电导 天线、参量振荡、空气等离子体等方式产生太赫兹波， 以及利用电光取样、光电 导天线等探测THz波的方法。简单的论述了 THz时域光谱技术在某些

2、各领域的应 用。关键词：太赫兹波产生 探测时域光谱应用一绪 论1（一）太赫兹波在电磁波中的位置 1（二）太赫兹波的性质 2二太赫兹波的发射4（一）光导天线 4（二）光整流方法 5（三）空气产生太赫兹波 7（四）太赫兹参量源 7（五）光泵浦太赫兹激光器 8三太赫兹波的探测10（一）光电导取样 10（二）电光取样 11四太赫兹波的应用 13（一）THz波与物质相互作用 13（二）太赫兹波重要方面的应用 13参考文献17致谢19一绪 论太赫兹波技术的兴起，带来新兴技术的革新。太赫兹波作为电磁波谱的新开 发的一个频率窗口，由丁在物理，化学，生物医学，通信，安全检查等各方面都 有广阔的应用前景，自发现以

3、来太赫兹辐射源和探测器的研究在不断的取得新的 进展，极大的促进了太赫兹技术的研究和发展。（一）太赫兹波在电磁波中的位置太赫兹波通常指的是频率在0.1THz-10THz范围内的电磁辐射.从频率看， 该波段位丁毫米波和红外线之间.届丁远红外波段；从能量上看，在电子和光子 之间，在电磁波频谱上，如图1-1所示，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经 非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个“空白”。究其缘由是因为在此频段 上，即不完全适合用光学理论来处理， 也不完全适合微波的理论来研究， 从而也 就形成了科学家们通常所说的“太赫兹空隙”。这一波段也成为电磁波谱中有待 进行全面研究的最后一个频率窗口。 近十

4、几年来，伴随着一系歹0的新技术、新材 料的发展和应用，尤其是超快激光技术的发展，如掺钛蓝宝石激光器的问世和迅 速的商业化，为宽带相干脉冲THZ®射的产生提供了稳定、可靠的激发光源，并 使之成为一种容易实现的准常规技术。这种基丁超快激光技术的相干脉冲THZ®的问世和广泛使用，极大地推动了 THZ鬲射产生机理、检测技术和应用技术的蓬 勃发展，使这一研究成为光物理等学科的重要前沿领域。electronics THz photonics10Dmicro wavesHFMF.UHF, SHF, &IF10310s103visiblex-ray10iemega giga ter

5、a peta exay-nay10211024zetta yotta18图11电磁波频谱（二）太赫兹波的性质目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识， 即太赫兹是一种新的，有很多 独特优点的辐射源：太赫兹技术是一个非常重要的交义前沿领域，给技术创新， 国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广 泛的关注，有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹光谱（包括透射谱和反 射谱）包含丰富的物理信息和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质 结构的探测有重要的意义；其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比较具有很 多独特的性质。1. TH毅的波长处于微波及红外光之间。因此，它

6、和物质的相互作用具有独特的 物理机制，并呈现出很多新的特点。以光谱探测和成像技术为例，和其它波段的 电磁波相比，如可见光和河寸线等，在很多实际应用中，具有非常强的互补特征。2 .利用飞秒激光产生的TH毅的典型脉宽在业皮秒量级， 可以对很多超快的动态过程进行业皮秒、甚至飞秒时间分辨的瞬态光谱研究。 利用这种辐射源的高度相 十性和合适的取样测量技术，可以有效地防止背景热辐射噪音的十扰。目前，对TH都射强度测量的信噪比可大于1010,因此可以实现高灵敏度的测量。3 .基于飞秒激光技术的脉冲TH都射是由相十电流驱动的偶极子振荡产生、或是由相十的激光脉冲通过非线性光学差频产生的， 因此具有很高的时间和空

7、间相十 性。现有的THZ佥测技术可以同时直接测量振荡电磁场的振幅和位相。这一特点 在研究材料的瞬态相十动力学问题时具有极大的优势。4 .THz波的光子能量低。频率为1 TH力勺电磁波的光子能量只有大约4 meV约为 XM线光子能量的白万分之一，因此一般不会对生物组织产生有害的电离，特别 适合于对生物组织进行无损的活体检查。如利用 THZ寸域谱技术研究各种生物样 品的特性，进行DN府蛋白质的鉴别和结构分析等。从各种物质和材料在TH毅段的响应来看，物质的TH机谱（包括发射、反射和透 射）包含有丰富的物理和化学信息，如凝聚态物质的声子和其它元激发的频率很 多就落在这个频率区，大分子（包括蛋白质等生物

8、分子）的振动光谱均在THzK段 有很多特征峰，凝聚态物质和液体中的载流子对 THZ鬲射也有非常灵敏的响应。 研究有关物质在这一波段的光谱响应，探索其结构性质及其所揭示的新的物理内 容已成为一个新的研究方向。此外，作为一种新型相十光源，THZ鬲射的独特性质在物理、信息、材料和生物等领域具有广阔的应用前景，如凝聚态体系中的各种超快过程探测、宽带通讯、高速光电子器件、材料表征等，通过物质的太赫兹特征谱分析提供关于物质的化学及生物成分在无标记生物芯片、医学诊断等领域也有非常重要的潜在应用前景。由此带动的交义研究将会有力地推动和促进这些 相关学科的进一步发展。特别地，在凝聚态物理的研究中，太赫兹波段是一

9、个非常重要的频谱。因 为在TH毅段中，包含了许多决定材料性质的重要特征能量，如半导体中激子(exciton )的束缚能，光学声子(optical phonon )的频率、超导能隙，磁场作用下Landau能级间隔等，都落在这一波段中。在科学发展史上，Tinkham等人使用FTIR技术分析超导体在远红外波段的电导率，是直接证实BCS!论的最重要的证据之一【1-4】，由此可见此波段在科学上的重要性。其他如电子-声子散射，各种隧穿机制，在能量或时间尺度上，许多都与 THzK域重叠。随着高速信 息时代的来临，半导体元器件的工作频率正在从 GH切TH毅段发展，这也使得研 究半导体和其它材料在TH毅段的响应

10、更加具有实用价值。二太赫兹波的发射太赫兹辐射是太赫兹技术能否转化为现实生产力的关键环节，八十年代初， Mourou及Auston等研究小组首先尝试将光电导开关所产生的电脉冲辐射耦合到 自由空间，并使用另一偶极天线来接收【5-8】，从而开启了基丁超短脉冲激光 技术的THz辐射的研究。随后，他们乂研究了各种天线的发射机制【515】，其 中尤其以Grischkowsky所发明的偶极天线最为重要【12】。其后，Auston等研 究小组乂发现，将超短激光脉冲照射丁不同的元件结构，发现在p-i -n二极管结构【16】，delta掺杂不申化镣【17】，非对称耦合量子阱【18】，甚至未加偏压 的半导体表面【1

11、9】均可产生频率在THz波段的电磁辐射，也就是THz脉冲辐射 现象。而大功率，高效率的THz发射源则是THz时域光谱技术，THz诊断和成像 技术以及THz雷达和通信能否成为投入实际应用的决定性因素。如何才能有效的 生产出大功率，高能量，高能效且能在室温下稳定运行的， 宽带可调的太赫兹辐 射源，以及如何将其方便，灵活的应用丁日常的科研工作和实际生活中，已经成为21世纪太赫兹领域的科技工作者追求的目标，以及他们迫切所要解决的实际 |可题。虽然说现在依然缺少高功率，低造价和便携式的低温太赫兹光源， 从而也就 限制了太赫兹在实际中的应用，但是，仍有许多中光源可能成为其潜在的候选者。本章主要讨论产生太赫

12、兹脉冲的几种常用的光学方法： 与超短激光脉冲有关 的产生宽带业皮秒太赫兹辐射的光电导， 光整流，等离子体四波混频（即空气产 生太赫兹），以及与晶格震动有关的太赫兹波参量源，太赫兹气体激光器等。（一）光导天线光电导方法就是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐射太赫兹，如图（a）所示。常用的光电导材料有：高电阻率的石申化镣（GaA§ ,磷化锢 （InP）,以及用放射法制作的有缺陷的硅（Si）晶片。光电导天线的基本原理是： 在这些光电导半导体材料表面淀积上金届电极制成偶极天线结构，如图（b）所示。金届电极在这里的作用是对这些光电导半导体施加偏压。当超快激光（光子的能量要大丁或等丁

13、该种材料的能隙， 即hv芝Eg）打在两电极之间的光电导材料 上时，会在其表面瞬间（10-14s量级）产生大量的电子一空穴对。这些光生自 由载流子会在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流。 最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐 射出太赫兹脉冲。THw咏冲图2-1 （a）光导天线受激辐射示意图，（b）光电导天线，也称偶极天线、Grischkowsky天线此种太赫兹辐射系统的性能取决丁三个因素：光导体、天线的几何结构和泵 浦激光的脉冲宽度。目前应用丁太赫兹技术中最多的光导体材料是Si和低温生长的GaAs（ LT-GaAs）材料。而天线结构通常有赫

14、兹偶极子天线、共振偶极子天 线、锥形天线、传输线以及大孔径光导天线等。由丁偶极子天线的结构相对简单， 所以在大多数实验当中都是采用这种结构的天线，示意图如图（b）所示。另外，材料的一些参数特性也会影响到最终所产生的太赫兹辐射的能量和频谱宽度。如若要有效的辐射出太赫兹，光电流的快速增大和衰减是必需的。 所以，电子有效 质量较小的半导体材料，如砰化锢（InAs）和InP是用来产生太赫兹很好的材料。 材料的最大迁移率也是一个重要的参数，但带内散射率或直接带隙半导体（如 GaAs的谷间散射对它限制很大。此外，由丁辐射能量主要是来源丁以偏置静电 场形式储存的表面能，所以偏置电场、激发光强的大小也能影响到

15、太赫兹辐射的 能量。此外，如果要增大太赫兹信号功率，也可采用天线阵列来实现。另一个重 要的参数就是材料的击穿电场，这是因为击穿电场决定了可施加的最大电场。利用光电导发射装置可以产生相对较大的（大约40卜W太赫兹辐射功率和相当宽的辐射带宽（4 THz）。（二）光整流方法光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制， 它是一种非线性效应，是电光效应 的逆过程。如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则根据傅立叶变换理论可知，一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，这些单色光将会在非线性介质中发生混合。其中，由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。 这个电极化场就可以辐射出太赫兹波来。 这是因为所

16、辐射出的电磁波的频率上限 与入射激光的脉宽有关，如果入射激光的脉宽在业皮秒量级，则辐射出的电磁波 的频率上限就会在太赫兹量级，由此这种光整流效应被称作为业皮秒光整流效 应，或太赫兹光整流效应，如图 2-2所示。图2-2 (a)利用光整流产生太赫兹，(b)太赫兹光整流效应的原理光整流的物理过程是一个瞬间完成的过程， 而产生的太赫兹辐射强度与非线 性介质的极化电场强度 P(t)的低频部分对时间的二阶偏导数成正比。光整流的 关键问题是位相匹配，它可以放大激光和太赫兹脉冲在非线性介质中的相互作 用，并且能增强光整流的产生效果。另外，非线性介质的非线性系数对所产生的 太赫兹脉冲的振幅强度、频率分布以及光

17、整流的转换效率，如GaAs材料，或经由四阶极化系数张量，通过表面电场来耦合。这一模型不但可以解释前面的晶体 方向性的效应，也可以推广到低维结构如耦合量子阱等【20】。所以，THz信号的振幅强度和频率分别决定与激光脉冲的特征和非线性介质的性质，如激光脉冲的强度和脉宽、介质的二阶非线性系数、损伤阈值、相位匹配和输出的耦合效率 等【21】。其中，介质的二阶非线性系数和晶体的切向和方位有关【22】。如图(a)所示。常用的非线性介质由 LiNb。、LiTaO3、有机晶体DAST半 导体GaAs ZnTes InP、InTe等。用得最多的是 ZnTe和GaAs而DASTW是很有潜力得有机介质，它是目前非线

18、性效应最强的物质之一。（三）空气产生太赫兹波将超短强激光脉冲聚焦在周围空气中直接产生太赫兹的技术，近年来引起了人们的广泛关注。当高能量的超短激光脉冲聚焦在空气中时，焦点处的空气会发生电离现象形成等离子体。由此所形成的有质动力（Ponderomotive Forces ）会 使离子电荷和电子电荷之间形成大的密度差， 而且这种电荷分离过程会导致强有 力的电磁瞬变现象的发生，从而辐射出太赫兹波来。产生太赫兹波的主要机制是 在空气等离子体中混合的 3与2 3光束发生的三阶非线性光学效应，即四波混 频过程。在空气中产生太赫兹波有三种结构，如图2-3所示。B90DM(a)<b)(c>图2-3空

19、气产生太赫兹的三种实验装置的示意图如图所示（a）光脉冲（3或2必）在焦点位置产生空气等离子体；这个光 电离的等离子体会辐射出太赫兹波，即有质动力驱动电子和离子产生太赫兹波。 b.采用非线性光学晶体（透镜后放置BBC®体）产生二次谐波，再与基频波混合， 通过三阶非线性光学效应产生强太赫兹波。c.利用分色镜混合二次谐波与基频波。两束光的位相、振幅和偏振均可分别控制。混合后，空气等离子体中的共振 三阶非线性效应会产生强太赫兹波辐射。太赫兹波的极性可以通过改变两束光波 之间的位相（通过时间延迟）进行相干控制。当光学脉冲总能量超过空气等离子 体形成的阈值时，太赫兹场的振幅与基频波的脉冲能量成正

20、比（线性关系），与二次谐波的脉冲能量的平方根成正比关系。在四波混频过程中，当所有光波（3、 2必及THZ）的偏振态均相同时产生的太赫兹效果最佳。（四）太赫兹参量源光学参量振荡是产生太赫兹辐射的另一机制，是基丁光学参量效应的一种技 术。太赫兹参量源通常有太赫兹参量发生器（ TPG Terahertz-Wave Parametric Generator）和太赫兹参量振荡器（TPQTerahertz-Wave Parametric Oscillator ） 两种，二者之间的区别在丁 TPCW谐振腔，而TP般有这样的选频结构。结构分别 如下图所示。太赫兹参量源是具有很高的非线性转换效率、 结构简单、易

21、小型化、 工作可靠、易丁操作、相干性好，并且能够实现单频、宽带、可调谐、可在室温 下稳定运转的全固态太赫兹辐射源。图2-4 a）太赫兹参量振荡器的结构原理图b）使用硅棱镜阵列的太赫兹参量发生器太赫兹参量源是利用晶格或分子本身的共振频率来实现太赫兹波的参量振荡 和放大的，是一种与极化声子（polariton ）相关的光学参量技术。当一束强激 光束通过非线性晶体时，光子和声子的横波场会发生耦合，产生出光-声混态，我们称之为极化声子。由极化声子的有效参量散射，即受激极化声子散射，可辐 射出太赫兹。在这个散射过程中同时包括二阶和三阶非线性过程，因此泵浦光、 闲频光和极化波，即太赫兹波它们三者之间会发生

22、很强的相互作用。目前，最适合用丁产生太赫兹波的非线性晶体之一就是LiNbO3o（五）光泵浦太赫兹激光器像水分子这样的简单分子的振动和转动的共振能级有很多都在太赫兹频段 内。如果能有效地将这些分子泵浦到适当的激发态，那么在激光器中就可以直接辐射出太赫兹波了。而光泵浦太赫兹激光器（Optically-Pumped THz Laser ,OPTL就是基丁此种原理做出来的。利用一台 CO激光器的远红外输出光来泵浦 一个充有甲烷（CH）、氨气（NH）、氢化袱（HCN或是甲醇（CHOH等物质的 低压真空腔，由丁这些气体分子的转动和振动能级间的跃迁频率正好处丁太赫兹 频段，所以可以形成太赫兹受激辐射，从而在

23、OPTL中直接辐射出太赫兹来。其中，甲醇分子气体激光器是最常见的 OPTL±一，如图2-5,并且它已经在美国 国家航空航天管理局（NASA所命名的“先兆” （AURA卫星上投入了实用。它 能够向太空中持续发出太赫兹辐射以此来观测大气。辐射出FIR后,分孑驿放一个00,的键能（这主要是由于与波导里的碰撞而引恩的国）图2-5 OPTL系统结构及其原理图三太赫兹波的探测和太赫兹辐射源一样，太赫兹探测也是太赫兹科技中的另一项关键技术，是太赫兹技术投入到实际应用的另一关键环节。由丁目前太赫兹辐射源的功率普遍都较低，因此发展高灵敏度，高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。太赫兹的探 测方法比较多，不

24、过依据太赫兹辐射形式不同，可以将它们大致分为太赫兹脉冲 辐射的探测和太赫兹连续波信号的探测两类。对丁宽频的THz脉冲的探测，通常 需要采用相干探测技术，最常用的两种方法是光电导取样和自由空间的电光取 样，他们常用丁 THz时域光谱技术中。另外，本章对太赫兹单光子的探测技术也 做简要的介绍。光电导取样和电光取样时两种应用最广的相干探测Thz脉冲的方法。其中，电光取样乂可分为时分电光取样和波分电光取样两种。以及空气探测太赫兹脉 冲。（一）光电导取样光电导取样是基丁光导天线（photoconductive antenna, PCA ）发射机理 的逆过程发展起来的一种探测THz®冲信号的探测

25、技术。如要对THZt冲信号进行 探测，通常是在半导体硅或砰化镣的表面相隔 100散米镀两个金届条，两个金届 条之间有相对突出的电极，相距仅10微米。一个与THzB冲有确定时间关系的取 样脉冲在光电导层中产生自由载流子，当自由空间中传播的THZ®射场同时到达时，即可驱动这些载流子产生正比与THZ舜问电场的光电流。记录取样脉冲和THz 脉冲在不同时间延迟下产生的光电流，即可获得 thzB冲电场的时间波形。由丁 受载流子相应时间的限制，光电导天线的探测带宽较窄，一般在2TH我下【24】。 同时光路的调节也比较麻烦【23】。如图3-1所示太袖兹光束图3-1光电导偶极天线当THz辐射入射到光导

26、隙，在两电极之间施加瞬态电场，使得硅（不申化镣）、金届条及探测器形成的回路中产生脉冲电流I .二 dt E t n t -.oO由此，产生的电流强度正比丁该时刻 THz辐射的电场强度；改变激发脉冲与探测 脉冲之间的时间延迟，即可得到 THz脉冲的时域波形了。（二）电光取样电光取样技术具有极宽的频谱响应和很高的信噪比。此外由丁其测量孔径 大，因而也可以用此项技术进行直接二维成像测量【25】。这在THz成像系统中 尤为重要。Cai【26】和Park【27】等人分别对这两种探测方法进行了系统的比 较。Winnewisser等人对不同电光晶体进行了研究，表明ZnTe晶体表现最为优越【28】。其中，时分

27、电光取样，即自由空间电光取样是对太赫兹脉冲的时间波 形进行取样测量的。而波分电光取样则是将太赫兹脉冲的时域波形一次复制到被 调啾展宽的脉冲的各率分量上，通过对调啾脉冲的光谱测量得到太赫兹波形。1. 时分电光取样我们建立的利用行波电光取样进行 THz脉冲探测的装置示意图（b）。我们采 用110职向的ZnTe晶体进行电光检测。为了避免探测光光斑内晶体的不均匀 性，我们将探测光聚焦在晶体上。首先在没有砰化镣样品（用丁产生THz信号）时使激发光和探测光在ZnTe晶体上重合，利用1/4波片（我们在实验中利用可 调的相位补偿器充当1/4波片）将线偏振的探测光转换为圆偏振光，然后再将圆 偏振光利用渥拉斯顿棱

28、镜分成s光和p光两个线偏振光，分别由背向连接的光电 二极管探测。这时，没有THz脉冲的调制时，两个二极管的总输出为它们分别测 量到的数值之差，因而为零。当探测光与THz辐射同时通过晶体时，若晶体取向 合适，则探测光的偏振受到THz辐射的调制，s波与p波两个偏振分量不能抵消， 其差值正比丁 THz辐射的电场强度。=.：. =I3% L Ethz .I由此，产生的电流强度正比丁该时刻 THz辐射的电场强度；改变激发脉冲与 探测脉冲之间的时间延迟,即可得到 THz脉冲的时域波形了。图3-2电光采样原理2. 波分电光取样传统的时域光谱测量如泵浦-探测法太赫兹时域光谱，利用机械电动平移台 来改变泵浦脉冲

29、和探测脉冲之间的光程差，以此实现对样品的逐点扫描。而载有 泵浦脉冲的探测脉冲的强度和偏振态会在每一个瞬间的时间延迟被记录下来。通常情况下，时域扫描测量中的数据获取是一连续的过程， 而探测脉冲取样期间所 记录的信号只是太赫兹波形的很小一部分（探测脉冲的脉冲持续时间）。由丁对一个太赫兹脉冲的时域扫描仅为几十皮秒， 所以这种探测法的数据采集速率很慢 （100Hz以内）。很显然，这种数据采集速率不能满足对快速运动物体的时域太 赫兹光谱，如火焰分析等实时测量的需要。为了提高采集速率，可采用并行数据 采集，即波分电光取样，也可称其为喟啾脉冲光谱探测。四太赫兹波的应用（一）THz波与物质相互作用THz波与半

30、导体的相互作用。当太赫兹频率超过系统中各种各样的驰豫速率 和展宽时，就会出现集体模式激发或单粒子激发。 这其中包括若干基础问题：通 过掺杂方法可靠地控制载流子注入、电场或者光场泵浦、体系结构和能级结构的 关系、不同能态问跃迁的线宽、激发态相干和能级寿命、载流子的叠加态以及自 旋激发等。目前世界上有许多研究小组在研究单量子点在近红外和可见光频段的 带问响应，这些研究在量子光学和凝聚态物理领域产生了一系列突破。现在，研究人员面临在太赫兹频段研究单量子点的挑战，机遇同样是十分巨大的，但到目前还没有任何实验报道。研究这些问题不但对丁基础科学具有重大意义，对丁许多应用研究也十分关键，这些应用包括辐射源、

31、探测器、超快电光器件、半导体 中的量子信息处理等。（二）太赫兹波重要方面的应用在THz辐射的应用方面，THz辐射波光谱技术已被广泛的应用丁半导体等材 料在远红外频谱性质的分析。其他的，比如瞬时Hall效应、回旋共振、超晶格中Bloch振荡、超导体在业毫米波（远红外）波段电导率、量子阱中exciton及重空穴与轻空穴相关能级产生的量子拍频（beating ）的相关现象、THz波段光子晶体等的测量，都已被深入的探索。THz波的特点决定了发展THz技术在如下几个方面有着非常重要的应用：1. 物体成像THz电磁波成像，相对丁可见光和 X射线具有非常强的互补特征，特别适合 丁可见光不能透过、而X射线成像

32、的对比度乂不够的场合。THz电磁波可以穿过 衣服和皮肤（见图4-1 ），透视整个人体，但是它不会像 X射线一样对人体构成 伤害。图4-1左：人类牙齿；右：THz辐射吸收的透射成象，红色为内部的空洞位置。利用THz电磁波可以检查机场通关的旅客与行李，检查邮件中是否藏有蠹 品、炭疳热粉或炸弹等违禁物品。THz脉冲成像的非破坏性和非接触性对研究珍 贵艺术作品和研究古生物化石等样品很有价值。 例如透过艺术品的表面对内部可 视化，无需接触或破坏易损的纸张而确定书籍的内容等。另外，对诸如火焰的热分析、塑料封装集成电路的引线图成像、 聚合物内部的气泡以及陶瓷中的裂缝探 测等，THz时域谱成像都是极有前途的技

33、术。采用反射型成像系统，还可以形成 THz断层扫描成像。2. 医疗诊断THz电磁波在医疗诊断及生命科学研究中有重要价值。 由于很多的生物大分 子及DN"子的振动能级多处于THz波段，其THz光谱（包括发射、反射和透射） 包含有丰富的物理和化学信息,所以 THz辐射可用于生物体的探测和疾病诊断。15DNA#3 7O%rk01020 JO 40 M 6070Frequenqrfcm*1)图4-2上：在不同环境湿度下，小牛胸腺 DN冲勺THz吸收谱；下：正常牛血清白蛋白(BSA)样品在不同相对湿度下的吸收谱，以及与变性的BSA(r.h.<5%)的比较。利用THz辐射直接检测基因物质(

34、如DN/W RNA)勺结合状态，可以实现在生 物芯片技术中基因分析的无标记工作方式。另外，由丁 THz辐射对水分子很敏感， 并且有可能区分束缚水分子和自由水分子， 所以通过探测含量水可以区别生物体 的健康组织和病态组织。图 1 10为在不同环境湿度下，小牛胸腺 DNA的THz 吸收谱，还有正常牛血活白蛋白(BSA)样品在不同相对湿度下的吸收谱，以及与 变性的BSA(r.h.<5%)的比较。也可以通过测量生物组织对 THz辐射的不同响应， 得到生物组织的健康和病态特征标记图。THz电磁波在生物和医学中的各种应用，被公认最有可能首先取得重大突破，具有很大的应用潜力。3. 与低维半导体直接耦合

35、THz电磁波能够与低维半导体直接耦合。因为低维半导体中大多数特征能量尺度都处丁 THz范围，如：带宽、带隙、费米能级、等离子体振荡频率、光学声子频率、低维半导体子带间距离以及通常磁场下回旋共振频率等，因而低维半导体系统在THz辐射作用下显示出许多有趣的现象和丰富的物理内涵，如：THz辐照引起的电流抑制、THz辐射的非线性载流子吸收、THz光子辅助的共振能弛豫、 超晶格多光子Bloch共振、多光子磁声子共振、光子增强的霍耳效应、THz增强的回旋共振以及多光子辅助的THz吸收等等。4. THz通讯与雷达THz电磁波是很好的宽带信息载体，THz电磁波比微波能做到的讯道数多得 多，特别适合于卫星间及局

36、域网的宽带移动通讯。国际通讯联盟已指定200GHz的频段为下一步卫星间通讯之用。进一步的发展必定进入300GHz以上的范围，这实际上就是THz通讯。THz电磁波的光子能量约为可见光的光子能量的四十分 之一，因而利用THz电磁波做信息载体比用可见光或近中红外光能量效率高得 多。从技术上看，THzW达技术可以探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的 定位，前者具有更高的分辨率和更强的保密性，因而THzW达可成为未来高精度雷达的发展方向，有望在军事装备和国家安全等方面发挥巨大作用。参考文献：1. R. E. Glover and M. Tinkham, Phys. Rev. 104, 844 (195

37、6) , Phys. Rev. 108, 243 (1957).2. D. M. Ginsberg and M. Tinkham, Phys. Rev. 118, 990(1960).3. P. L. Richards and M. Tinkham, Phys. Rev. 119,575,(1960).4. L. H. Palmer and M. Tinkham, Phys. Rev. 165, 588(1968).5. G. Mourou, C. V. Stancampiano, and D. Blumenthal, Appl. Phys. Lett. 38, 470 (1981).6. G

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