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1、太赫兹(THz)波及其应用,山西大同大学物电学院,邓富胜,2016.4.12,光学前沿-,(三) THz波的产生与探测,(四) THz波的应用,(一) 什么是THz波？,(二) THz波的主要特征,内容概要,(五) THz波最新研究热点,(一) 什么是THz波?,THz在电磁波谱中的位置,THz波(射线)通常指的是频率在0.1THz10THz(波长在3m 30)之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。,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=1.8 mm),杨氏干涉实验,双缝干涉,空间相干,T-射线的干涉图样
2、,(二) THz波的主要特征,THz波的几个主要特性,（一）相干性,THz技术是相干测量技术。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.,（二）低能性,(4.1 meV 1 THz),X-射线30kev 相差7个数量级 !,（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射 有强烈的吸收。,（三）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。,在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收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
3、分含量以确定其新鲜程度。,树叶,新鲜,2天后,THz成像实例,THz局限性？,（五）瞬态性： THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量技术，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。,（六）宽带性： THz脉冲光源通常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。,(三) THz波的产生与探测,THz波的产生与探测,常用的两种产生方法：,光电导天线的方法,光整流的方法,光导天线的方法,电光取样的方法,常用的两种探测方法：,在光电导半导体材料表
4、面淀积上金属电极制成偶极天线结构，金属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（飞秒量级）激光打在两电极之间的光电导材料上时，会在其表面瞬间产生大量的电子空穴对。 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。,光电导天线的基本原理,光导天线的探测方法,将一个未加偏置电压的光导天线放置于太赫兹光路之中，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在光导天线上的偏置电压，以此来驱动那些载流子运
5、动，从而在光导天线中形成光电流（携带太赫兹信号）。 然后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这个电流即可。其中，这个光电流与THz瞬时电场是成正比的。,Grischkowsky Antenna,Resonant dipole antenna is fabricated on a semiconductor wafer (such as low temperature grown GaAs) with a very short carrier lifetime ( 1 ps).,Emitter,E,V,Time (ps),THz 时域波形,Field (a.u),时域谱向频域谱的转换,Time
6、Domain Eref (t), Es (t),Frequency Domain Aref (), As (),FFT,(四) THz波的应用,THz辐射主要应用领域,安全检查 生物医学 无损检测 空间物理和天文学 环境监测 化学分析 军事和通信领域等,一、THz 在国家安全、反恐方面的应用,由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而且能够根据物质的THz“指纹谱”，对物质进行识别，所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非接触安全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反恐、保安和海关检查等部门的高度重视。,报纸,尖刀 !,1. THz在安全检查上的
7、应用,THz在安全检查上的应用,T-射线 收发器,当警察需要从屋外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和状况的时候，我们可否使用THz收发器来帮忙?,恐怖分子,人质,以氯胺酮为例的THz光谱测量结果,测量环境：充氮气后，测量系统湿度低于4%，温度为室温,2. THz在毒品检测中的应用,俗称“K粉”,毒品的THz“指纹谱”,黄色为MDMA, 蓝色为阿司匹林, 红色为MA,OPTICS EXPRESS. 11, 2549-2554 (2003),毒品成像检测法,空间图样分析法,US data,Japanese data,UK,China,3. THz在爆炸物检测中的应用,爆炸物的THz“指纹谱”,b
8、ipod,This tragedy is due to an insulation foam on the shuttles fuel tank detached and struck the wing upon lift-off. Defects in the foam insulation likely caused the material to detach.,Space Shuttle Columbia Tragedy, Feb. 1, 2003,二. THz在无损检测中的应用,航天器泡沫材料的无损检测,49 of 57 defects were detected,不同厂家卡马西平药
9、及其有效成分的太赫兹光谱比较,不同厂家卡马西平药(a)以及其有效成分纯卡马西平(b)在0.22.6 THz范围的吸收光谱,有效成分含量约： 59%,意义：1、 不同类型药物的鉴定 2、 同类药物不同厂家的鉴定 3、对于有效成分含量较高的还可以进行定量计算,厂家：上海复旦复华制药厂和上海三维制药厂,药物的分析和无损鉴别,三. 在医学成像、诊断上的特殊作用, MR, CT在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。 CT 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; MR 和 CT不能对骨头成像。 T-ray 成像可能解决上述问题： THz 与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量比 X-ra
10、y 小约百万倍，没有离子化辐射问题； 它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。 THz ray在成像中的最重要的特性是，在THz ray 作用下，不同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。 THz ray可用于计算机照相，THz ray CT可获得三维分子或化学的图象，其分辨率可达 um 量级。,THz在医学中的应用,肺癌,乳腺癌,牙齿,4,3,2,1,0,电光信号 (nA),40,30,20,10,0,Time Delay (ps),癌变组织,正常组织,THz 成像,标准照片,THz 波形,肿瘤,THz 乳腺肿瘤(模型)成像,癌变组织和正
11、常组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。,THz applied to cancer diagnosis,Ugly: Privacy Issue?,T ray-成像,Images of a Computer, a Ladys bag, a Suitcase,四. 其它应用举例,Counting Pages with a THz Pulse,THz Image of a Racquetball Racket in a Bag,0.6 THz image,常规法成像结果 THz 波成像结果,低能见度环境下的成像,(五) THz波最新研究热点,Active
12、control of electromagnetically induced transparency analogue in terahertz metamaterials,Nature communications3 (2012): 1151.,Ultrathin Terahertz Planar lens,Advanced Optical Materials 1.2 (2013): 186-191.,THz is near for us,THz setup in our lab,The next topic：光子石墨烯,电话：13934129276 Email:dengfusheng2005,
