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1、光学前沿 THz科学技术及应用 山西大同大学物电学院 邓富胜 2010 6 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 一 什么是THz波 THz在电磁波谱中的位置 THz辐射 射线 通常指的是频率在0 1THz 10THz 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 8mm 杨氏干涉实验 双缝干涉 空间相干 T 射线的干涉图样 二 THz波的主要特征 T 射线的几个主要特性 一 相干性 THz技术的
2、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 1meV 1THz X 射线 30kev相差7个数量级 光学常数的提取 折射率和吸收系数 f w 位相L样品厚度r w THz波的振幅n折射率c光速 相对吸收系数 ISample样品信号的光强Ireference参考信号的光强 返回 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
3、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 THz成像 Hu Nuss 1995 树叶 火腿肉 新鲜 2天后 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 T 射线的这些特性使得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 三 THz波的产生
4、与探测 太赫兹辐射源和探测器介绍 辐射源 电光晶体 光整流 光电导天线 更高功率 Gunn振荡器 冷等离子体等等 探测器 电光晶体 电光效应 热辐射探测器 bolometer 光电导偶极天线 高灵敏度 等 常用的两种产生方法 THz波的产生 光电导天线的方法 光整流的方法 在光电导半导体材料表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 当超快激光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 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
5、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 返回 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 超短激光脉冲入射到非线性介质中 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亚皮秒量级 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亚皮秒光整流效应 或太赫兹光整流效应 光整流的基本原理 THz波的探测 常用的两种方法 光导天线的方法 电光取样的方法 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
6、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场 以此来驱动那些载流子运动 从而在光导天线中形成光电流 最后 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 返回 电光取样的方法 电光取样测量技术基于线性电光效应 当太赫兹脉冲通过电光晶体时 它会发生瞬态双折射 从而影响探测 取样 脉冲在晶体中的传播 当探测脉冲和太赫兹脉冲同时通过电光晶体时 太赫兹脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性的改变 致使探测脉冲的偏振态发生变化 调整探测脉冲和太赫兹脉冲之间的
7、时间延迟 检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到太赫兹脉冲电场的时域波形 基于InAs半导体的太赫兹时域光谱系统 四 THz波的应用 美国 主要研究力量欧洲 Teravision Tera bridgeTeraviewLtd 日本 Tera photonics台湾 Tera photonicsChina NNSFC新的THz项目 目前全世界有100个以上的研究小组在进行与THz有关的研究 THz辐射主要应用领域 生物医学安全检查工业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 一 THz在国家安全 反恐方面的作用 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
8、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 CapitalNormalUniversity 甲基安非他明 MA 3 4 亚甲二氧基安非他明 M
9、DMA 和阿司匹林空间图样成分分析方法得到的实验结果 1 黄色为MDMA 蓝色为阿司匹林 红色为MA 1 KodoKawase YuichiOgawa YuukiWatanable HiroyukiInoue OPTICSEXPRESS 11 2549 2554 2003 600 500 400 300 2 amino 4 6 DNT 200 100 0 0 00 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 Wavenumber cm 1 Absorbance Absorbance 600 500 400 300 200 100 0 0 00 0 03 0 06 0 09 0 12 0
10、15 Wavenumber cm 1 TNT 1 3 DNT 2 4 DNT 600 600 500 500 400 400 300 300 200 100 0 100 0 200 Absorbance Absorbance 0 05 0 00 0 10 0 15 0 10 0 05 0 15 0 20 0 00 Wavenumber cm 1 Wavenumber cm 1 几种炸药的远红外谱线 3 THz在爆炸物检测中的应用 RDX C 4 Comparison US Japan UK China Ourdata Japanesedata UK China 使用太赫兹技术研究航天飞机失事的
11、原因 二 THz在无损检测中的应用 DefectsneartheFoam SubstrateInterface 49of57defectsweredetected 三 在医学成像 诊断上的特殊作用 MR CT PET在医学成像中发挥很大的作用 但有局限性 CT PET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 PET有很高的灵敏度但空间分辨率差 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 ray小约百万倍 没有离子化辐射问题 THz频率段正好处在分子相互作用段 它可以给出位置和密度的信息 可用于分子活动的研究 并给出很高的空
12、间分辨率 300um 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 rayCT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 4 3 2 1 0 电光信号 nA 40 30 20 10 0 TimeDelay ps 癌变组织 正常组织 癌变组织和正常组织的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成像 标准照片 THz波形 肿瘤 THz乳腺肿
13、瘤 模型 成像 四 THz在生物 环境监测上的应用 由于生物大分子的振动和转动能量均在THz波段 因而利用THz辐射技术可得到DNA的重要信息 这对粮食选种 优良菌种选择等起着重要作用 THz在生物化学应用以及药物的分析和检测等方面都具有良好的功能 THz辐射可以穿透烟雾 又可检测有毒或有害分子 所以在环境监测和保护方面将得到应用 不同厂家镇静类药的太赫兹光谱研究 1 不同厂家地西泮药及其有效成分的太赫兹光谱比较 不同厂家地西泮药 a 以及其有效成分纯地西泮 b 在0 2 2 6THz范围的吸收光谱 有效成分含量 3 7 厂家 北京益民制药厂 天津力生制药厂 原因 1 有效成分含量小 2 不同
14、厂家掺杂物成分不同 2 不同厂家卡马西平药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 2 2 6THz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 THz雷达可成为未来高精度雷达的发展方向 由于THz波比通常微波的频率更高 在远程军事目标探测 显示前方烟雾中的坦克 远距离成像 多光谱成像等方面有重要的应用 能够探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位 具有更高的分辨率和更强的保密性 THz技术在反隐身方面有特殊的功
15、能 目前各种军事目标 武器的隐身主要是针对微波 毫米波波段的隐身 而在尚未充分开发利用的THz波段中几乎未涉及 所以THz雷达有望探测到目前各种军事目标和武器 将成为反隐身的军事武器 五 THz技术在国防上的重要作用 THz雷达 R A ChevilleandD GrischkowskyAppl Phys Lett 67 1960 1995 THz波用于通信可获得10GB s无线传输速度 比当前的超宽带技术快数百至上千倍 与可见光和红外线相比 它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力 这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信 THz卫星成像和通信技术可能是今后各国关注的重要领域
16、 六 THz技术在军事通信上有独特的优势 常规法成像结果THz波成像结果 THz通讯 108meterswith32mirrors 2 4metersaftertheemitter T 射线收发器 THz收发器 目标 T 射线波 七 THz技术对发展新一代IT产业的作用 可以预言 一旦THz辐射源 检测技术等得到发展 THz技术将在IT领域具有很强的竞争力 目前世界上已有不少公司从事有关THz技术商品化的工作 如美国一些大学孵化了Picometrix PhycicalscienceInc CalabazasCreekRes Inc 等公司 英国剑桥大学孵化了TeraViewLtD 英国和欧洲建立了ThruVision公司 日本已有不少公司在进行有关THz技术的研发和商业化的工作等 Ghost 其它THz波成像结果 ImagesofaComputer aLady sbag aSuitcase 0 6THzImageofaRacquetballRacketinaBag 0 6THzimage 一个球状物体 f 36mm 的T 射线CT成像 实验装置 重现的像 在LaserFocusWorl
