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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( (三三) THz) THz波的产生与探测波的产生与探测( (四四) THz) THz波的应用波的应用( (一一) ) 什么是什么是THzTHz波？波？( (二二) ) THzTHz波的主要特征波的主要特征内容概要(一) 什么是什么是THzTHz波波? ?THz在电磁波谱中的位置THzTHz辐射辐射( (射线射线) )通常指的是频率在通常指的是频率在0.1THz10THz( (波长在波长在3m 30) )之间的电磁波，其波之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，
2、此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。Radio Microwave T-rays Infrared UV X-raysFrequency (Hz)108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 THz波具有波的特性: 衍射和干涉T-ray塑料板上的单孔 0 1 20 1 21 THz1.5 THz 0 1 20 1 22 THz 0 1 20 1 2cm0.5 THz 0 1 20 1 2cmcmcm单孔衍射 (f=1.8 mm)杨氏干涉实验T-ray双缝干涉Time (ps)X (mm)1002001
3、427空间相干 0 1 21.5 THz 0 1 2cm0.5 THz 0 1 20 1 2cm2 THz 0 1 20 1 2cm 0 1 20 1 21 THzcm T-射线的干涉图样(二) THzTHz波的主要特征波的主要特征T-射线的几个主要特性射线的几个主要特性（一）相干性（一）相干性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. （二）低能性（二）低能性(4.1 meV 1 THz)X-射线射线30kev 相差相差7个数量级个数量级 !光学常数的提取：光学常数的提取：o折射率和吸收系数折射率和吸收系数 f(w) f(w) 位相位相 L 样
4、品厚度样品厚度 r(w)r(w) THzTHz波的振幅波的振幅 n 折射率折射率 c 光速光速o相对吸收系数相对吸收系数 I I Sample 样品信号的光强样品信号的光强 Ireference 参考信号的光强参考信号的光强返回（四）（四）大多数大多数极性分子极性分子如水分子，对如水分子，对THz辐射辐射有强烈的吸收。有强烈的吸收。 （三三）THz 辐辐射射对对于于很很多多非非极极性性物物质质，如如电电介介质质材材料料及及塑塑料料、纸纸箱箱、布布料料等等包包装装材材料料有有很很强强的的穿穿透透力力, 可可用用来来对对已已经经包包装装的的物物品品进进行行质质检检或或者者用用于于安安全全检检查。查
5、。在在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生物成像技术中，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，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。其新鲜程度。THz 成像 (Hu & Nuss， 1995)树叶树叶火腿肉火腿肉新鲜新鲜2天后天后（五）（五）瞬态性：瞬态性： THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量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。在小于技术，能够有
6、效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小于3THz时信噪比高达时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红外，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。光谱技术，而且其稳定性更好。 （六）（六）宽带性宽带性： THz脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单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个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十至几十THz的范围，的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。便于在大的范围里分析物质的光谱性质。 T-射线射线的这些的这些特性特性使得使得THz技术在很多方面技术在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线射
7、线技术的互补技术。技术的互补技术。(三三) THz波的产生与探测波的产生与探测.太赫兹辐射源和探测器介绍辐射源辐射源: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：THzTHz波的产生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
8、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THzTHz波的探
9、测波的探测常用的两种方法：常用的两种方法：光导天线的方法光导天线的方法电光取样的方法电光取样的方法 光导天线的探测方法光导天线的探测方法o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。o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
10、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。基于基于InAs半导体的太赫兹时域光谱系统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-bridge Teraview Ltd.日本: Tera-photonics台湾: Tera-photonicsChina: NNSFC 新的 THz 项目目前全世界有10
11、0个以上的研究小组在进行与THz 有关的研究THz辐射主要应用领域辐射主要应用领域生物医学生物医学安全检查安全检查 工业无损检测工业无损检测 空间物理和天文学空间物理和天文学 环境监测环境监测 化学分析化学分析 军事和通信领域军事和通信领域 一、一、THz 在国家安全、反恐方面的作用在国家安全、反恐方面的作用 由于由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张波对衣物、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能够根据物质的THz“指纹谱指纹谱”，对物质进行识别，对物质进行识别，所以在毒品、化学生物危险品和武器等
12、的非接触安所以在毒品、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。恐、保安和海关检查等部门的高度重视。报纸报纸 尖刀尖刀 !1. THz在安全检查上的应用THz在安全检查上的应用T-射线射线 收发器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?恐怖分子恐怖分子人质人质以氯胺酮为例的以氯胺酮为例的THzTHz光谱测量结果光谱测量结果测量环境：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 Ca
13、pital Normal University http:/ Capital Normal University http:/甲基安非他明（甲基安非他明（甲基安非他明（甲基安非他明（MAMA）、）、）、）、3,4-3,4-亚甲二氧基安非他明（亚甲二氧基安非他明（亚甲二氧基安非他明（亚甲二氧基安非他明（MDMAMDMA）和）和）和）和阿司匹林空间图样成分分析方法得到的实验结果阿司匹林空间图样成分分析方法得到的实验结果阿司匹林空间图样成分分析方法得到的实验结果阿司匹林空间图样成分分析方法得到的实验结果11：黄色为黄色为MDMA, 蓝色为阿司匹林蓝色为阿司匹林, 红色为红色为MA1Kodo Kawa
14、se, Yuichi Ogawa, Yuuki Watanable, Hiroyuki Inoue, OPTICS EXPRESS. 11, 2549-2554 (2003) 600 500 400 3002-amino-4,6-DNT200 10000.000.100.200.300.400.50Wavenumber (cm-1)AbsorbanceAbsorbance600 500 400 300 200 10000.000.030.060.090.120.15Wavenumber (cm-1)TNT1,3-DNT2,4-DNT600600500500 400400 300 300 200
15、 100 0 1000200 AbsorbanceAbsorbance0.050.000.100.150.100.050.150.200.00Wavenumber (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, ChinaOur dataJapanese data UK 0.51.01.52.02.5012341.971.450.82RDXAbsorbance (a.u.)Frequency (THz)China使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因使用太赫兹技术研究航天飞
16、机失事的原因二. THz在无损检测中的应用Defects near the Foam/Substrate Interface249 of 57 defects were detected三. 在医学成像、诊断上的特殊作用在医学成像、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。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均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; MR 和和 CT不能对骨头成像；不能对骨头成像； PET 有很高的灵敏度但空间分辨率差。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
17、：成像可能解决上述问题：nTHz 与与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量的最大区别在于，它在远红外区，光子能量比比 X-ray 小约百万倍，没有离子化辐射问题；小约百万倍，没有离子化辐射问题；nTHz 频率段正好处在分子相互作用段，它可以给出位置和密度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，并给出很高的空间分辨率的信息。可用于分子活动的研究，并给出很高的空间分辨率（ 300um）。）。n它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。nTHz ray在成像中的最重要的特性是，在在成像中的最重要
18、的特性是，在THz ray 作用下，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。确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。nTHz ray可用于计算机照相，可用于计算机照相，THz ray CT可获得三维分子可获得三维分子或化学的图象，其分辨率可达或化学的图象，其分辨率可达 um 量级。量级。THz 在医学中的应用43210电光信号 (nA)403020100Time Delay (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
19、小和形状。THz 成像成像标准照片标准照片THz 波形波形肿瘤THz 乳腺肿瘤(模型)成像四. THz 在生物、环境监测上的应用在生物、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由于生物大分子的振动和转动能量均在 THz 波段，波段，因而利用因而利用THz 辐射技术可得到辐射技术可得到 DNA 的重要信息，这对的重要信息，这对粮食选种、优良菌种选择等起着重要作用；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；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辐射可以穿透
20、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。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不同厂家镇静类药的太赫兹光谱研究1.不同厂家不同厂家地西泮地西泮药及其有效成分的太赫兹光谱比较药及其有效成分的太赫兹光谱比较不同厂家地西泮药不同厂家地西泮药(a)以及其有效成分纯地西泮以及其有效成分纯地西泮(b)在在0.22.6 THz范围的吸收光谱范围的吸收光谱 有效成分含量： 3.7%厂家：北京益民制药厂、天津力生制药厂厂家：北京益民制药厂、天津力生制药厂 原因：原因：1、有效成分含量小；、有效成分含量小；2、不同厂家掺杂物成分不同。、不同厂家掺杂物成分
21、不同。2.不同厂家不同厂家卡马西平卡马西平药及其有效成分的太赫兹光谱比较药及其有效成分的太赫兹光谱比较不同厂家卡马西平药不同厂家卡马西平药(a)以及其有效成分纯卡马西平以及其有效成分纯卡马西平(b)在在0.22.6 THz范围的吸收光谱范围的吸收光谱有效成分含量约：有效成分含量约： 59%意义：意义：1、 不同类型药物的鉴定不同类型药物的鉴定 2、 同类药物不同厂家的鉴定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、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
22、发展方向雷达可成为未来高精度雷达的发展方向: 由于由于 THz 波比通常微波的频率更高波比通常微波的频率更高,在远程军事目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谱成像等方面有重要的应用, 能够探测比微波雷达更小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强的保密性。 THz 技术在反隐身方面有特殊的功能：目前各种军技术在反隐身方面有特殊的功能：目前各种军事目标、武器的隐身主要是针对微波、毫米波波段的事目标、武器的隐身主要是针对
23、微波、毫米波波段的隐身，而在尚未充分开发利用的隐身，而在尚未充分开发利用的 THz 波段中几乎未涉波段中几乎未涉及。所以及。所以THz 雷达有望探测到目前各种军事目标和武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。器，将成为反隐身的军事武器。五五. THz 技术在国防上的重要作用。技术在国防上的重要作用。THz 雷达R. A. Cheville and D. GrischkowskyAppl. Phys. Lett. 67, 1960 (1995)THz 波用于通信可获得波用于通信可获得 10GB/s 无线传输速度，比无线传输速度，比当前的超宽带技术快数百至上千倍；与可见光和
24、红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。这就使得雾穿透能力。这就使得THz 通信可以以极高的带宽通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。进行高保密卫星通信。THz 卫星成像和通信技术可卫星成像和通信技术可能是今后各国关注的重要领域。能是今后各国关注的重要领域。六六. THz 技术在军事通信上有独特的优势技术在军事通信上有独特的优势 常规法成像结果常规法成像结果 THz 波成像波成像结果结果THz 通讯通讯020406080-3-2-10123THz Field (nA)Time (ps)0
25、20406080-80-4004080THz Field (pA)Time (ps)108 meters with 32 mirrors2.4 meters after the emitterT-射线收发器 -4-202THz 信号(a.u.)12080400时间延迟 (ps)56.7 metersTHz 收发器目标T-射线 波七、七、THz 技术对发展新一代技术对发展新一代 IT 产业的作用产业的作用 可以预言，一旦可以预言，一旦THz 辐射源、检测技术等得到发辐射源、检测技术等得到发展，展，THz 技术将在技术将在 IT 领域具有很强的竞争力。目前领域具有很强的竞争力。目前世界上已有不少公
26、司从事有关世界上已有不少公司从事有关 THz 技术商品化的工技术商品化的工作，如美国一些大学孵化了作，如美国一些大学孵化了 Picometrix、Phycical science Inc.、Calabazas Creek Res. Inc.等公司。等公司。英国剑桥大学孵化了英国剑桥大学孵化了 TeraView LtD. 英国和欧洲建立英国和欧洲建立了了ThruVision 公司。日本已有不少公司在进行有关公司。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。技术的研发和商业化的工作等。Ghost ?其它THz波成像结果Images of a Computer, a Ladys bag, a Suitcase0.6 THz Image of a Racquetball Racket in a Bag0.6 THz image
