基于渡越-切伦科夫辐射原理太赫兹横向场频率特性的实验研究

基于渡越-切伦科夫辐射原理,单色飞秒激光脉冲聚焦到空气中形成等离子体进而辐射出径向偏振太赫兹波,径向偏振太赫兹波经过紧聚焦后在焦点处产生太赫兹波横向偏振分量。为了有效调控太赫兹横向分量的频率分布和振幅特性,首先,通过理论分析太赫兹横向场分量在外加电压下的分布规律,给出不同角度的外加电压对太赫兹横向场频率强度的影响。然后,采用对等离子体施加外部电场的方法,得到一个最佳的纵向电场角度产生高强度太赫兹横向偏振分量。对发展太赫兹波特性的基础研究以及太赫兹技术的应用具有重要的参考意义。     

一种提高太赫兹波成像分辨力的方法

成像分辨力低是影响太赫兹波成像系统在质检、安全和医疗领域应用的重要因素之一。用返波管（BWO）作为太赫兹波辐射源搭建了一个连续太赫兹波点扫描透射成像系统。采用扫描步长小于系统聚焦光斑尺寸的方式获得样品物体的太赫兹透射图像,并利用增量维纳滤波法对该图像进行复原获得了超过系统衍射极限分辨力的太赫兹图像。实验结果表明该方法可以有效提高太赫兹波成像的空间分辨力。     

气体密度调控激光拉丝太赫兹辐射机理

为研究气体密度对多色激光诱导空气等离子体拉丝辐射太赫兹波的调控作用，建立了由激光拉丝辐射太赫兹波的理论模型。该模型可描述太赫兹波的产生和随后的传输过程，基于该模型和仿真计算，研究了气体密度对太赫兹辐射的影响。结果表明，气体密度会影响激光拉丝的瞬时电流分布与太赫兹波的传播相位，进而影响激光拉丝的太赫兹辐射强度，使太赫兹辐射能量随气体密度的变化呈现非线性变化。该理论研究对激光拉丝物理过程的认知具有重要的参考意义。     

太赫兹金属弹簧波导的研究

为深入了解金属弹簧波导对太赫兹波的传输效果,对不同螺线间距金属弹簧的太赫兹波传输特性进行了实验研究。实验结果表明,对于线径0.8 mm、外直径12 mm、长14 cm的金属弹簧,在3.5/4.4 mm等较大的螺距下,弹簧波导反而能在较大的带宽下传导太赫兹波,并具有良好的偏振保持能力。3.5/4.4 mm螺距弹簧的太赫兹传输带宽均约为0.9 THz,且在其峰值频率处的传输损耗分别约为0.2 cm-1和0.27 cm-1。此外,金属弹簧能将太赫兹模式束缚在空气芯内传输,而非通过金属螺线导引传输。该研究结果对金属弹簧波导在太赫兹技术中的应用具有一定参考意义。     

真空环境下空气的太赫兹光谱痕量检测

本文采用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)测试分析了不同压强(10--4～103mbar)的空气在0.2～1.5THz频段下的太赫兹光谱.实验表明,透过空气的太赫兹波与参考信号相比有显著的时间延迟和振幅衰减,并且其在0.55THz、0.75THz、1.1THz、1.2THz、1.4THz处出现吸收峰,这与水蒸气对太赫兹波的吸收峰位相一致.随着气体压强的减少,时域信号振幅衰减和时间延迟减少.而气体折射率几乎不随频率变化,但却随着压强的减小而减小.这说明THz-TDS技术能够灵敏的分辨真空环境下压强的变化,并且能对空气中痕量的极性气体灵敏的响应,可以应用于真空环境中的痕量气体检测以及环境监测等.     

基于空间能量分布调制增强和控制太赫兹信号

为了有效地对太赫兹波进行增强和连续控制，提出一种通过外部空间干扰调制太赫兹波的空间分布对太赫兹波进行增强和连续控制的方法。通过理论计算对比了未放置和放置空心金属波导的太赫兹波的空间分布，并研究了通过外部空间干扰改变太赫兹波传播路径对太赫兹波空间分布的影响。研究表明，采用改变空心金属波导和激光拉丝相对位置的方法，可以得到连续调控的太赫兹波的空间分布，并且太赫兹波空间分布的最强点能量强度增强了近5.9倍，可为宽带太赫兹波的连续调控提供参考。     

基于单层超表面的双频太赫兹波线偏振变圆偏振转换器

提出了一种基于单层超表面的双频太赫兹波线偏振变圆偏振转换器。该偏振转换器采用两个不同尺寸的十字型金属缝阵列结构形成两个线偏振变圆偏振转换频点,从而实现双频的太赫兹波线偏振变圆偏振转换。计算结果表明,设计的偏振转换器能在0.760THz和1.068THz将一束线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波。该双频的线偏振变圆偏振转换器仅由单层的超表面组成,结构简单易于制备,因而为操控电磁波和设计新颖的太赫兹波器件提供了参照。     

太赫兹科学技术的发展与实验室建设

近年来,太赫兹科学技术受到了世界各国政府、企业和科技部门的高度重视,得到了迅猛的发展,这不仅是因为太赫兹波本身具有独特的性质,更因为太赫兹科学技术给人们展示了广阔的应用前景。本文首先对太赫兹波及其有关特性进行介绍,说明太赫兹科学技术具有重要的学术价值和重大的应用前景。其次,重点说明太赫兹辐射源和探测技术的发展,进而介绍我们实验室在太赫兹波谱与成像方面所开展的一些工作。最后,结合太赫兹光电子学重点实验室的建设,介绍我们实验室正在开展的研究工作。     

单色超快激光成丝产生太赫兹辐射机理

单色超快激光与气体介质相互作用成丝产生太赫兹波是当前产生宽频太赫兹辐射的一个重要途径。介绍了不同模型下单色场(波长为0.8μm)超快激光与气体介质作用产生宽频强太赫兹辐射的产生机制,以及提升太赫兹波产生效率的几种方法。单色激光与气体介质作用产生太赫兹辐射的产生机制模型有渡越-切仑科夫辐射模型、激光有质动力模型和轫致辐射模型。研究表明,在拉丝周围外加横向电压、外加纵向电压和双拉丝的方法都能获得更强的太赫兹波。     

电子密度对太赫兹波在均匀非磁化等离子体中的传输影响

针对地面与飞行器之间通信“黑障”问题,采用垂直极化的太赫兹波实现了地面与飞行器的通信。利用放电装置产生等离子体来模拟飞行器表面的等离子体鞘套,使用全光纤耦合式太赫兹时域光谱仪产生0～1 THz的太赫兹波,从实验的角度研究了垂直极化太赫兹波在不同电子密度的均匀非磁化等离子体中的传输特性。实验结果表明：电子密度越大,垂直极化太赫兹在等离子体中的传播速度越快;随着电子密度的增大,衰减会越小。所进行的研究为实现地面与飞行器之间的通信互联提供了重要的实验参考。     

Note: Coherent detection of terahertz radiation employing a continuous wave optical parametric source

The combination of an all-optical terahertz source with a photoconductive antenna to achieve coherent detection is presented. This approach aims to overcome the frequency limits introduced by optoelectronic terahertz sources commonly used. Here the Gaussian-shaped and linearly polarized terahertz waves are generated by a continuous wave optical parametric oscillator with a power of 3 μW at 1.4 THz. The infrared signal light of the optical parametric oscillator can be used to coherently detect the generated terahertz wave with a photoconductive antenna. As a proof-of-principle experiment we determine the thickness profile of a plastic lens using phase shifting interferometry.     

Detection of Terahertz Pulses Using a Modified Sagnac Interferometer

We describe a time resolved, interferometric method to detect terahertz (THz) pulses based on the Sagnac geometry. A ZnTe electro-optic crystal is placed in one arm of the interferometer, and the THz-induced optical phase shift is demodulated by allowing the two arms to optically interfere. The theoretical principle behind this new method is illustrated and a detailed comparison with the traditional electro-optic sampling technique used in THz time domain spectroscopy is performed. Key features of this new method are highlighted, serving as an aid to identify where this method may be useful in future applications.     

太赫兹光谱和成像应用及展望

作为近年来颇受科技界和各国政府重视的一个新兴学科和技术领域,太赫兹辐射具有不同于其它波段电磁波的许多独特性质,因而在物理、化学、生物、材料、医学、农业、国防和军事等领域具有广阔的应用前景.结合国内外研究和应用的现状,本文概述了太赫兹时域光谱、太赫兹成像以及太赫兹技术在物理学、化学、生物学和天文领域的应用和机遇,供广大同行参考.     

太赫兹宽带消色差偏折器设计

偏折器可以调控电磁波的传播方向,在传感、光通信等领域具有重要的地位,但是色差问题使传统偏折器的偏折方向随波长变化,很大程度上限制了偏折器的发展。为了消除偏折器中的色差问题,通过对太赫兹偏折中色差问题的物理机理进行分析,采用几何相位与共振相位结合的设计方法,在全介质超表面上实现宽带消色差偏折的功能。利用有限时域差分法(FDTD)在0.5 THz到1.1 THz的宽带范围内仿真验证设计的方法并实现了超表面消色差偏折的效果。     

铝质亚波长圆孔阵列与牛眼结构的太赫兹波传输特性

使用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对基于超常光学透射现象的铝质亚波长圆孔阵列和牛眼结构进行了实验研究。实验中,使用包含0.1².7THz的入射脉冲,观察到了明显的滤波效应,且滤波峰的中心频率恰好为两种结构所设计的0.53THz。太赫兹波的高频部分,尤其是高于1THz的部分发生了急剧地衰减。随着大样品中圆孔数量的增加,由于更加明显的周期性,滤波峰的中心漂移到0.26THz。使用表面等离子体激元(SPPs)的相关理论以及运用有限元算法(FEM)对实验中观察到的超常光学透射现象和滤波效应进行模拟和分析,模拟的结果与实验数据吻合得非常好。     

面向太赫兹应用的平面结构聚合物电光传感器

自由空间电光取样技术是太赫兹波(THz)相干探测的典型方法,电光传感器是其中的核心器件。传统的电光传感器多采用无机电光晶体材料,但是这种材料电光系数低并存在声子吸收性,致使太赫兹波的探测带宽受到限制。主-客体结构的电光聚合物材料具有较大的电光系数和较低的介电常数,近年来成为各国学者研究的热点。然而这种材料的主客体之间相容性差,极易产生相分离,导致电光性能降低,限制了材料的更广泛应用。采用一种化学与物理手段相结合的方法,将两种电光分子引入聚合物体系,制备了具有双电光分子的聚磷腈材料。这种材料不但具备良好的相稳定性,而且具有良好的电光性能,电光系数可达64.8 pm/V。基于双电光分子聚磷腈材料,设计并制作了具有平面结构的聚合物电光传感器。与传统的三明治结构电光传感器相比,平面结构传感器可以将探测幅度提升55%,光谱灵敏度提升35%,同时还可以避免入射角度对探测灵敏度的影响、降低噪声干扰、简化实验过程,是面向太赫兹应用的更适合器件。     

Hologram simulation for off-axis electron holography

Hologram simulation for electron holography using an electron biprism is described. An electron hologram is superimposed by Fresnel fringes originating from the electron biprism, which affects both the amplitude and the phase of the object wave and the reference wave. In this simulation, we consider the effects of Fresnel diffraction as well as the electron-wave phase shift due to the electromagnetic field produced by the specimen. We also take into account the phase shift due to the inner potential of the specimen, the amplitude modulation due to the absorption of the incident electrons by the specimen, reference-wave distortion caused by the electromagnetic fields, coherency of the electron wave, and quantum noise of the detected electrons. Simulated and experimentally obtained holograms and reconstructed images are compared for the cases of a charged latex spherical particle and a single magnetic-domain spherical particle placed on a carbon film.