太赫兹波的古依相移研究

为了测量太赫兹波聚焦点附近不同位置的太赫兹时域信号图对飞秒脉冲强激光在空气中进行聚焦,在形成空气等离子体细丝通道的同时辐射出锥型太赫兹波,并用离轴抛物面金镜收集和聚焦太赫兹波。利用电光采样系统来探测太赫兹波,得到其频谱宽度约为4THz。通过对比分析得出,会聚的太赫兹波同样具有古依相移效应。     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波空间强束缚效应

飞秒激光成丝辐射太赫兹波兼具宽频带和高强度特性,其物理机制研究已成为近年来的前沿课题。在此领域,本课题组发现太赫兹波沿激光等离子体光丝被限制在亚波长空间尺度内进行传输,即“太赫兹波空间强束缚效应”,并据此提出了能够全面阐述太赫兹波辐射机理的三过程模型,为统一当前主流宏观与微观理论、化解相关文献中重要结论的矛盾奠定了基础。本文以太赫兹波空间强束缚效应为中心,综述了本课题组近年来的一系列研究工作,包括实验探测技术、物理机理解释及多项创新应用等,并对未来的工作进行了展望。     

太赫兹技术的液体中同型半胱氨酸的定量识别研究

同型半胱氨酸是一种含硫氨基酸,为蛋氨酸和半胱氨酸代谢过程中产生的重要中间产物,它在人体血液或尿液中浓度含量过高时会大幅增加心血管疾病、老年痴呆、骨折等疾病的发病风险。基于太赫兹时域光谱系统,针对液体状态下同型半胱氨酸的检测提出了浓缩富集再烘干的处理方法,有效测量了不同浓度下同型半胱氨酸的太赫兹吸收光谱。经过与拉曼光谱方法的结果比对,证明太赫兹检测的精度比拉曼光谱检测的精度提升了3倍。该结果对临床医学中同型半胱氨酸相关疾病的准确、快速诊断具有重要意义。     

基于时钟树机制的超高速数字锁相放大系统

在超高速数字锁相系统中,虽然可以采用时间交替并行模数转换（Analog-to-digital converter, ADC）结构解决采样速率和采样精度的矛盾,但系统极易受各通道采样时钟抖动的影响。在分析采样时钟抖动与采样有效位数及动态范围关系的基础上,设计了一种基于时钟树机制的并联ADC交替采样结构的超高速数字锁相放大系统。实验结果表明,在相同的测试条件下,该系统比国外主流厂商的商用锁相放大器信噪比提高了约17.5 dB。     

飞秒激光脉冲能量对SF6气体环境下硅表面尖峰结构形成的影响

介绍了在SF6气体环境下由不同脉冲能量的飞秒激光在硅表面蚀刻出的尖峰结构的变化。其中,硅表面形成的尖峰高度先是随脉冲能量的升高而增加,然而当脉冲能量增加到一定程度时,脉冲能量的继续升高却会导致尖峰高度的降低。尖峰高度在开始阶段的增加是由于激光的消融作用;而过高的能量在前几百个脉冲入射后无法穿透到硅材料深处,聚集在硅表面的能量除了引发最外层的硅材料的飞溅,还使次外层的硅一直处于熔融状态,这种状态阻碍了尖峰结构的形成,即使后继能量顺利导入内部,但由于前一部分脉冲对尖峰结构的形成并无贡献,因此表面的尖峰高度反而有所降低。     

太赫兹光谱技术在生物医学检测中的定性与定量分析算法

提出了两种有效混合物成分的定性与定量分析算法。针对混合物中每种成分太赫兹光谱已知的情况,提出了已知混合物成分光谱分析法,该方法具有步骤简单、样本需求量少的优点。而针对成分过多或部分成分光谱无法有效获得的情况,提出了未知混合物成分光谱分析法,该方法适用于多成分混合物,具有精度较高的优点,样本需求量多于已知混合物成分光谱分析法,但计算量相比传统算法大幅缩减。相关工作为生物医学领域中关键物质的识别和测量提供了新的思路和方法。     

载波包络相位稳定的6 fs超快强激光脉冲及其在高次谐波产生中的应用

脉冲宽度40 fs,功率1.1 W的载波包络相位(CEP)稳定的飞秒激光脉冲在充氩气的空芯光纤内由于自相位调制频谱展宽,通过啁啾镜和斜劈补偿色散,最终可获得脉冲宽度为6 fs的载波包络相位稳定的强激光脉冲.将之应用到高次谐波实验中得到了脉冲宽度为500 as的单个阿秒脉冲.     

太赫兹时域光谱法测定高电子迁移率晶体管的截止工作频率

随着高速半导体器件的发展,高电子迁移率晶体管(HEMT)的工作频率已经达到亚太赫兹波段,所以无法简单地通过传统电学方法进行检测。鉴于此,必须采用超快光学方法测定HEMT器件的截止工作频率。利用持续时间更短的飞秒脉冲激光瞬时关断处于饱和工作状态下的HEMT器件,并且采用太赫兹时域光谱技术测量在器件被关断后电流的变化情况(时间是皮秒量级),最后,利用所测量到的太赫兹波形(即源漏电流随时间变化的曲线)和截止工作频率的关系,直接推算出可达到亚太赫兹波段的HEMT器件的截止工作频率。     

真空环境下飞秒激光制备的微构造硅的吸收和退火特性

在真空环境下利用飞秒激光制备的黑硅材料,其形貌与SF6气氛中制备的黑硅材料有着很大的区别。为了研究这种真空环境下制备的微构造硅的相关光学特性,通过改变入射脉冲能量研究其峰值变化以及吸收特性,发现当峰值达到一定高度时其对200~2 500 nm波段的光波有95%左右的吸收效率,这与SF6气氛中制备的微构造硅的吸收效率不相上下。最后对两种环境下制备的黑硅样品进行退火处理,发现真空环境下制备的黑硅材料比SF6气氛中制备的黑硅样品具有更好的耐退火性。这些结果对于利用真空环境下制备的微构造硅制作红外传感器具有重要意义。     

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。