THz时域光谱诊断激光等离子体密度和碰撞频率

从电子在THz波电场中的运动方程出发,讨论了THz波在等离子体中的传播规律.从而可以得到由等离子体电子密度和碰撞频率决定的THz波的复折射率.该复折射率决定了THz波在等离子体中的传播,即THz脉冲相位和振幅变化.THz时域光谱系统可以测量THz波传播的相位和振幅,因此可以利用THz时域光谱来诊断等离子体密度和碰撞频率.由于受到等离子体色散关系的限制,该方法测量的等离子体密度有一定范围.在等离子体电子密度位于10~(12)~10~(16)/cm~3之间内,该方法可以得到较好的应用.     

THz波的实验研究

相干THz(terahertz)波是频率从0.1到几十THz的相干电磁辐射(对应的波长从3 mm～10μm).现代科学技术的发展对THz波的迫切需要,唤起了人们对THz波研究的极大兴趣.近年来,飞秒(10-15s)激光技术的发展和成熟为THz波的研究提供了有效的手段.依据光学整流原理,以飞秒(fs)激光为抽运源,激发非线性电光晶体产生脉宽为亚皮秒量级的宽带相干THz波脉冲是目前实验室较普遍采用的方法.THz时域光谱技术是相干光学选通门技术,它能探测THz波与物质相互作用的时域电场信息,即同时测得电磁波的振幅和相位,因此,可精确测量物质的色散和吸收特性.这种独到的技术特点,使得相干THz辐射脉冲在物理、化学、电子科学、材料科学、层析成像和环境监测等领域有着广泛的应用前景[1].     

表面等离子激元脉冲整流产生太赫兹电动势

为了深入地研究表面等离子(Surface Plasmon,SP)在传播方向上的太赫兹(THz)电动势,采用了在纳米线结构上对表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)的脉冲中电子进行整流的方法,分析了SP感应引力的整流作用,讨论了SPP横向模式在长脉冲和短脉冲情况下的电动势模型。研究结果表明,脉冲整流会产生一个幅值较大的电动势,该电动势可达10 V。由于受纳米等离子的限制,在放大过程几乎是非共振的,考虑强纳米等离子限制和纵向SPP波局域条件下,整流作用在金属表面会产生更高的局域THz电场ER,其最大强度EmR=105~106V/cm。整流后SPP脉冲表现为快速,THz场频率,带宽5~20 THz的特性。SPP脉冲中THz电动势的分析对纳米级飞秒光学场的探测,半导体设备的纳米等离子激元耦合,以及非线性THz光谱研究都具有重要意义。     

太赫兹脉冲大气传输衰减特性

太赫兹大气传输是太赫兹科学技术及其应用的重要组成部分,渗透于所有的太赫兹应用技术领域。研究基于辐射传输、色散理论和Van-Vleck Weisskopf线型,结合喷气推进实验室(JPL)数据库,建立了太赫兹脉冲大气传输衰减与色散模型,对0.1 THz~1 THz频段太赫兹辐射在水汽中的吸收衰减特性进行了数值模拟研究,与现有的文献数据进行了比对。通过计算太赫兹脉冲大气传输,分析不同水汽密度和传输距离对波形幅值、相位及频谱特性的影响,得到了3个比较稳定的太赫兹脉冲大气传输窗口0.14 THz~0.17 THz、0.19 THz~0.32 THz和0.32 THz~0.37 THz,为太赫兹通信和时域太赫兹空间传输提供了理论参考。     

飞秒激光作用ZnSe晶体产生和探测THz辐射的实验

实验研究了ZnSe单晶的光学整流THz产生,借助电光取样技术得到THz脉冲的时域波形和FFT频谱分布,观察到约113fs的THz辐射场分布,及相应约5.8THz的频谱分布,辐射峰位于3THz左右.对比研究了不同表面的ZnSe晶体的THz辐射峰值强度随激发光功率的变化,通过轻微烧蚀模型定性解释了高激发功率下THz信号的饱和机制.     

飞秒激光作用ZnSe晶体产生和探测THz辐射的实验

实验研究了ZnSe单晶的光学整流THz产生,借助电光取样技术得到THz脉冲的时域波形和FFT频谱分布,观察到约113fs的THz辐射场分布,及相应约5.8THz的频谱分布,辐射峰位于3THz左右.对比研究了不同表面的ZnSe晶体的THz辐射峰值强度随激发光功率的变化,通过轻微烧蚀模型定性解释了高激发功率下THz信号的饱和机制.     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究

通过使用太赫兹(Terahertz,THz)时域光谱系统,探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲,观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明:THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率,这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测:THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后,通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式,从而验证了上述推测。     

半导体THz辐射的Monte Carlo模拟

本文介绍了作者开发的基于面向对象语言C++和统一建模语言UML的半导体输运及THz辐射的蒙特卡罗模拟软件,并用该软件模拟了在强超短脉冲激光(光生载流子密度10¹⁹cm^-3)及强电场 (100kV/cm) 作用下GaAs的THz时域波形和相应的半导体表面局域场.通过分析THz时域波形,我们发现强外加电场下的载流子速度过冲、载流子屏蔽(或器件反应过冲)是形成THz时域波形双极结构的原因.功率谱的分析表明增加外加电场有益于提高THz的低频成份的辐射,但对高频部分(＞6THz)影响不大.     

THz射线产生技术及应用最新进展

THz电磁脉冲是由超短激光脉冲选通半导体光导开关后产生的超宽频带电磁辐射,在很多基础研究领域、工业应用领域以及军事领域中有相当重要的应用。作者就THz电磁脉冲的产生技术、探测技术作了较全面的评述。对其若干重要应用研究成果包括THz时域光谱技术(TDS)、THz二维成像技术等也进行了分析。     

光激发半导体硅片对宽带太赫兹波的调制研究

利用光泵浦-太赫兹(THz)探测(OPTP)技术,研究 了THz波在Si半导体界面间的传输行为。通过改变抽 运光密度从而改变样品表面的载流子浓度,实现对THz波透射/反射的有效调制。在外加中心 波长为800nm 的飞秒激光激发块体半导体Si片时,成功实现了对宽带THz波时域谱包括入射THz 脉冲振幅和 相位以及THz波次级反射峰抗反射的调制。光激发Si片可以获得任意载流子浓度 的Si片实现对 THz脉冲振幅的调制,调制度达到90%以上;光激发Si片能够使THz脉 冲的相位发生负延迟,随着 泵浦光密度的增加,负的相移越来越明显,随着频率的增高,负的相移也越来越明显;光激 发Si片还能够 对THz波的次级反射峰进行调制,随着泵浦光密度的改变,实现对次级反射峰的π相位以及 次级反 射峰抗反射的调制。光激发Si片对宽带THz波时域谱的调制为THz波在通信、国防安全等领域 的应用奠定了基础。     

GaAs样品对太赫兹微带线频谱特性的影响

太赫兹片上系统是近年来太赫兹研究的热点,是太赫兹系统集成的关键技术。太赫兹微带线（MSL）是太赫兹片上系统的关键,微带线设计的合理性,直接影响着太赫兹片上系统的灵敏度和准确度,为了更好地制作片上系统,以理论模型为参照,利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件对太赫兹传输线及带阻滤波结构进行了系统的仿真研究。首先研究了微带线结构、微带带阻滤波结构的传输特性,并从应用的角度首次将样品引入仿真模型,研究了以GaAs为例的介电样品对微带滤波结构的滤波特性的影响。设计了358 GHz的微带滤波器结构,并通过改变放置在其上的GaAs样品参数,发现样品对微带滤波结构的中心滤波频率有明显影响。为太赫兹微带线的设计制作提供了精确的理论数据。     

基于多模速率方程电路建模的太赫兹量子级联激光器稳态性能及输出光谱特性分析

通过改进的三能级多模态速率方程,运用电路建模 方法,建立了太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)的一种等效电路模型。由于基于多模 态效应进行建模,所建模型能够有效表 征多模态效应对THz QCL光电性能的影响。模型中,涉及的非辐射散射时间、自激发射弛豫 时间以及电子逃 逸时间均根据器件有源层结构参数通过自洽数值求解获得。采用所建模型,可运用通用电路 仿真工具实现对 THz QCL光电特性的模拟分析,克服了数值分析方法计算复杂、模拟时间长的缺点。运用电 路仿 真工具PSPICE对2.47THz QCL的稳态特性和输出光谱特性进行了模拟 分析,并讨论了温度变化对器 件阈值电流、输出光功率以及输出频谱的影响,分析结果与已报道的理论和实验结果一致 ,验证了本文方法的适用性和准确性。     

Terahertz Multivariate Spectral Analysis and Molecular Dynamics Simulations of Three Pyrethroid Pesticides

The terahertz (THz) multivariate spectral characteristics and the molecular dynamics of three pyrethroid pesticides, including deltamethrin, fenvalerate, and beta-cypermethrin, were studied in this paper. THz spectra of the pesticides were measured in frequency range of 0.06–3.5 THz by using THz time-domain spectroscopy (THz-TDS). To improve the THz spectral quality, the wavelet threshold de-noising (WTD) method was used to remove spectral noise and the spectral baseline correction (SBC) method was used to remove baseline drift. Specific absorption peaks were observed in the processed THz spectra of the three pesticides. Deltamethrin showed three peaks at 0.90, 1.49, and 2.32 THz. Fenvalerate had five peaks at 1.13, 1.43, 1.61, 1.98, and 2.58 THz. Beta cypermethrin had four peaks at 1.27, 1.84, 2.12, and 2.92 THz. The density functional theory (DFT) was used to characterize the molecular dynamics and formation mechanism of the absorption peaks. Results showed that there was a good matching effect between the THz experimental spectra and the DFT quantum calculation spectra. Based on the characterized fingerprint absorption peaks, the linear addition model was used to simulate the THz spectra of mixed pesticides. The simulated spectra of multicomponent pesticides were demonstrated to be in good agreement with those obtained by THz-TDS. By analyzing the absorption peaks of THz spectra, the composition and concentration of multicomponent pesticides could be determined. The proposed strategy presented an analytical methodology for studying the THz spectral characteristics of pesticides. In addition, this work provided experimental and theoretical basis for the detection potential of pesticides in agricultural products based on THz technology.     

单面金属波导太赫兹量子级联激光器的天线模型

太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)是理想的固态THz源,其出射光束的远场特性是THz QCL研究中重要的一部分。实验上,THz QCL的远场光斑常呈多瓣或环形结构,用一般的衍射理论难以解释,为此把激光器看成辐射天线,利用电磁场理论,推导了单面金属波导THz QCL辐射远场场分布和光强分布基本公式。对具有典型参数的THz QCL的远场分布进行了计算。数值结果表明：辐射远场光强分布是不对称的环形结构,且随着激光器的腔长变长,环逐渐变密。可见,THz QCL的天线模型给出了与实验观察一致的结果,说明天线模型更适合于THz QCL远场光束的分析。     

High‐Order Shift Current Induced Terahertz Emission from Inorganic Cesium Bromine Lead Perovskite Engendered by Two‐Photon Absorption

High‐order nonlinear optical phenomena are interesting from a fundamental point of view as they reveal intrinsic symmetries of the materials. Potentially they can also be used for practical optoelectronic applications. High‐order shift current is one of these phenomena, and yet it has never been detected in experiments, primarily due to the difficulty in conventional contact detection. In this work, the shift current due to the two‐photon absorption (TPA) from all‐inorganic perovskite CsPbBr₃ is first observed by a contactless and nondestructive terahertz (THz) emission method. The results reveal that the THz emission is dominated by a high‐order shift current (fourth‐order nonlinear optical effect) with the below‐bandgap photon energy of femtosecond laser excitation. The high‐order shift current origins from the broken inversion symmetry induced by the dynamic stereochemical activity of the Pb²⁺ lone pair. A microscopic TPA‐assisted nonlinear optical model is presented to describe the photophysical process of the THz emission. The model matches well with the quadratic pump fluence and angular dependence of the THz emission. This work can not only open a new venue for the all‐inorganic perovskite‐based nonlinear optoelectronics and THz devices, but also afford a THz technology for the high‐order nonlinear effect analysis.     

A Geometric-Statistic Channel Model for THz Indoor Communications

The eventual practical deployment of a terahertz (THz) wireless communication system requires a proper channel model. By considering the unique characteristics of THz propagation, this paper proposes a geometric-statistic channel model for system-level simulation. This work also provides an evaluation methodology for investigating the system performance. Numerical results reveal that the proposed channel model is not only suitable to describe the physical characteristics of the THz channel, but also to investigate system-level performance.     

太赫兹波谱与成像技术

太赫兹波谱与成像是太赫兹科学与技术的重要内容,在生物、物理、化学、安检、航空航天等领域有重要的应用前景,是近年来的研究热点。首先简单介绍了太赫兹时域光谱、时间分辨光谱和超连续谱等波谱技术,并列举了相关波谱技术对爆炸物识别和对半导体材料超快载流子动力学的研究结果。讨论了时域扫描成像、实时焦平面成像、连续波成像和被动成像等太赫兹成像技术。相应地分别给出了利用上述技术对葵花籽、玩具手枪、航天泡沫和人体的成像研究结果。     

氧化镁单晶在太赫兹波段的介电特性

利用太赫兹时域光谱系统,在0.5~9.5 THz范围内对氧化镁单晶基片的介电特性进行了研究,并获得折射率、吸收系数以及复介电函数信息。实验数据表明,在低频（ 2 THz）范围内,氧化镁单晶透过性较好,折射率在3.12~3.15之间。折射率和吸收系数均随频率增加而增大,且在3.16 THz和8.11 THz两处存在明显的吸收峰。通过经典的赝简谐振动理论很好地拟合了实验结果,分析了晶体中的横向光学声子振动模式,为氧化镁单晶在宽带太赫兹波段的应用提供了有益参考。     

High-Contrast Imaging of Graphene via Time-Domain Terahertz Spectroscopy

We demonstrate terahertz (THz) imaging and spectroscopy of single-layer graphene deposited on an intrinsic Si substrate using THz time-domain spectroscopy. A single-cycle THz pulse undergoes multiple internal reflections within the Si substrate, and the THz absorption by the graphene layer accumulates through the multiple interactions with the graphene/Si interface. We exploit the large absorption of the multiply reflected THz pulses to acquire high-contrast THz images of graphene. We obtain local sheet conductivity of the graphene layer analyzing the transmission data with thin-film Fresnel formula based on the Drude model.     

Terahertz Technology Research at NICT

The National Institute of Information and Communications Technology (NICT) has been researching the use of terahertz (THz) band from its source to industrial applications. Major accomplishments to date include the development of THz devices such as a quantum cascade laser source, a portable stand-off imaging system, an establishment of propagation model, and a spectral database. We also encourage applications in a range of research fields, such as art conservation science. Because standardisation will be an important step in making the THz wave a common tool, NICT will be pursuing THz methodological activities.