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].     

THz波微结构器件特性的研究

在电磁波谱中所处的特殊位置使得THz波在在物理、化学、生物医学、电子科学、材料科学、环境监测等领域有着广泛的应用前景。综述了THz波微结构器件特性方面的研究工作。亚波长金属周期微结构器件的THz波谱选择增强透射现象,亚波长环形槽金属线上的THz等效表面等离子体激元,以及THz光子晶体光纤。     

THz时域频谱技术中若干效应的研究

在电磁波谱中所处的特殊位置使得THz波在物理、化学、生物医学、电子科学、材料科学、环境监测等领域有着广泛的应用前景。讨论了THz时域频谱技术的若干关键问题：THz发射晶体的双光子吸收、衍射效应和非线性效应（Kerr效应和类Kerr效应）等对THz产生效率的影响,THz辐射脉冲的载波包络相位差,THz小波变换频谱技术,以及利用光子晶体光纤飞秒激光作为激发源对THz时域频谱系统进行小型化和提高能量的方案。     

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.     

CNT 在THz 波段散射特性的研究

本文研究了单壁碳纳米管在THz 波段的散射特性。首先,建立了金属性碳纳米管散射体模型。通过严格的级数展开,给出了单壁碳纳米管散射场和透射场的表达式。其次,以TM 波为例,分别在平面波正入射及斜入射的条件下,研究其散射场及散射宽度的特性。通过散射场、感应电流、散射宽度,有效地描述了碳纳米管在THz 的散射特性。研究结果对利用碳纳米管进行THz 的探测具有一定意义。     

激光功率和材料温度的涨落特性

研究了铜在CO2激光辐照下达到热平衡时表面的温度涨落.发现铜在达到热平衡后,铜块表面温度出现涨落,涨落的最大幅度不随幅照时间而改变.同时,这一温度涨落也反映了国产HGL895型5kW横流连续CO2激光器功率稳定性的一些问题,对采用反馈电路稳定激光输出功率这一工艺有参考意义.     

THz辐射的研究和应用新进展

THz频段是一个非常具有科学价值但尚未开发的电磁辐射区域,它的研究涉及物理学、光电子学及材料科学等,它在成像、医学诊断、环境科学、信息通信及基础物理研究领域有着广阔的应用前景和应用价值。当今,获得THz波的方法及THz波的探测研究是THz研究领域的前沿,更是重点。本文综述了THz波的特点、应用领域及发展状况,阐述了THz波的产生方法其探测方法。     

CO2激光的大气传输特性

综合分析了影响CO2激光大气传输的一些关键因素,包括大气分子和气溶胶的散射及吸收,与其他波段激光的大气衰减相比较,并对CO2激光的大气传输特性进行了系统的分析与归纳,得出了CO2激光的实际应用性结论.     

Experiment Studies on Two-Dimension Terahertz Raster Scan Imaging

In this article, two kinds of THz two-dimension raster scan imaging methods are investigated. An array scanning system, which uses a Pyrocam III camera as the detecting device, and a point-wise scanning system, which adapts a Golay cell as the detector, are designed and tested with imaging experiments. The speed, scale and quality aspects of the two systems are analyzed. The experimental results show the point-wise scanning system has higher contrast and precision performances, with a lower scanning speed, and it could be used to scan detailed small-scale textures. The array scanning system has faster scanning speed, with lower resolution, and it could be deployed for rapid, large-scale scans.     

太赫兹光场成像的实验与处理研究

太赫兹波的频率介于红外线与微波之间,其独特优势使得太赫兹三维成像已成为国内外的研究热点。为了将光场成像技术拓展到太赫兹波段,介绍了太赫兹光场成像的实验与处理方法。采用太赫兹相机阵列采集到了一系列特定视角的太赫兹光场数据。针对由成像系统的器件限制导致图像存在较强噪点等问题,通过离散余弦变换（Discrete Cosine Transform, DCT）滤波达到了较好的去噪效果并有效保留了图像的细节信息。利用峰值信噪比（Peak Signal-to-NoiseRatio, PSNR）和结构相似性（Structural SIMilarity, SSIM）图像质量评价指标对比了多种滤波去噪方法,证明了DCT滤波方法对于太赫兹图像预处理的可行性。通过选取不同深度值得到了不同景深处的图像重构结果,初步实现了太赫兹光场成像的数字重聚焦。     

太赫兹光场成像的深度估计方法与实验研究

在前期工作中,通过对太赫兹光场图像进行离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)滤波和数字重聚焦,初步实现了图像去噪和前后景分割。为了进一步得到质量更高的太赫兹光场原数据并达到更加精确的深度分割效果,改进了实验方案及处理方法,并提出了一种基于极平面图像(Epipolar Plane Image,EPI)的太赫兹光场深度估计方法。在太赫兹图像特性的基础上,给出了深度与视差的关系,并利用局部视差和置信度构建了全局深度图,从而达到了深度估计的目的。最后,在实验中通过10×10的相机阵列采集太赫兹光场数据,得到了准确聚焦于不同平面的重聚焦结果和高分辨度的深度估计图,实现了太赫兹光场成像的深度估计。     

太赫兹量子级联激光器光注入特性

基于三能级速率方程,研究了独立运行、主从注入和相互注入太赫兹量子级联激光器(THz-QCLs)的相对强度噪声和调制特性。在自由运行情况下,THz-QCL的自发辐射噪声在低频时表现出白噪声特性。与传统的半导体激光器不同,在低频区没有对应于弛豫振荡的共振峰。主从注入可以有效降低THz-QCLs噪声20 dB,提高THz-QCLs低噪声工作的效率。对于互注入THz-QCLs,即使在锁相区,噪声也明显高于自由运行情况。通过应用注入锁定方案,与直接调制方案相比,可以大大增加调制带宽。     

基于氧化钒热敏特性的太赫兹探测器

采用氧化钒(VOX)薄膜作为热敏层的非制冷红外微测辐射热计在红外探测方面已取得很大成功,而当将其用于波长更长的远红外太赫兹(THz)波探测时其中存在的不足就会体现出来。介绍了基于微测辐射热计设计的 THz 探测器所需的 THz 波吸收材料、VOX热敏材料及信号读出电路应满足的基本要求,为研制 THz 波探测器提供了必要参考,并给出已研制成功的 VOX热敏薄膜材料的部分性能实验结果。     

Terahertz attenuation and dispersion characteristics of coplanartransmission lines

Experimental verification of analytic formulas for the dispersion and the attenuation of electrical transient signals propagating on coplanar transmission lines is presented. The verification is done in the frequency domain over a terahertz range although the experiments are in the time domain. The analytic formulas are obtained from fits to the full-wave analysis results. It is quantitatively verified that the full-wave steady-state solutions can be directly applied to the transient time-domain propagation experiments. Subpicosecond electrical pulses and an external electrooptic sampling technique are used to obtain the time-domain propagation data. From the Fourier transforms of the time-domain data both the attenuation and the phase information as a function of frequency are extracted. The dispersion and the attenuation characteristics are investigated for both coplanar waveguide and coplanar strip transmission lines. The investigation is carried out on both semiinsulating semiconductor and dielectric substrate materials. No observable losses caused by the semiconductor material are indicated     

低温下手性糖类的太赫兹吸收光谱和手性光谱

糖类是典型的手性物质,其在太赫兹波段的手性光谱尚未得到充分研究。本文研究了乳糖、半乳糖、葡萄糖3种糖类在低温和常温下的折射率和吸收谱,并通过太赫兹时域偏振光谱检测,获得了这些样品的手性光谱。实验结果显示,糖类吸收会随着温度降低而减弱,低温下有利于获得样品的手性特征;在80 K温度下,葡萄糖在1.3~1.5 THz频段表现出很强的圆二色性(CD),在1.39 THz处CD谱峰值达到44.97%;在1.6~1.8 THz频段内,3种糖类都具有特定的手性特征峰,CD值均超过20%。研究结果对进一步认识手性生化样品在太赫兹波段的手性光谱及其内在机制具有重要参考价值。     

Dependence of conduction current in polythene on specimen thickness

The quasisteady-conduction-current density in polythene film at room temperature has been measured with the applied stress varying between about 0.1 MV/cm and 1.2 MV/cm and with film thicknesses between 25 ?m and 200 ?m. The current density at constant applied stress was found to be independent of the specimen thickness. It is also shown that the conductivity of polythene film can be greatly increased, and its electric strength appreciably reduced, by an oxidation treatment that produces carbonyl and nitrogroups in the molecular chains.     

沙尘暴对太赫兹波传播的影响

为研究太赫兹波在沙尘暴中的传播特性,应用Mie散射理论研究了太赫兹波段沙尘粒子的散射特性,得到沙尘粒子的散射效率因子、消光效率因子和吸收效率因子随粒径、太赫兹波长的变化关系。基于沙尘粒子尺寸的对数正态分布,数值计算了沙尘暴的太赫兹衰减。研究结果表明,沙尘的衰减随能见度的增大而减小,波长越小,沙尘暴引起的太赫兹波衰减越大;波长为40 μm时,沙尘暴对太赫兹波传播影响最大,浮尘对太赫兹波传播影响最小。低能见度沙尘暴对太赫兹波传播影响明显。     

玻璃纤维复合材料缺陷的太赫兹光谱检测实验分析

复合材料压力容器缺陷无损检测成为目前的研究热点。基于太赫兹技术（透射式 THz-TDS 系统和BWO成像系统）在室温下对玻璃纤维样品进行无损检测,获得了分层缺陷样品在0.2～1.8 THz范围内的折射率谱和吸收谱、夹杂金属和热损伤缺陷样品的成像数据。结果表明,太赫兹技术对玻璃纤维分层缺陷、夹杂金属和热损伤缺陷检测效果明显,适用于局部检测对整体性能的判断。