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太赫茲技術簡介

  太赫茲是一種新的、有很多獨特優點的輻射源;太赫茲技術是一個非常重要的交叉前沿領域,給技術創新、國民經濟發展和國家安全提供了一個非常誘人的機遇。它之所以能夠引起人們廣泛的關注、有如此之多的應用,首先是因為物質的太赫茲光譜(包括透射譜和反射譜)包含著非常豐富的物理和化學信息,所以研究物質在該波段的光譜對于物質結構的探索具有重要意義;其次是因為太赫茲脈沖光源與傳統光源相比具有很多獨特的性質。

  太赫茲(THz)輻射介于微波和紅外之間,與微波、X射線、核磁共振(NMR)成像相比,太赫茲成像不僅能給出物體的密度信息,而且能給出頻率域的信息,以及在光頻、微波和X射線范圍內所不能給出的材料的轉動、振動信息.太赫茲射線與其他頻段的電磁波相比,它能量低,不會造成對生物樣品的電離損傷,而且太赫茲射線很容易穿過介電材料,因而可以用于產品的安全監測.因此太赫茲成像技術在生物學、工業安全監測等方面有可能帶來新的關鍵性的突破。

  紅外、毫米波與太赫茲都是電磁波譜的一部分。紅外波長范圍從0.75至1000微米,頻率范圍為400至0.3THz;毫米波波長范圍為1~100毫米,頻率為30~300GHz,即0.03~0.3THz;太赫茲,是指頻率在0.1-10THz范圍內的電磁波。它在長波段與毫米波重合,而在短波段與紅外線重合。

  在這三個波段內,電磁波輻射包括相干輻射的產生、傳播和接收構成了內容十分豐富,用途特別廣泛的研究領域。對于紅外、毫米波的研究已經有相當的歷史,并且與航空、航天、遙感、???、預警、監測等一系列關系國計民生的重大技術應用緊密關聯。而由于缺乏有效的產生與檢測方法,國際上對太赫茲的研究僅僅只有20多年的歷史,人們對該波段電磁輻射性質的了解非常有限,以致于該波段被稱為電磁波譜中的太赫茲空隙。

  科學家們已經達成共識:太赫茲是一種新的、有很多獨特優點的輻射源,同時又是一個重要的交叉前沿領域。雖然目前利用太赫茲開發的產品非常有限,但可以預計的是未來各國將會投入龐大資源去開發太赫茲技術。

太赫茲技術的美好前景

  太赫茲的應用前景廣闊,將對多個領域帶來革命性變化。目前,已經投入實驗性使用的是代替X光安全檢測。據中科院上海技術物理研究所陸衛研究員介紹,相對于紅外而言,太赫茲的波長更長,對物體的滲透性也更強。2003年美國哥倫比亞號航天飛機失事后,科學家從美國航天局提供的一塊材料著手,利用太赫茲作了檢測。材料里有90多個缺陷是對安全有害的,他們檢測出了其中的大部分,漏檢率只有百分之幾,超過了其他檢測方法。在美國的一些機場已經使用了太赫茲安全檢測,不僅僅是從形態上,更是從化學組成上準確分辨爆炸物。

  同時,可以“看”到太赫茲的射電望遠鏡也已經在我國使用。沈學礎院士說,肉眼只能觀察到發射450-750納米波長可見光的天體,但這類天體只占總數的很小一部分,其他的天體也是在發光發熱,但卻是肉眼看不到的紅外、太赫茲和毫米波??聿ǘ蔚納淶繽毒翟蚰馨鎦蒲Ъ頤槍鄄獾秸廡┎豢杉?,從而了解更多天體信息。

  太赫茲另一個可能的用處是參與國際核聚變反應堆計劃。沈學礎院士告訴記者,從單個光子看,太赫茲的能量低,只有可見光的數百分之一。但一旦將太赫茲聚集起來,形成一個高能集束,由此放射出的一個脈沖能量可達幾百兆瓦,可以為核聚變反應堆加熱。建造一個高效、穩定、大功率的太赫茲發生器是科學家們研究重點之一。



太赫茲實驗系統及其組件介紹


1. 特征
基于半導體的太赫茲發射源和探測器
光譜范圍0.1-3 THz
亞皮秒的時間分辨率
用電腦控制并完成數據分析

2. 介紹
太赫茲和亞太赫茲的頻段(100GHz-10THz)正好填補現有物理學電磁波譜中毫米波和紅外線波段之間的這一段空白。被科學界戲稱為太赫茲“空隙”的這段光譜是非常有吸引力的,因為已經發現許多潛在的應用,除了我們下面將提到的三大主流研究方向外,在特殊物體成像、生物檢測以及先進通信系統等方面同樣具有十分廣闊的應用前景。

3. 太赫茲時域光譜分析(THz—TDS)

太赫茲時域光譜裝置

典型的THz時域光譜學系統如圖1。用亞皮秒的太赫茲脈沖透過樣品,再經一段對稱的自由空間后由探測器接收,測量由此產生的電磁場強度隨時間的變化(利用傅立葉變換獲得頻域上幅度和相位的變化量),進而得到樣品的信息。這樣的測量方法已經成功地用于氣體和有機材料的測量。

  我們知道,太赫茲(THz)光具有一些獨特的性質。大部分材料及活體組織對于THz光來說都是半透明的并具備帶有其特征的“指紋譜”。此外,由于THz光譜還具有非離子化和輻射能量相對較低等特點,因而它又作為一種非常安全的檢測技術方法而越來越受到重視。

4. 太赫茲成像(THz Imaging)
  太赫茲射線能夠深入到許多有機材料內部而不傷害材料,這個類似于X射線的特長使太赫茲成像非常適合用來測量生物樣品。通過聚焦后的太赫茲光束來對樣品進行光柵掃描,這套工具包就能輕易的實現太赫茲成像。

5. 太赫茲泵浦探針試驗(Pump-Probe THz Experiments)
  而飛秒激光器的引入為研究超快過程的非平衡動態力學提供了手段。在采用光泵浦探針技術的試驗中,樣品一面被超短的強激光脈沖照射,激發出自由電信號,同時一束相對較弱的泵浦信號光從另一面射入,這束THz波改變了樣品的光學性質。與純粹的光學探針技術恰恰相反——研究發現THz泵浦脈沖在半導體的級帶上是非共振的,這就避免了自由電子動力學領域試驗中許多人工的假象干擾,可以放心地直接作為探針應用于光泵浦-光學探針系統。

6. THz光譜應用組件
  標準的成套工具包由:含光電導天線的THz發射和接收器、引導泵浦光路的光學組件、電機延遲線、給THz光路定向的光學鏡片、樣品臺、帶控制器的斬波器和鎖相放大器多部分組成。配置簡單靈活可應需更改,比如,把樣品臺安裝在X-Y電動調整架上即轉換成成像實驗用的裝置了。

7.THz 應用相關元件

太赫茲發射器,太赫茲探測器,光學元器件

  THz發射和接收器均集成了低溫環境下生長的GaAs晶體材料光電導天線(含微波傳輸帶)和一些THz透鏡,分別安置在兩個X-Y調整架當中。電子遷移率和誘捕時間這兩個技術指標分別決定了光電導天線在發射器和接收器上的表現。低溫環境生長的GaAs(LTG-GaAs)是最適于太赫茲應用的材料之一,因為它有極高的電子遷移率、較快的電信號捕獲時間、很高的擊穿電壓以及高抗性。另外,我們在低溫環境生長GaAs的過程中采用了一種特別的技術,使得光電激發壽命獲得了一個遠寬于正常的可控波譜范圍:從低于100fs 一直到100ps!除了光電導天線的幾何設計,像THz透鏡組的參數的準確選擇和低溫GaAs晶體外延法生長過程選擇哪類材料的附著層,這些都是非常關鍵的因素。我們希望在保留最佳的帶寬情況下,通過優化還能輸出最高能量的THz輻射。所克服的技術難點也正是這套工具包的價值所在。

  就拿THz透鏡來說,這套THz發射和探測級所選配的透鏡,用了許多不同材料來滿足如此寬范圍的波長的輻射,一般來說,像絕緣材料和硅質都是比較常用的。鍍金的反射鏡則是保證THz“光束”準直和聚焦的重要元件。



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上海瞬渺光電典型客戶(太赫茲THZ項目)

中國工程物理研究院

北京計量院

北京無線電計量測試研究所

中國科學院半導體研究所

清華大學

北京大學

中科院上海微系統與信息技術研究所

中國科學院上海光學精密機械研究所

上海技術物理所

西南科技大學

四川大學

成都光電所

深圳大學

長春理工大學

上海理工大學

浙江大學

南開大學

北京交通大學

中國科學技術大學

深圳先進技術研究院

東南大學太赫茲研究所

山東科技大學

廈門大學

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    TeraSys 4000 是一套小巧方便的一體化太赫茲系統,可用于太赫茲光譜、測量及物質檢測。作為一體化系統,TeraSys 4000具有一鍵操作、全固定部件、免維護及強大軟件包等優點。
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    TPX楔形窗片  
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    W-TPX-D25.4-T2  

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    TeraIMAGE太赫茲時域成像光譜儀:TeraIMAGE為用戶提供了最實用的THz光譜和成像解決方案。它基于有機晶體,使其能覆蓋到常規逛到天線不能達到的太赫茲頻率。TeraImage包含所有的光學系統、機械控制和電子???,例如延遲線、THz發生器、THz探測器、光學元件、電子學控制以及終端軟件。
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