太赫兹技术的研究和展望

太赫兹(THz)波是指频率在0.1—10THz(波长为3 000—30μm)范围内的电磁波,它在电磁波谱中占有很特殊的位置,处于电子学向光子学的过渡区域.THz辐射具有很多优越的特性,具有重要的学术价值和应用价值.本文介绍了太赫兹探测技术的研究与发展概况,简要阐述了太赫兹波的探测方法、主要特点、重要的学术应用价值和主要产品,并综述了国内外在太赫兹波领域的研究进展,对未来的发展与应用进行了乐观的展望.     

石墨烯微米带THz SPPs的激发及场分布特性研究

表面等离激元可以突破衍射极限,具有强局域性,在传感、起偏、吸收、分束等方面具有广泛的应用前景.目前,太赫兹波段的表面等离激元器件研究大多是在远场光谱方面,其近场特性的研究有待更进一步深入.本文基于石墨烯微米带结构,研究了太赫兹表面等离激元的激发及场分布特性.本文设计了能够通过太赫兹波激发表面等离激元的石墨烯微米带结构,数值计算了其表面等离激元的场分布,并制备了石墨烯微米带器件,利用透射式太赫兹近场显微镜激发并测量了石墨烯微米带的表面等离激元,对共振失谐对等离激元场分布的影响进行了探究.研究结果为石墨烯表面等离激元器件在太赫兹生物传感、安全检测、高数据率通信等方面的应用提供了相关指导.     

堆叠多层石墨烯的太赫兹电导研究

单层石墨烯具有可调的太赫兹电导,有望应用于制作新型太赫兹器件,然而这种调谐的变化范围有限,通过多层石墨烯的堆叠可以拓展石墨烯太赫兹器件的性能上限。本文通过太赫兹时域光谱研究了石英衬底上不同层数堆叠的石墨烯的太赫兹透过特性,并使用Drude模型以及菲涅尔定律对实验结果进行了理论模拟。实验数据与理论结果的匹配表明:随机堆叠的多层石墨烯在太赫兹波段可以看作没有电子耦合的多个单层石墨烯,其太赫兹电导具有更宽的调谐范围,同时化学掺杂可以进一步提高材料的载流子浓度,从而获得更高的太赫兹电导。     

氮化镓基IMPATT二极管电学特性模拟研究

基于宽禁带半导体氮化镓材料,设计了传统的高-低结构的碰撞电离雪崩渡越时间(IMPATT)二极管,并对其直流特性和高频特性进行了模拟研究。模拟结果显示该IMPATT二极管工作频率达到300GHz,输出功率为1.94W,直流-射频转换效率达到17.2%,结果表明氮化镓材料在太赫兹器件制造领域应用潜力巨大。     

高温超导约瑟夫森太赫兹辐射源

本文回顾了约瑟夫森结阵太赫兹信号源的研究背景和本征约瑟夫森结的发展,详细介绍了高温超导单晶Bi2Sr2CaCu2O8本征约瑟夫森结阵太赫兹源的样品制备、工作原理、自热现象及频率可调性等特性.这种太赫兹辐射源最高工作频率和可调频率范围已分别超过1THz和500GHz,在空间通信、波谱成像、环境监测等方面将会有重要应用.     

太赫兹量子级联激光器制备及其成像应用

太赫兹辐射源是太赫兹频段应用的关键器件．全固态相干太赫兹量子级联激光器作为一种重要的太赫兹辐射源具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点．介绍了太赫兹量子级联激光器在激射频率和最高工作温度方面的研究进展,重点讨论了太赫兹量子级联激光器的制作工艺和测试方法．最后简单概述了太赫兹量子级联激光器在成像领域的应用．     

太赫兹Smith-Purcell相干辐射源的研究

太赫兹辐射源的研究是太赫兹技术发展的重要环节.本文提出了一种基于Smith-Purcell效应的太赫兹相干辐射源物理模型,利用粒子模拟软件对该器件的工作特性进行模拟,给出了器件的工作频率为211 GHz、输出脉冲功率为80 Kw、效率为1.27%等参量.     

可调谐石墨烯光电子器件（英文）

凭借着良好的光电、力学和热学性能,石墨烯是目前凝聚态物理领域一个重要的研究热点.而且由于石墨烯的色散关系在狄拉克点附近呈现线性特性,石墨烯的光电特性可以通过外加电场、磁场和温度来加以调节.因此,石墨烯是研究可调谐器件的良好平台.基于石墨烯的电导率随费米能级有明显改变的特点,在分析石墨烯器件的调制机制的基础上,对石墨烯可调谐器件在太赫兹、中红外和近红外的应用发展进行了综述研究.     

可调谐石墨烯光电子器件

凭借着良好的光电、力学和热学性能,石墨烯是目前凝聚态物理领域一个重要的研究热点.而且由于石墨烯的色散关系在狄拉克点附近呈现线性特性,石墨烯的光电特性可以通过外加电场、磁场和温度来加以调节.因此,石墨烯是研究可调谐器件的良好平台.基于石墨烯的电导率随费米能级有明显改变的特点,在分析石墨烯器件的调制机制的基础上,对石墨烯可调谐器件在太赫兹、中红外和近红外的应用发展进行了综述研究.     

利用飞秒激光脉冲整形进行太赫兹波整形

产生太赫兹的一般方法是用超短激光脉冲照射光导天线或半导体材料,产生的太赫兹脉冲形状一般比较复杂.如果要将太赫兹辐射应用于通讯,或者分子反应动力学过程的相关控制,需要能够产生任意形状的太赫兹脉冲.介绍了利用激光脉冲整形对太赫兹波整形的原理和实验研究进展,通过对激发太赫兹辐射的飞秒激光脉冲整形,可以实现对太赫兹波形的控制.控制激励脉冲序列的脉冲间隔可以改变太赫兹脉冲系列的相位关系,调制激光脉冲强度可以产生相应的二进制太赫兹脉冲编码,用周期可变的相位掩模板对飞秒激光脉冲整形实现可调谐窄带太赫兹辐射.     

润滑油的太赫兹波段光学与光谱特性研究

采用太赫兹时域光谱（THz-TDs）测试和近红外光谱测试相结合的方法,研究了不同种类的润滑油在0.3-1.6THz波段的光学性能和光谱特性。实验结果得到润滑油在太赫兹波段比在近红外波段更具有吸收活性,不同种类的润滑油可以根据其在太赫兹波段的特征谱进行鉴别。太赫兹时域光谱技术在润滑油分析领域的应用表明,该技术将在石油领域产生重大影响。     

太赫兹快速成像技术研究进展

太赫兹(terahertz,THz)成像技术有广泛的应用前景,但受现有太赫兹辐射源限制,传统太赫兹成像技术采用点扫描探测方式,导致图像采集时间过长,限制了该技术的进一步发展和应用.为了提高太赫兹成像速度,近几年提出了许多技术方案.简要介绍了传统的点扫描太赫兹成像技术,分析了影响太赫兹成像速度的原因,综述了包括快速扫描成像、太赫兹单像素成像、太赫兹波电光调制二维成像、二维太赫兹波探测器阵列(太赫兹相机)直接成像等太赫兹成像技术及其优缺点.     

鄂尔多斯盆地延长组矿物成分的太赫兹光谱研究

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组碎屑岩沉积是典型低渗透砂岩储集层,岩石成分的准确鉴定和定量分析是储层评价的基础.应用太赫兹时域光谱技术研究了延长组常见单矿物在0.1–1.7 THz的光谱特征及光学参数特征,在傅里叶变换的基础上表明不同单矿物在太赫兹波段的光谱特征差异显著.利用太赫兹光谱技术可以分析岩石中单矿物的含量.在此基础上,分析了延长组沉积岩太赫兹光谱特征及其与主要组分光谱特征间的关系,研究表明沉积岩太赫兹光谱与主要组分光谱之间符合Beer-Lambert定律,沉积岩的太赫兹光谱特征是其各个组分光谱叠合的综合效应.因此,研究者提出了线性回归方法,利用岩石组分及沉积岩的太赫兹光谱预测了延长组岩石组分含量.     

太赫兹应用技术

太赫兹频段是光子技术与电子技术、宏观状态与微观状态之间的过渡区域,表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能.THz波频率很高,因而其空间分辨率很高;THz脉冲很短,因而THz辐射又具有很高的时间分辨率.THz时域光谱技术和THz成像技术就构成了THz应用的两个主要关键技术.     

金属刻槽太赫兹波导传输特性分析

波导型人工结构可用于实现太赫兹生物传感器——一种重要的太赫兹功能器件。太赫兹波导在太赫兹技术及应用领域具有重要意义。利用CST电磁仿真软件建模和分析了太赫兹波在空心金属矩形波导中的传输特性,比较了在空心金属波导内部进行刻槽和在空芯部分加载介质时不同入射频率的太赫兹波的S21参数,与太赫兹光谱实验结果进行了比较、分析和验证。     

基于太赫兹时域光谱技术的地沟油检测与识别

油脂大分子的振动和转动频率均处在太赫兹波段,与太赫兹波相互作用可产生共振反应,因此太赫兹时域光谱技术（THz TDS）可以快速灵敏地实现正规油和地沟油的检测与识别。通过对正规油（全新采购）、类地沟油（煎炸处理）和地沟油（回收处理）在0.3~1.6 THz波段的时域和频域光谱进行对比,并分析其延迟时间、折射率、吸收系数和吸收峰等光学参数的差异,提取了地沟油的太赫兹光谱的特征信息,为地沟油的检测与识别提供了实验依据和有效方法。结果表明,利用光谱特征信息和地沟油特有官能团信息,太赫兹时域光谱技术可有效区分正规油与地沟油。     

光整流产生泰赫兹辐射的原理及研究进展

泰赫兹辐射是电磁波谱中很窄的一部分，随着飞秒激光技术的成熟和自由电子激光器的发展，对产生泰赫兹辐射的辐射源以及泰赫兹波的性质的研究越来越深入．本文着重介绍近几年发展起来的几种用非线性光学方法产生泰赫兹辐射的基本原理．     

全光纤耦合异步光学采样THz-TDS系统

针对传统THz-TDS系统利用机械步进延迟线进行采样扫描的方式获取太赫兹时域谱使得检测信号速度慢等缺点,设计了全光纤耦合快速异步光学扫描THz-TDS系统,该系统利用以锁相环(PLL)和直接频率合成器(DDS)为核心的电子系统精确控制两台飞秒激光器重复频率,使之有较小的固定频差,使两台飞秒激光器的脉冲之间产生周期性呈线性增长的相位延迟,实现了一个脉冲对另一个脉冲的毫秒级快速扫描. 结果表明,该系统对太赫兹脉冲的扫描时间缩短为2ms,实际采样频率可达到1GHz. 有效解决了以往太赫兹光谱检测速度慢、便携性差等问题,从而进一步拓展了太赫兹光谱测量的应用范围.      

双控石墨烯超材料太赫兹调制器的双频反射特性（英文）

设计了双控太赫兹超材料调制器,并研究了其在太赫兹频段内两个频率处的反射特性。该调制器由开口环谐振器及其底部的"三明治"结构组成,"三明治"结构从上到下依次为石墨烯层、聚酰亚胺层和金层,其中开口谐振器的开口处填充硅。该结构可以通过电、光两种方式调制,即分别对调制器中的石墨烯施加低电压,对硅施加弱光照。结果显示:反射谱在频率0.806THz、1.869THz出现两个共振反射谷,在满足低激励的条件下,增强两种激励均能改变共振反射谷的反射强度。两个共振处的反射调制方向表现出先反向、后同向的特点,其临界点对应的石墨烯费米能级和硅电导率分别为13.489meV、970.54S/m。文章对同时施加两种激励的情况进行了详细研究,结果表明:同时施加两种激励的调制特性并非单独施加激励的数值叠加,电、光两种调制方式相互独立。在调制过程中,调制器出现的最大调制深度为99.74%。     

合肥光源储存环相干太赫兹辐射的短束团运行模式设计（英文）

相干太赫兹辐射已成为很多基础科学和应用科学研究的有力工具.给出了合肥光源改造工程电子储存环(HLS-Ⅱ)相干太赫兹运行模式的详细模拟过程.低动量紧缩因子模式和谐波腔模式是这里用于产生相干太赫兹的两种方法.还讨论了短束团运行模式中存在的问题,包括不稳定性引起的流强阈值、辐射功率以及纵向相空间的阻尼过程等.