太赫兹物理与应用专题·编者按

正太赫兹(Terahertz, THz)波通常是指频率在100 GHz–10 THz,相应波长在3 mm–30μm范围内,介于毫米波与红外光之间的电磁波. THz技术在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息科学以及国防安全等方面具有广泛的应用前景,被誉为改变未来世界的十大技术之一.《中国科学:物理学力学天文学》特别组织"太赫兹物理与应用专题",邀请了国内外活跃在THz物理和应用研究领域的科研工作者撰写了10篇相关论文,其中3篇为综述类论文,反映了国内外关于THz相关研究的现状以及最新研究进展;其他7篇为研究论文,涵盖了THz物理、材料、辐射源、探测以及成像等研究领域.     

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.     

太赫兹技术及其应用

太赫兹(Terahertz,THz)通常是指频率在0.1～10THz(波长为0.03～3mm)的电磁波。太赫兹技术被认为是国际电子和信息领域的重大科学问题,是连接宏观电子学和微观波长学的桥梁,在电子、信息、生命、国防、航天等方面蕴藏着巨大的应用前景,目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。介绍了太赫兹波的主要特征、主要研究内容及其应用前景。     

太赫兹技术及其应用

太赫兹（Terahertz,THz）通常是指频率在0.1～10 THz（波长为0.03～3 mm）的电磁波。太赫兹技术被认为是国际电子和信息领域的重大科学问题,是连接宏观电子学和微观波长学的桥梁,在电子、信息、生命、国防、航天等方面蕴藏着巨大的应用前景,目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。介绍了太赫兹波的主要特征、主要研究内容及其应用前景。     

砷化镓太赫兹光导天线的制备及性能研究

用半绝缘砷化镓(SI-GaAs)材料制备了太赫兹(THz)光导天线和天线阵列,其电极间隙分别为50μm、100μm、150μm。用THz时域光谱系统(THz-Time domain system)测试和比较了三种不同电极间隙天线的THz辐射性能,研究了电极间隙的大小对光导天线辐射THz性能影响。实验表明相同衬底材料、几何结构和制作工艺的天线,辐射出的THz电磁波的频谱基本相同,与电极间隙无关;光导天线THz电磁波远场辐射强度与外加偏置电场和天线的有效辐射面积成正比。光导天线阵列在相同的偏置电场以及相同激光光源的情况下比常规光导天线有更强的辐射THz波的能力。     

Terahertz磁波参量振荡器辐射THz波受温度的影响

从THz波增益、吸收系数、折射率几方面,讨论了THz电磁波参量振荡器辐射THz波受温度的影响,从而得到THz波增益随温度的升高而降低主要原因,是由于LiNbO3晶体中A1对称光学软模的拉曼活性降低所导致,这为今后太赫兹(THz)波参量振荡器的优化设计提供了参考价值.     

基于VO2电阻膜的太赫兹波段可调超宽带超材料吸波体设计

利用VO_2(二氧化钒)薄膜的电导率可调特性设计了一种太赫兹波段可调超宽带超材料吸波体.首先,模拟计算了不同温度时吸波体的吸收率,结果表明,当温度为45℃时吸波体在2.854 THz～8.938 THz的吸收率保持在90%以上,实现了电磁波的超宽带吸收;当温度从45℃逐渐增加到80℃时,吸波体在2.854 THz～8.938 THz的吸收率逐渐下降,实现了吸收率可调的功能;其次,通过对表面电流分布进行监控与分析,阐述了其电磁波宽带吸收及吸收率可调的机理;最后,模拟分析了温度为45℃时,入射波极化状态和入射角度对吸波体吸收特性的影响.结果表明,由于结构单元的旋转对称性,吸波体的吸收特性具有极化不敏感的特点;随着电磁波入射角度的增大,其吸收率逐渐降低.     

半绝缘GaAs光电导天线辐射THz电磁波展宽特性分析

介绍了自洽式多粒子蒙特卡罗方法模拟半绝缘GaAs光电导天线辐射THz电磁时域波形。模型中采用光能、脉宽可调飞秒激光器作为触发光源,模拟的THz电磁波形与实验基本吻合。通过载流子在光电导体内的动态输运特性,分析了辐射THz电磁波场比触发光脉冲展宽的物理机制在于:光生载流子在外电场作用下,从初始状态到速度达到稳态要经历一个动量和能量弛豫过程,而正是由于载流子动量和能量的弛豫过程导致光电导天线辐射的太赫兹波展宽。高光能、低偏置电场下,空间电荷电场是造成光电导天线辐射的THz波呈现双极性的主要原因。     

THz技术进展

THz(10^12Hz)技术是二十世纪八十年代末发展起来的一种新技术，它在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域以及生物领域中有相当重要的应用前景。本文从总体上介绍了THz技术的基本研究情况，包括它的产生、探测机理研究，THz光谱应用研究及THz成像研究，并介绍了目前THz技术研究中亟待解决的一些问题。     

太赫兹频段高折射率超材料的设计和特性研究

设计了太赫兹频段的高折射率超材料,该结构是通过在介质板的两侧对称的蚀刻"双开口环"型金属贴片而构成.研究结果表明:当电磁波垂直入射的情况下,谐振频率(0.52THz)附近的折射率高达200,且在0.51THz到2THz频段范围内,折射率均大于70.该超材料具有结构简单、便于加工,宽带等优点,在太赫兹波通信、成像等方面有广阔的应用前景.     

太赫兹技术在通信方面的研究进展

随着超快激光技术的发展以及人们对THz波段及脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹技术作为一种新的,快速发展的技术在许多领域备受关注.尤其在安全检测及反恐、医疗诊断及生物技术、物体成像、电子对抗及信息领域等的应用方面,太赫兹技术已经得到了广泛的应用.并显示出了它的广阔的应用前景.着重介绍了与微波技术和红外技术相比,太赫兹技术应用于通信方面的一些独特的优势,以及与通信相关的太赫兹技术的进展情况,还初步地探讨了太赫兹通信技术亟待解决的问题.     

太赫兹技术与在太赫兹波段的超光速研究

首先综述了太赫兹电磁辐射的性质和特点、太赫兹电磁辐射的产生和探测、以及太赫兹技术的应用.文章重点介绍了太赫兹波段的超光速研究进展,这里以介绍英国Strathclyde大学Klaas Wynne等人的若干实验结果为主.     

Recent progress in terahertz science and technology

The relatively new technique of coherent electromagnetic radiation, in the region of 1012 Hz, has potential to detect the nature of low energy processes in physics, chemistry and biomedicine. In this review article, an overview of recent progress of terahertz (THz) science and technology is presented. The development of the THz generation and detection system, the THz radiation applications which include THz time-domain spectroscopy and T-ray imaging, and the future potential of THz wave research are discussed.     

光导开关在UWB和THz技术中的应用

光导开关以其优良的性能在众多领域中有着广阔的应用前景和使用价值.本文重点阐述了光导开关在超宽带技术和太赫兹技术中的应用,并指出目前应用研究中存在的主要问题.     

利用非线性差频效应产生THz辐射波的理论研究

从理论上研究了利用晶体的非线性效应在常温下产生太赫兹辐射波。推导了相位匹配的条件,并提出了相应的实验方案。利用这种方案产生太赫兹辐射波无需苛刻的环境条件,在常温下便可以连续、长时间地工作。     

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。     

基于二维光子晶体的THz频分复用器件

THz通信及检测等应用领域迫切需要THz窄带滤波及频分复用等损耗小可集成的器件,设计了一种基于光子晶体点缺陷和线缺陷的THz频分复用器。该系统是在空气和高阻硅构成的二维正方形结构光子晶体中设置两个线缺陷实现上下载波导功能,同时设置两个间隔的空气点缺陷实现频率选择功能。利用平面波展开法和时域有限差分方法,分析了这种结构的光子晶体缺陷模特征及线缺陷和点缺陷之间的耦合特征,下载波导输出端的频谱表明在0.927THz和1.184THz处有两个窄带输出峰,当改变两个空气点缺陷之间的硅柱半径时,两个窄带峰的中心频率可调。     

THz time-domain spectroscopy of amino acids

The optical characteristics of four kinds of amino acids （tyrosine, arginine, histidine and glutamine） filled with nitrogen at room temperature were studied by THz time-domain spectroscopy （THz-TDS）. Well-resolved absorption and refractive spectrums between 0.I and 2.8 THz were obtained based on the physical model for extracting the optical parameters of materials in THz range. The results not only fill up the spectra gap of amino acids in far-infrared range, supply data for amino acid molecular identification and conformation analysis, but also demonstrate significantly potential to promote the research and application of biological materials in bio-chemical and medical fields by THz-TDS.     

太赫兹科学技术及其应用

近20年来,随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展,太赫兹科学技术表现出了极大的应用潜力.作为一种新型的相干光源,太赫兹辐射在物理化学、信息和生物学等基础研究领域,以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景.文章全面总结了目前太赫兹技术在基础研究领域和民用技术研究领域的应用,以及太赫兹技术在保密通信、反隐身雷达、化学和生物制剂的探测等领域的重要应用前景.