太赫兹科学与技术

人类对太赫兹(THz)辐射的认识可以追溯到20世纪初天体物理学家开始进行红外天文学的研究,远处天体上的简单分子如一氧化碳等的振动和转动特征光谱会在太赫兹波段上留下印迹.时至今日,红外天文学仍是天体物理研究的一个热点领域.但是直到过去的二十年时间里,伴随着更大功率的太赫兹辐射源和更加灵敏的探测装置的发展,太赫兹研究才得以快速的发展.     

太赫兹波调控技术：驾驭太赫兹之光

随着研究的不断深入,太赫兹科学与技术在多个基础研究及工程应用领域的重要地位日益凸显。辐射源、传输与控制及探测感知是太赫兹技术进一步发展需要继续探索的三个重要方面。太赫兹波应用的共同基础是使其与物质发生有效的相互作用以携带信息、传输能量等,实现这些过程往往需要对太赫兹信号的振幅、相位、频率、偏振、波前等电磁特性及自旋角动量、轨道角动量等光子特性在时空维度上进行调控。上述调控可以直接在辐射源处进行,也可以在传输过程中引入额外的功能器件。文章介绍了几种最具代表性的、基于源及器件的太赫兹波调控技术,并总结其基本原理、发展历程及最新进展。太赫兹波调控技术的发展将为太赫兹波的进一步应用奠定坚实的基础。     

太赫兹微测辐射热计的设计、仿真与制备

为提高太赫兹(THz)微测辐射热计的探测灵敏度,优化设计探测单元的微桥结构:增加10nm的镍铬(NiCr)金属薄膜用作THz辐射吸收层并增大探测单元面积.采用IntelliSuite软件建立不同单元尺寸、不同桥腿宽度的微桥结构的有限元分析模型,进行力学与热学仿真.力学仿真表明,增大探测单元面积,形变明显增加;增大桥腿宽度可以小幅改善形变.热学仿真表明,通过增大探测单元面积或减小桥腿宽度可以提升桥面温升.制备出基于不同探测单元结构的THz微测辐射热计焦平面阵列,探测单元的实际形变情况与仿真结果基本相符.单元面积75?m×75?m,桥腿宽度1.3?m的微桥结构具有较好的力学与热学性能,适合用作THz微测辐射热计的探测单元结构.     

超快太赫兹自旋电子学若干关键科学问题的思考

超快太赫兹自旋电子学研究的是太赫兹光子与磁振子的相互作用的科学问题,尤其是太赫兹光子与反铁磁磁振子间的相互作用的科学和技术问题。文章针对该领域的研究现状和面临的挑战,从自旋电子学太赫兹辐射源、太赫兹脉冲对反铁磁磁振子的激发及调控,以及太赫兹光子与磁振子的强耦合三个方面进行综述与思考,希望能对超快太赫兹自旋电子学的研究起到抛砖引玉的作用。     

光谱烧孔介质中位相编码的时域全息

光谱烧孔(spectral holeburning)可望使存储密度比光盘提高10~3倍以上而引起各国科学家的重视。它在原来三维空间存贮基础上增加了频率维,突破了三维空间光斑衍射的极限对存储密度的限制。永久光谱烧孔(penistent holeburning)介质中的全息光存储已被证明在超快速光学数据处理和存储领域的光明应用前景。 对于非均匀展宽的吸收光谱烧孔介质,光学信息的存入有两种方法:一种是用单一波长激光进行烧孔写入信息,改变激光波长可以写入多个信息;另一种是全息方式存储,多个信息一次被写入非均匀线宽内。存贮密度取决于非均匀线宽与均匀线宽之比。时域光存贮基于三脉冲光子回波(three-pulse photon echo),即按照与参考光的一定时间延迟关系将携带二进制信息数据脉冲串写入介质,读出过程则是分析相对于读出光同一延迟时刻的光子回波信号的瞬态特性。     

太赫兹光热电探测方法研究进展

太赫兹波拥有独特的物理特性,在安检成像、通信、无损检测和生物医学等许多领域具有广阔的应用前景.在太赫兹探测系统中,太赫兹探测器是直接影响系统性能的核心器件之一.目前,室温太赫兹探测方法主要分为电子学方法和光热探测方法两类.受制于器件的截止频率,电子学方法难以应用于中高频段太赫兹探测;受制于器件较慢的响应速度,光热效应方法通常难以应用于高速太赫兹探测.光热电探测方法是最近十几年发展的光探测方法, 2014年之后成为太赫兹探测领域的研究热点.相较于电子学方法和传统的光热探测方法,光热电探测方法具有大带宽、零偏压、高速、室温工作等明显优势,非常具有竞争力.本文综述了太赫兹光热电探测技术的最新研究进展,阐述了光热电效应的基本原理和光热电太赫兹探测器的主要性能参数,在此基础上分析总结了太赫兹光热电探测器主要实现方法和研究现状,并对其未来发展方向进行了展望.     

超快太赫兹表面等离子波与非谐振传输场的耦合

亚波长周期孔阵列的太赫兹脉冲透射光谱与孔宽度有关. 在最佳孔宽条件下, 绝对能量透过率达到最大值. 随着孔宽度的增加, 光谱的线宽增加, 峰值频率发生蓝移. 该现象是电磁场通过孔阵列时, 表面等离子波谐振激发与非谐振传输场之间互相耦合的结果. 采用Fano模型对其进行了理论拟合, 并实验测量了随入射角度变化的等离子波传输谱带结构.     

太赫兹频段双层石墨烯纳米带可增强光电导率

石墨烯具有丰富的物理内涵和重要的应用价值,近年来已成为材料科学和凝聚态物理等领域的研究热点之一.澳大利亚Wollongong大学张潮研究组与中国科学院上海     

用共振多光子电离光谱技术测定钠分子的有关动力学参数

原子分子的共振多光子电离光谱是超灵敏激光光谱的一种.目前,它已广泛应用于研究分子的激发态、三重态和高里德堡态,包括研究这些态的光电离截面、能级结构、寿命、弛豫以及化学反应等.而激发态电离截面是研究原子分子结构的一个很重要的动力学参数.本文对钠分子采用等频双光子共振三光子电离法首次测得了钠分于2~1Πg态有关振转能级的光电离截面,同时也得到了其它的一些动力学参数.1 实验方法     

Ar-N2分子振转光谱和势能函数的理论研究

Ar-N_2体系的研究对大气化学有重要意义.近年来,通过分子束散射实验、相互作用维里系数与温度的关系、气体的输运性质、场致效应和弛豫现象等的计算值与观测值的比较确定了该体系的势能函数 CPV,BTT,M3SV.MMSV和MMSV’.这些势能函数通常由Morse函数,3次样条函数和 van der Waals函数组成的分段函数来表达,它们分别具有不同的势能参数值.最近,Jager和Gerry在分子束装置中利用微波 Fourier变换光谱技术观测到了Ar-N_2,Ar-~(14)N~(15)N和Ar-~(15)N_2微波谱,得到了这些体系的振转跃迁频率.这些观测数据为研究势能面的径向关系提供了直接的依据.由于Ar-N_2分子的van der Waals键的离解能较低(77.96.cm~(-1)),其振动态在基频即出现大振幅振动,相应的波函数分布在势能面上很宽的区域内,使得传统的分子光谱分析方法失效,也使得求解 van der Waals分子的核运动Schr(?)dinger方程比稳定分子更加困难.本文应用离散变量表示方法 DVR分别对这5个势能函数计算出Ar-N_2体系的振转能级和波函数,通过振转激发态的跃迁频率的计算值与观测值的比较考察这5个势能函数的质量,从中选出最优的势能函数,并预测了一些目前尚未观测到的谱带频率,振转跃迁的谱线强度和同位素位移效应.     

1.03 μm波长激发电光晶体的太赫兹响应

理论研究了掺镱飞秒激光激发110晶向的电光晶体太赫兹(THz)的产生与探测,根据相位匹配条件,在声子共振频率以下分别计算了厚度为0.1 mm的CdTe,GaP,GaAs三种晶体的光学色散与THz波段色散关系、THz波段的吸收频谱、相干长度以及THz发射与探测频谱.结果表明,CdTe的THz最佳发射频率为2.65 THz,而对于GaAs和GaP,THz最佳发射频率分别达到6.56和4.77 THz.通过计算晶体的THz响应函数,发现对于0.1 mm厚的CdTe晶体,其截止频率仅为3.45THz,而同样厚度GaP和GaAs截止频率则拓展到6.37和7.15 THz.通过引入THz吸收系数计算上述材料在THz电光采样中的灵敏度,发现当晶体厚度小于1.58 mm时,CdTe的THz采样灵敏度高于GaP和GaAs.当晶体厚度进一步增大时,GaAs的THz采样灵敏度超过CdTe和GaP.     

飞秒相干反斯托克斯Raman光谱技术与细胞识别的Raman光谱显微探针技术

飞秒相干反斯托克斯Raman光谱技术高分辨率飞秒相干反斯托克斯Raman光谱(CARS)的研究涉及非线性光学、激光光谱学、超快激光技术、量子光学、原子分子物理学及计算机优化控制理论与技术等学科领域。基于超快脉冲激光的整形、放大和压缩技术,利用飞秒整形激光脉冲与特定量子体系相互作用,产生非线性光学相干反斯托克斯Raman光谱(CARS),实现特定Raman模的选择相干抑制或增强,提高了Ra-man光谱的灵敏度、选择性、频谱分辨率和空间分辨率等,可望为材料科学和生物医药等领域的研究提供全新的技术和方法。Raman光谱技术是研究材料、生物医药…     

超分子体系中的分子识别研究——Ⅶ.竞争包结法研究α-环糊精对氨基酸生物分子的手性识别

环糊精(CD)对于客体分子的包结作为一种酶-底物相互作用的模型而受到广泛的研究,但研究的对象大多为烃、脂肪醇、脂肪二醇、苯酚、环己烷衍生物、萘衍生物以及其他芳香化合物,而对于氨基酸分子的识别研究较少.我们曾报道环糊精双核铜配合物对于几种芳香氨基酸生物分子的识别能力,从主体环糊精与双核铜形成配合物的构型变化、多点识别和诱导楔合作用讨论了对于形成超分子体系的贡献.近来我们报道了单-[6-(1-吡啶)-6-脱氧]-α和γ-环糊精对非芳香氨基酸分子识别的热力学性质,给出了有意义的结果.然而由于环糊     

基于正交基光谱的大数据新型快速比对算法的构建

基于光谱分析快速、简便的优点,利用光谱标准谱库与未知样品光谱图进行比对,是未知样品定性分析的重要手段.随着"大数据时代"的来临,互联网的发展使得全球各存储端的光谱数据库都可以调用,数据量显著增加,这给需要进行逐一比对的传统方法的分析速度带来了巨大压力.本文就此问题进行探讨,提出一种基于正交基光谱的新型比对算法,用于大数据背景下的光谱快速比对.该方法基于不同结构化合物具有典型特征光谱这一基本化学规律,通过提取各类化合物有代表性的特征光谱信息构建正交基光谱,称为基谱,利用基谱与未知样品谱图进行比对,参照提出的判断原则综合比较以得到正确的比对结果.构建的基谱具有明确的化学意义,表征了其对应光谱的特征光谱信息.同时,由于基谱具有正交性,原始光谱的特征不能在其对应的基谱中完全体现出来,但可以利用基谱进行构建,不丢失有用信息.以标准拉曼光谱数据库Aldrich Raman库为例进行方法验证,完成了5种烃类化合物的比对,正判率为93.94%.本方法可以进一步应用于其他结构(如不同取代基数目)化合物的细分比对,并有望推广到其他光谱数据库.     

超分子体系中的分子识别研究Ⅲ——环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的手性识别

分子受体(主体)选择性键合底物(客体)形成超分子种类的研究在化学和生物化学等领域是当今一个研究热点.天然和化学修饰环糊精具有相当的刚性和良好的疏水空腔,可以作为分子受体识别各种有机和无机以及生物分子形成主-客体或超分子配合物,而且可以作为一种优良的酶底物相互作用的模型被应用于科学和技术的几个领域.我们近来对天然环糊精和各种环糊精衍生物与萘衍生物分子识别的热力学性质研究,有助于我们加深理解受体-底物之间的几种弱相互作用力,包括范德华力、氢键和疏水相互作用力,得到了有意义的结果.在目前的研究中,我们报道环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的分子手性识别.这样的一种     

声致发光中线状光谱的参数相关性

基于一系列声致发光光谱的测量, 研究了单泡声致发光和多泡声致发光的线状光谱的参数相关性, 探索声致发光中线状光谱的一般变化规律. 实验发现, 单泡声致发光的OH*谱线、Na谱线以及稀有气体谱线等的相对强度均与声场的驱动声压以及溶液中的稀有气体含量相关. 驱动声压越小, 溶液中的稀有气体含量越高, 线状光谱在总光谱中所占比例就越大. 多泡声致发光中的线状光谱的参数相关性与单泡声致发光中的相同. 声致发光中出现线状光谱可能是泡内温度较低的体现. 单泡和多泡声致发光的光谱具有相同的特征, 以往实验中所表现出来的区别可能来自于两者泡内温度的不同.     

凝聚相分子振动量子拍的20fs时间分辨光谱实时观测

冲击相干振动光谱是以脉冲宽度比分子振动周期短的飞秒激光作为激发光源的一种光谱学实验方法,通常是以泵浦-探测实验装置为基础,可以实时观测与电子基态或激发态相耦合的分子振动动力学过程.中国科学院物理研究所以小于20fs,550～700nm光谱范围内可调谐的非共线光参量放大器为光源,建立了一套冲击相干振动光谱学实验装置,并以染料分子Oxazine720的甲醇溶液为样品进行了实验测试.实验中样品被泵浦光脉冲激发后在电子基态形成振动波包,并观测到振动波包在电子势能曲面上运动所形成的振动量子拍信号.经分析有两个分子振动模式被激发,其振动频率分别为592与678cm-1,所对应的振动周期分别为56.3与49.2fs.     

一种测量界面分子基团取向的新方法

在界面和频振动光谱的研究中, 现有测量分子基团界面取向角的方法是通过测量基团和频振动光谱峰在不同的偏振方向上的强度比来实现的. 由于在一些偏振方向上和频信号峰强度较小, 测量的相对误差很大, 从而往往无法得到准确的取向参数值, 因此计算出来的取向角精度很差. 通过分析界面和频光谱强度与取向角的基本关系, 提出使用和频光谱强度偏振零位偏角的方法来测量化学基团的界面取向参数. 准确测量零位偏角的方法简单而且容易实现, 从而可以大大提高界面取向的测量精度. 测量出在空气/甲醇界面上甲基的取向角为(31.8 ± 2.4)°, 精确度较文献中报道的小于42°大大提高. 这一方法为界面化学键或化学基团的取向研究提供了可靠的实验分析手段.     

三聚体分子内单体向二聚体能量转移的超快光谱研究取得进展

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室翁羽翔研究组和山东大学李希友小组合作,应用飞秒时间分辨瞬态吸收光谱研究了苝二酰亚胺三聚体分子中单体向二聚体的传能过程.由于单体和二聚体分子的