利用空气来探测脉冲太赫兹波

曾有报道利用飞秒激光脉冲通过空气中的三阶光学非线性过程产生高强度的太赫兹波．理论上，作为太赫兹波产生的逆过程，有可能实现用空气作为介质探测脉冲太赫兹波．作者以空气或激光诱导的空气等离子体作为介质，通过测量太赫兹波场诱导产生的二次谐波信号，首次实现了宽带太赫兹波的时间分辨探测，本文介绍了空气中太赫兹波的非相干和相干探测的实验结果和理论分析．迄今为止，这种具有突破意义的太赫兹波空气电离相干探测法（THz-ABCD）的频谱宽度可以超过8THz，实现动态范围可达30dB。     

太赫兹波发射晶体的亚波长微棱锥增透结构的设计与实验研究

光学整流方法产生太赫兹(THz)辐射常用的非线性发射晶体在THz波段都具有较高的折射率, 使得很大一部分THz波由于晶体表面的菲涅尔反射而无法有效耦合输出. 本文报道了GaP晶体THz波发射器输出表面上亚波长微棱锥增透结构的设计和实验研究. 利用有效介质模型在理论上验证了亚波长光栅结构的增透效果, 并进一步设计了适用于不同频段的增透结构的参数. 实验中, 通过微机械加工手段在GaP晶体输出端面刻划了多种亚波长微棱锥结构, 验证了其增透效果及参数对增透频带的关系. 理论与实验的符合证明该设计思想也可用于其他THz波发射晶体. 关键词： THz波 光学整流 亚波长微棱锥增透结构 微加工     

不同中心波长飞秒脉冲激发InAs表面辐射太赫兹波的机理研究

研究了p型(100)InAs在不同中心波长飞秒激发光(750—850nm)作用下的太赫兹(THz)波辐射特性.这种太赫兹辐射的光谱性质与光学Dember效应密切相关,飞秒脉冲激发下产生的载流子在InAs表面的Dember场内做加速运动,从而辐射出THz电磁波.实验结果表明：不同中心波长的激发光作用下,InAs表面产生的Dember电场、光生载流子浓度、谷间散射效应以及处于不同状态的载流子数目都发生了变化,因而激发出太赫兹波的功率、振幅、频谱分布和有效谱宽是不同的.这项研究将有利于THz时域光谱技术以及实验     

介质/金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性

理论分析了金属、介质/金属结构空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性.金属空芯光纤支持TE11模式,介质/金属空芯光纤的介质膜厚在取最优值时支持HE11模式.对于波长为200μm的太赫兹波,内径为1 mm的两种空芯光纤,TE11和HE11模式的损耗分别为8.4 dB/m和2 dB/m.为优化介质/金属结构宅芯光纤的传输性能,分析了金属和介质材料的光学常数对衰减系数的影响.基于几种已发表的金属在太赫兹波段的光学常数,计算结果表明铝是最好的选择;初步测量结果显示,在各种树脂材料中聚乙烯在THz波段吸收较小,并且其折射率接近介质膜的最优值1.41,为太赫兹波空芯光纤中介质膜材料的理想选择.     

大口径柔性介质金属膜太赫兹波导的制作与特性

基于介质/金属膜结构空芯波导的原理,制作了用于太赫兹波传输的大口径柔性介质/金属膜波导。针对大口径的特点,设计改良了液相镀膜法并制作了具有不同介质膜厚的柔韧波导。对制作波导的介质膜厚和损耗谱等进行了理论分析和实验验证。采用发射频率为2.5 THz的量子级联激光器,对介质/金属膜结构太赫兹空芯波导的传输损耗、弯曲附加损耗以及光斑能量分布特性等进行了实验研究。结果表明,传输损耗及弯曲附加损耗均随介质膜厚的增加而减小,光斑能量则随介质膜厚的增加更加集中于低阶传输模式。     

不同中心波长飞秒脉冲激发InAs表面辐射太赫兹波的机理研究

研究了p型(100)InAs在不同中心波长飞秒激发光(750—850nm)作用下的太赫兹(THz)波辐射特性.这种太赫兹辐射的光谱性质与光学Dember效应密切相关，飞秒脉冲激发下产生的载流子在InAs表面的Dember场内做加速运动，从而辐射出THz电磁波.实验结果表明：不同中心波长的激发光作用下，InAs表面产生的Dember电场、光生载流子浓度、谷间散射效应以及处于不同状态的载流子数目都发生了变化，因而激发出太赫兹波的功率、振幅、频谱分布和有效谱宽是不同的.这项研究将有利于THz时域光谱技术以及实验     

基于光子晶体的双波长太赫兹波功分器研究

太赫兹波技术和光子晶体技术相结合为设计太赫兹波功能器件提供了新的思路和方法.本文提出了一种基于二维光子晶体的双波长太赫兹波功分器.在光子晶体中引入由三个相互平行的单模波导形成的定向耦合型分束器和Y型结构的1×2型分束器,同时,在Y型结构的分支处分别引入两个介质柱.利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射波频率下,耦合波导的耦合长度,并采用时域有限差分法对功分器的传输特性进行了模拟仿真分析.结果表明,在频率f1=1.0THz时,实现了端口1和端口2的能量均分输出;在频率f2=0.893THz时,通过非对称改变两个介质柱的折射率,可以实现端口3和端口4输出能量的自由分配.     

金属网栅法布里珀罗干涉仪测量太赫兹波波长

设计并制作了用于测量波长大于150 μm(频率低于2 THz)的太赫兹波波长的金属网栅法布里珀罗干涉仪(FPI)。采用光电子微纳制造工艺制作了五组周期不大于40 μm,线宽不大于10 μm的有衬底方形金属网栅,利用太赫兹时域光谱技术测量了金属网栅的太赫兹波段光电特性,得到了各组金属网栅在感兴趣频段的反射率和金属网栅FPI的反射精细度,结果表明所制作的金属网栅FPI均可用于测量波长大于150 μm的太赫兹波。实验搭建金属网栅FPI扫描测量了212 μm的太赫兹波波长,与理论结果吻合。研究了金属网栅FPI对太赫兹波偏振方向的依赖性以及对FPI腔镜平行度的要求,结果表明,方形金属网栅FPI对正入射太赫兹波偏振方向不敏感,而对FPI腔镜平行度很敏感。     

基于MgO:SLN晶体的环形腔太赫兹参量振荡器

基于摩尔分数为1%的氧化镁掺杂的近化学计量比铌酸锂晶体,采用环形腔结构的浅表垂直出射方式组成太赫兹波参量振荡器。该振荡器的太赫兹波输出调谐范围为0.99～3.84 THz,频率调谐响应时间为600μs。当抽运能量为150.30 mJ、太赫兹频率为1.59 THz时,太赫兹脉冲的输出能量达到最大值,为16.28μJ,对应的能量转换效率为1.08×10~(-4)。在相同的实验条件下,该环形腔结构太赫兹波参量振荡器输出的最大太赫兹波能量是传统线形腔结构的2.35倍,实现了高能量、快速可调谐的太赫兹波输出。     

基于高斯混合模型的液体电磁参数太赫兹测量方法

针对使用透射式测量系统难以提取太赫兹波段高吸收样品电磁参数的难题,采用反射式时域光谱系统分别测量了极性液体和非极性液体的时域光谱。通过时域有限积分算法对太赫兹波在样品中的传播特性进行建模,并使用高斯混合模型重新构建反射光谱,从噪声中恢复了原始的太赫兹时域信号,解决了反射式系统信号易受干扰导致的电磁参数发生伪波动的问题。实验结果表明,使用恢复信号计算得到的水和液体石蜡在0.4 THz～2 THz波段的折射率和消光系数,与使用原始信号计算得到的结果相比,有效地消除了波动现象,去趋势波动分析（detrended fluctuation analysis, DFA）标度指数较之原始信号计算值分别上升了7%、3%、29%、31%,验证了该方法的有效性和正确性。     

太赫兹波在雾中的多重散射特性

太赫兹(THz)波作为微波和毫米波的延伸,它所提供的通信带宽和容量远大于毫米波。在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数。结合雾滴粒子谱分布,得到了雾媒质的平均体系散射特性,采用蒙特卡罗法得到了平流雾对THz信号的多重散射特性,计算了THz波段信号对平流雾的透过率与反射率,分析了THz波段信号的前向、后向散射特性随散射角的分布。结果表明,低能见度大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视。相关研究结果对THz在大气传输、通信等方面的应用具有重要意义。     

Achromatically injection-seeded terahertz-wave parametric generator

An achromatically injection-seeded terahertz-wave parametric generator was constructed with MgO:LiNbO (3) crystals and a tunable seeder in a stationary dispersion-compensated optical arrangement. Without readjusting the mirrors, we obtained smooth tuning of the terahertz wave over the 0.6-2.6 THz range by adjusting the seeder wavelength alone. We have successfully demonstrated the feasibility of this system for terahertz-wave absorption measurements over a wide frequency range by using low-pressure water vapor.     

Generation of continuously tunable terahertz-wave radiation exploited by stimulated polariton scattering

The characteristics of a coherent tunable terahertz-wave source have been experimentally investigated in detail. By using a difference frequency generation as a result of stimulated Raman scattering by polaritons in MgO:LiNbO₃ crystals, the signal wave was continuously tuned in the range of 1.069–1.075 μm, which corresponded to a terahertz-wave in the wide range from 227 to 104 μm (1.3 to 2.9 THz). The highest output signal pulse energy at the pumping level of 44 mJ/pulse was 1.8 mJ/pulse with 20 mW seeder injection, and the terahertz peak power was 139 mW at the wavelength of 143 μm. This source has the advantages of simple alignment, simplicity of tuning, and compactness that makes the device more attractive.     

Optical rectification in an area with a diameter comparable to or smaller than the center wavelength of terahertz radiation

We report the measurement of optically rectified terahertz (THz) wave power relative to the optical excitation area. Rectified THz wave power reaches its maximum when radius r of the optical excitation area is comparable to the center wavelength of the rectified THz radiation. When r is smaller than the center wavelength of the rectified THz radiation, an r(2) relationship is demonstrated. A model based on optical rectification and Bethe's diffraction theory is used to describe this relationship.     

周期极化铌酸锂THz波产生理论分析

首先采用光参量振荡的机理研究了THz波在准相位匹配媒质周期极化铌酸锂晶体中同向传播与反向传播情况下,以及THz波从晶体表面辐射产生的特性;其次研究了THz波的温度调谐特性、极化反转光栅周期调谐以及改变入射泵浦光与光栅波矢夹角的调谐特性;然后分析了THz波谱宽特性,给出解析表达式,并与实验结果进行了比较,证明理论分析结果与Y.S.Lee等人所给出的实验结果符合很好;最后分析了THz波的稳定性与温度、光栅周期、泵浦入射角以及辐射角的关系.     

电场诱导水的太赫兹透射特性研究

许多生物分子自身的转动、振动或分子团的整体振动模式都位于太赫兹波段内,因此可以利用太赫兹光谱技术对生物分子进行检测。同时又由于太赫兹波的光子能量仅为毫电子伏量级,不会对分子的内部结构造成破坏,所以太赫兹时域光谱技术在生物检测方面具有良好的应用前景。众所周知,绝大多数的生物分子只有在液体条件下才能发挥其生物活性,所以研究液体环境下生物分子之间的相互作用就非常必要。然而水分子的转动模式、振动模式以及和氢键有关的能量均处于太赫兹波段,从而对其产生强烈的吸收;另外,水分子为极性分子,而极性分子对太赫兹波有强烈的共振吸收,这就使利用太赫兹技术对生物分子活性进行动态表征产生了困难。因此在研究溶液中的生物分子与太赫兹波的相互作用时,最大限度地减小水分子对太赫兹波的吸收就成为近年来的研究热点。目前,减少水对太赫兹波吸收的主要方法有：在溶液样品中加入抑制氢键缔合的离子来减小水对太赫兹的吸收;通过改变溶液的温度来调节水对太赫兹的吸收;利用微流控芯片技术,通过减小被测样品与太赫兹波的作用距离来减小水对太赫兹波的吸收。另外,激光的激励、电场或磁场的处理,也能改变水对太赫兹波的吸收,将盛有去离子水的微流控芯片放于电场中,研究经电场处理不同时间的去离子水对太赫兹吸收强度的影响。结果发现,太赫兹波的透射强度随着去离子水在电场当中静置时间的增加而增强,当在电场中静置60 min时,太赫兹的频谱强度达到最大,与空气的频谱强度接近。由此可以推断外加电场使水分子的偶极矩发生了变化,从而对整体水分子的振动和转动产生了影响,并且改变了水中的氢键结构,导致了太赫兹透射光谱强度的增强。     

An Artificially Garnet Crystal Materials Using In Terahertz Waveguide

A hypothesis is brought forward that the materials with low propagation loss in both optical and microwave band may exhibit good performance in terahertz （THz） band because THz wave band interspaces those two wave bands. For the purpose-of exploring a kind of low-loss material for THz waveguide, Lu2.1Bi0.9Fe5O12（LuBiIG） garnet films are prepared by liquid phase epitaxy （LPE） method on a gadolinium gallium garnet （GGG） substrate from lead-free flux because of the good properties in both optical and microwave bands. In microwave band, the ferromagnetic resonance （FMR） linewidth of the film 2△H = 2.8-5.1Oe; in optical band, the optical absorption coefficient is 600cm^-1 at visible range and about 100-170cm^-1 when the wavelength is longer than 800nm. In THz range, our hypothesis is well confirmed by a THz-TDS measurement which shows that the absorbance of the film for THz wave is 0.05-0.3 cm 1 and the minimum value appears at 2.3 THz. This artificial ferromagnetic material holds a great promise for magnetic field tunable THz devices such as waveguide, modulator or switch.     

THz wave polarization-controlled spectroscopic imaging for anisotropic materials

We present a polarization-controlled terahertz (THz) wave spectroscopic imaging modality to investigate the anisotropy of the detected materials. The polarization of the emitted THz wave is controlled by changing the relative phase between the fundamental and second-harmonic waves in the two-color laser-induced air plasma THz generation configuration. The THz wave polarization direction is extracted by measuring the two electric field amplitudes when the polarization of the incident wave is controlled to be horizontal and vertical. The anisotropy of the industrial Sprayed-On-Foam-Insulation (SOFI) is characterized by measuring its azimuthal angle dependent THz polarization response. This work demonstrates that THz wave polarization-controlled imaging technique can be used for highly sensitive industrial nondestructive inspection and biological related characterization.     

基于双阈值canny均衡化算法的太赫兹图像增强

存在于微波与远红外之间的太赫兹波,因其无损害,稳定性高等独特性质使太赫兹光谱与成像技术在近几年来得到了迅猛的发展。太赫兹波独有的无损伤检测特性,在安全检测方面具有良好的发展前景,获得广大学者的研究和关注。经过太赫兹成像系统获得的太赫兹图像,虽然可以识别出隐藏的武器或其他金属制品,但是太赫兹图像的对比度和清晰度均较差,不能完全符合人眼的视觉效果,也不利于机器识别。目前,对太赫兹图像质量的提高和改善,成为太赫兹成像技术长远发展和广泛应用的关键问题。实验采用太赫兹波投射式成像系统对藏于物体中的金属心型吊坠和金属箭头进行成像,扫描步长0.5 mm,由于太赫兹光源大,能量起伏等系统缺陷,以及外部环境的复杂与干扰,导致成像所得图像均有背景噪声严重,边界模糊等问题,成像质量较差。提出一种基于双阈值的canny均衡化太赫兹图像增强算法,根据太赫兹图像自身性质限制,确定阈值和对图像均衡化的范围,实现图像降噪并引入双阈值canny算法和梯度幅值算法,使图像的对比度和清晰得到整体提高,并保留和突出太赫兹图像的细节信息,获得高分辨率、边缘清晰的图像。实验表明该算法对太赫兹图像具有良好的降噪效果,能够保留图像细节信息,图像对比度和图像质量得到增强和提高,同时增强了太赫兹成像技术对隐藏缺陷或隐藏物体的辨别能力和透视能力,为其在安检应用方面提供必要保证。     

Surface Emitting THz Wave Parametrical Oscillator Using MgO：LiNbO3

Room-temperature operation terahertz （THz） wave source is demonstrated using three MgO：LiNbO3 crystals which have a noncollinear arrangement. The experimental results show that the THz wave can be tunable from 0.8 THz to 3.0 THz, and the peak energy output is 103 pJ/pulse at 1.5 THz. The noncoilinear cavity configuration makes the THz beam have Gaussian-like spatial distribution, small divergence angle, perpendicularly eradiated from the crystal surface. The beam quality factor M2 is measured to be Mx^2 = 1.15, Mx^2 = 1.25 for characterizing the THz wave beam. Experiments also show that the THz beam can be focused by using a polyethylene lens, and the focal spot size is close to the diffraction limit.