交联聚苯乙烯的太赫兹光谱特性

交联聚苯乙烯是一种热固性塑料,具有优异的介电特性和耐高压击穿能力等特性。采用基于太赫兹波空气电离相干探测法(THz-ABCD)的太赫兹时域光谱系统,测量了交联聚苯乙烯和聚苯乙烯样品在太赫兹的光谱特性,得到了其在2~13 THz频段的吸收系数、折射率等光学参数。研究结果表明:交联聚苯乙烯和聚苯乙烯的吸收谱形状相似,在6.6,9.8和12.25 THz等处存在多个吸收峰,但是交联聚苯乙烯的吸收系数在12 THz以下高于聚苯乙烯,在12 THz以上低于聚苯乙烯;交联聚苯乙烯的折射率高于聚苯乙烯,聚苯乙烯的折射率在1.58~1.59之间,交联聚苯乙烯的折射率在1.59~1.62之间。     

A Theoretical and Experimental Research on Terahertz Electro-Optic Sampling at Near-Zero Optical Transmission Point

We report an improved theoretical model to characterize terahertz electro-optic （F,O） sampling detection operating at near crossed-polarizer design by considering the nonzero minimal transmission of polarizers and the polarization purity of laser beam. The proof-of-concept experiments show that the model can give quiet reasonable explanations on many experimental phenomena in THz EO detection, e.g. the modulation depth vs the different optical biases, the noise level from the balance detector vs the input probe beam power, the main origin of the background light and the incomplete cancellation of noise from the laser intensity fluctuation in balanced detection. The terahertz signals and the noises are also measured based on two different EO sampling schemes for comparison. The measured results support our model very well.     

对乙酰氨基酚的太赫兹时域光谱研究

太赫兹波由于其特有的透视性、安全性及光谱分辨本领高等特点,为太赫兹时域光谱技术(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)在物质检测、物质结构辨别、物质定性及定量分析等方面的应用奠定了基础。药品,作为预防和治疗疾病并规定有适应症或者主治功能的物质,一直跟人们的生活息息相关。但是,近年来药品由于质量问题从而危害人们身体健康的新闻屡见不鲜,迫切需要行之有效的药品检测方法的呼声越来越多。而太赫兹时域光谱技术作为一种新型的无损检测的光谱技术,逐步开始被应用到药品检测中。基于此,采用太赫兹时域光谱技术研究了对乙酰氨基酚的太赫兹特征谱。首先,采用太赫兹时域光谱技术测试了对乙酰氨基酚在0.3～4.5 THz范围的太赫兹光谱,实验获取了六个特征吸收主峰和一个肩峰,分别位于1.46,1.88,2.11,2.52,2.95,3.48和4.27 THz;接着,采用密度泛函理论对光谱进行解析,基于气态理论的计算结果,发现实验吸收峰有分子内作用力的贡献,但由于其未能考虑分子间作用力,无法全面对实验吸收峰进行解析;进一步,采用固态密度泛函理论模拟,经过实验和理论结果对比,发现1.46和2.11 THz的吸收峰既有分子间作用力也有分子内作用力,1.88,2.52和2.95 THz处的吸收峰主要来源于分子间作用力,3.48和4.27 THz处的吸收峰主要来源于分子内作用力;最后,对商用品牌中美史克牌的对乙酰氨基酚片做了变质处理,测试其在变质前后0.3～2.75 THz范围内的太赫兹特征峰,通过比较发现,商用药片与对乙酰氨基酚样品的吸收峰完全匹配,说明可以借助THz特征峰对药品进行标定;通过对比对乙酰氨基酚片变质前后的THz吸收谱,发现变质后的药片原有的THz特征峰基本消失,这一方面说明位于0.3～2.75 TH范围内的THz特征峰1.46和1.88 THz虽有分子内作用的贡献,但是主要源于分子间作用力,另一方面也说明随着药品化学特性变化,其对应的THz指纹吸收峰也会发生改变;变质后的药片产生了位于0.69 THz的新特征吸收峰,说明药片在变质后已经形成新的分子间作用力,药品的化学性质已经发生了变化,产生了新的物化功能。     

Approach to broadband terahertz pulse field detection and recovery with electro-optic sampling measurement

Electro-optic sampling (EOS) measurement of terahertz (THz) pulses inherently leads to distortions, especially for relatively broadband THz pulses. In this paper, we proposed an approach to broadband THz pulse field detection and recovery with EOS measurement. In our approach, we use an EOS measurement utilizing a thick GaP crystal, which has a high transverse optical phonon frequency, to reduce the distortions caused by dispersive propagation, interface reflection and Fabry-Perot effect (multiple reflections within an EO crystal). And a retrieval algorithm is designed to eliminate the distortion of broadband THz pluses after passing through the thick GaP crystal (The distortion in a thick GaP crystal is mainly attributed to phase mismatching between the THz pulse and the sampling laser pulse.), in which preconditioned conjugated gradient method is used.     

超低温高电场下GaAs的电子太赫兹功耗谱的研究

利用自由空间太赫兹电光取样方法,测量了在高电场下,GaAs中受飞秒激光脉冲激发的电子所辐射出的太赫兹电磁波,发现从样品中辐射出的和电子加速度成正比的太赫兹电磁波电场强度E_THz（t）,表现出双极特性.通过分析GaAs中辐射出的太赫兹电磁波的傅里叶变换谱,首次实验上得到在阶跃电场下的GaAs的电子太赫兹功耗谱.研究发现,当电场小于50 kV/cm时,由电子谷间散射引起的负功耗（即增益）的截止频率ν_c,随着电场的增大而增大;当电场大于50 kV/cm时,负功耗的截止频率ν_c开始在750 GHz（10 K）附近饱和. 关键词： 太赫兹 非平衡载流子 功耗谱 谷间散射     

布料的太赫兹波透射特性研究

为获得太赫兹波对常见衣物布料的穿透特性,基于布料的物理结构以及太赫兹波传输的影响因素,建立了常见布料的太赫兹波传输模型,计算获得了不同相对湿度条件下典型太赫兹波长对布料的透过率。随后,利用太赫兹时域光谱系统对棉质布料样品进行透射实验测试,获得了布料在0.1~2 THz范围内不同相对湿度条件下的透过率。通过理论计算结果与实验测试结果的对比分析,验证了该传输模型的有效性,获得了太赫兹波对常见棉质布料的穿透特性。此外,在30%相对湿度条件下,实验研究了多层棉质布料的太赫兹透射特性。研究结果表明,在可见光波段"不透明"的衣物布料,利用太赫兹波可实现良好的"透视",但其对布料的穿透特性一定程度上受到环境相对湿度的影响,该研究对于衣物内隐藏危险物品的快速检测具有重要意义。     

0.34 THz无线通信收发前端

描述了一种基于肖特基二极管技术的0.34 THz无线通信收发前端。该前端采用超外差结构,由0.34 THz谐波混频器、0.17 THz本振8倍频链和偏置电路组成。0.34 THz谐波混频器基于反向并联肖特基二极管,可以实现信号的上变频发射和下变频低噪声检测。0.17 THz本振8倍频链由三级二倍频及驱动放大链路组成,可将20~22.5 GHz信号倍频至0.16~0.18 THz,为混频器提供5~10 dBm左右的本振信号。实验测试结果表明:该前端用于信号发射时,在0.34 THz频点的饱和输出功率为-14.58 dBm;用于信号检测时,最低单边带(SSB)变频损耗为10.0 dB,3 dB中频带宽约30 GHz。限于测试条件,未能测试前端接收噪声温度,仿真得到的双边带噪声温度数值低于1000 K。在该前端基础上,完成了首次基于16QAM 数字调制体制的0.34 THz无线通信实验,传输速率达3 Gb/s。     

基于THz光谱技术的1,3-二硝基苯挥发气体检测方法研究

针对工业生产过程中1,3-二硝基苯挥发气体突发性泄露等情况的发生,设计了一种基于太赫兹(THz)特征光谱吸收技术的检测方法,该方法可通过1,3-二硝基苯在THz波段的特征波长对痕量剧毒有害气体进行检测。系统设计了双气室结构,为THz波提供差分数据,一组为标准空气,另一组为待测样气。由1,3-二硝基苯在THz波段的四个主吸收带0.635,0.912,1.095和1.435THz可根据对应吸收带吸收系数的比例关系得到对应波长上的吸收幅值,最终反演气体浓度。经过对两种传统检测方法的实验分析和对THz吸收检测方法的仿真研究可知,色谱法检测速度无法实现实时检测,红外吸收法对环境湿度要求很高,需经干燥处理,而THz吸收法对环境湿度要求较低,且具备实时性,更适合于实际应用。     

多种糖混合物的太赫兹时域光谱定性及定量分析研究

利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术研究了D-(-)-核糖、D-葡萄糖、α-乳糖一水合物及β-乳糖在0.3～1.6 THz波段的光谱特性。结果显示THz波对几种糖结构的变化有灵敏响应,在测量波段内有各自特征的THz指纹吸收光谱。利用线性回归技术对含两至四组分混合体系的THz光谱进行定性及定量解析,获得了混合物中各组分含量,相对误差小于7.2%,并就误差产生的原因做了简要分析。实验结果表明THz-TDS技术能够用于材料的定性及定量分析研究,在生物医药的无损检测和质量控制等方面有重要的应用前景。     

结构相似单糖和二糖分子的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合密度泛函理论(DFT)对两种结构相似的典型单糖和二糖物质(D-葡萄糖和乳糖一水化合物)在0.3~1.7 THz频段的太赫兹吸收光谱进行了实验与理论模拟研究。首先,利用THz-TDS技术分别测量了D-葡萄糖和乳糖一水化合物在0.3~1.7 THz频段的太赫兹特征吸收谱,获得了它们在此太赫兹频率范围内的指纹光谱数据,发现虽然乳糖的组成结构中含有葡萄糖,但THz-TDS技术对糖类分子的结构变化非常敏感,两种物质在所测太赫兹频段内分别表现出各自不同的太赫兹指纹吸收特性。然后,利用DFT方法分别对两种糖类物质单分子和多分子构型的低频集体振动模式进行了理论模拟计算,获得了D-葡萄糖晶胞构型和乳糖一水化合物单分子及晶胞构型的DFT模拟计算结果,并通过简正振动模式分解的PED分析方法,结合GaussView显示的分子振动形式,对两种糖类物质在太赫兹频段吸收峰的简正振动模式进行了指认,发现乳糖一水化合物的振动模式与羟基(-OH)、羟甲基(-CH₂OH)和糖苷键的振动模式密切相关,且D-葡萄糖在1.44 THz处及乳糖一水化合物在1.38 THz处出现的吸收峰主要是由分子间的相互作用(氢键和范德华力),尤其是相互作用较强的氢键引起。最后,利用约化密度梯度(RDG)分析,可视化地分析了D-葡萄糖和乳糖一水化合物分子间相互作用的位置、类型和强度,进一步证明了两种物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间氢键网络支配的集体振动模式。研究结果表明,THz-TDS技术对糖类分子结构的细微变化有着敏锐的感知,虽然D-葡萄糖和乳糖一水化合物的分子结构相似,但太赫兹波对它们之间的结构差异十分敏感,两者在太赫兹波段的特征吸收谱表现出明显差异,这为THz-TDS技术结合DFT方法对糖类物质进行检测识别以及研究糖类分子间的相互作用提供了有价值的实验和理论参考。     

Hot electron bolometric mixers: new terahertz technology

This paper presents an overview of recent results for NbN phonon-cooled hot electron bolometric (HEB) mixers. The noise temperature of the receivers based on both quasioptical and waveguide versions of HEB mixers has crossed the level of 1 K GHz⁻¹ at 430 GHz (410 K), 600–650 GHz (480 K), 750 GHz (600 K), 810 GHz (780 K) and is close to that level at 1.1 THz (1250 K) and 2.5 THz (4500 K). The gain bandwidth measured for quasioptical HEB mixer at 620 GHz reached 4 GHz and the noise temperature bandwidth was almost 8 GHz. Local oscillator power requirements are about 1 μW for mixers made by photolithography and about 100 nW for mixers made by e-beam lithography. A waveguide version of 800 GHz receiver was installed at the Submillimeter Telescope Observatory on Mt. Graham, AZ, to conduct astronomical observations of known submillimeter lines (CO, J=7→6, CI, J=2→1). It was proved that the receiver works as a practical instrument.     

Dependence of THz Time-Domain Spectroscopy on the Crystal Thickness and Optical Width in Electro-Optic Sampling

The processes of electro-optical (EO) sampling of terahertz (THz) pulse were studied theoretically by considering the finite optical probe width and the double-sampling within the same THz pulse. The dependence of THz time-domain waveforms on the crystal thickness and optical width in EO sampling was revealed. Furthermore, the optimal thickness was analyzed, which shows whether or not an antireflection film coated for the optical probe beam is needed.     

红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射光谱研究

为研究红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射特性,制备了红外低发射率隐身涂料,测试了其可见光效果、红外热像图及红外发射率等特性参数。以土黄色红外低发射率涂料为测试样品,利用透射式太赫兹时域光谱系统获得了样品在太赫兹波段的复折射率。分析了特征矩阵理论,并利用特征矩阵理论计算了涂层厚度(0.3~0.5 mm）与入射角度(0°~60°)的变化对入射太赫兹波反射特性的影响。结果表明,在相应厚度及入射角度范围内,太赫兹波在0.8 THz频率下具有多个反射峰值,最高值可达90%以上,有利于实现太赫兹波对红外低发射率隐身涂层下金属目标的探测。此外,涂层厚度变化对入射太赫兹波反射率具有较大影响,涂层越厚,太赫兹波的反射振荡越多,反射峰值越大。入射角度对太赫兹波的反射特性具有一定的影响,但整体影响不大,有利于太赫兹波实现多角度目标的探测。最后,以表面均匀涂覆0.42 mm厚涂料的金属板为测试样品,实验测量了样品在0.1~1.5 THz频率范围内的反射特性,并与部分理论计算结果进行对比。结果表明：实验测量结果与理论计算结果在数值和趋势上较为吻合,但也存在一定的偏差。究其原因,主要由样品厚度和样品参数误差导致,但依然可利用特征矩阵理论研究红外低发射率涂层对太赫兹波的反射光谱特性。     

基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究

采用一个光谱匹配的太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP)研究了一激射频率约为41 THz的THz量子级联激光器(QCL)在不同驱动电流下的发射谱,分析了测量得到的发射谱谱型和谱峰位置,根据测量的发射谱估算了太赫兹量子级联激光器发射功率随驱动电流变化的情况,从而得到了THz QCL激射的电流密度范围及其阈值电流密度.文中还研究了THz QWP在不同温度下对THz QCL 激光辐射的响应特性.研究结果表明,THz QWP在表征THz QCL的发射谱方面是一种很好的探测器,并有望成为未来THz通信中的接收装置. 关键词： 太赫兹量子阱探测器 太赫兹量子级联激光器 太赫兹通信 Fourier变换红外光谱     

Optical detection of terahertz radiation by using nonlinear parametric upconversion

We describe and demonstrate sensitive room-temperature detection of terahertz (THz) radiation by nonlinearly upconverting terahertz to the near-infrared regime, relying on telecommications components. THz radiation at 700 GHz is mixed with pump light at 1550 nm in a bulk GaAs crystal to generate an idler wave at 1555.6 nm, which is separated and detected by using a commercial p-i-n diode. The THz detector operates at room temperature and has an intrinsic THz-to-optical photon conversion efficiency of 0.001%.     

黄曲霉毒素的太赫兹检测研究

为了探索能够快速简便、特异敏感的黄曲霉毒素检测方法,应用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术获得了黄曲霉毒素B1和M1在0．3～2．1THz范围内的吸收光谱,实验结果显示它们在测量波段范围表现出不同的吸收位置和吸收强度,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。黄曲霉毒素在THz波段的指纹谱的测定显示出太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于黄曲霉毒素结构和功能研究的潜力,并为此技术应用于食品中黄曲霉毒素的检测奠定了基础。     

太赫兹波探测光子晶体涂层覆盖目标的可行性

覆盖于高温目标表面的光子晶体红外涂层可实现对目标红外辐射的抑制,而太赫兹波所具有的强穿透特性使其对该类目标的探测成为可能。以相关文献中设计的光子晶体涂层为例,采用特征矩阵理论对0.3~3 THz频率范围内的太赫兹波在该类涂层中的传输特性进行理论计算和分析,重点研究了不同入射角度的太赫兹波在该类涂层中的传输特性。研究发现,上述太赫兹波段处于光子晶体的带隙之外,0.3~0.5 THz频率范围内的太赫兹波对该类红外涂层具有较强的穿透特性,其光谱透过率大于90%;而在2.4~3 THz范围内,其在涂层上具有较强的反射,且整个波段内的吸收率小于0.2%。当入射角小于60°时,其对太赫兹波的传输特性影响较小;进一步增大入射角,其透过率逐渐降低,而反射率逐渐增大。研究结果证明了利用太赫兹波进行涂层覆盖目标探测的可行性,有望利用太赫兹雷达探测弥补红外探测系统的不足。     

用于产生太赫超宽边带光谱的新型电／光调制器

报道了利用周期性的极转技术制作准速度匹配型电／光调制器，并以这种调制器产生超宽边带光谱的结果。电光晶体ＬｉＴａＯ３的极性分布周期的反转之后，在１６．２５ＧＨｚ的调制频率下，实现了微波与光波的准速度匹配，可以不局限于调制频率的高低，从而在增加相互作用长度的前提下充分提高调效率，调制度已达到５７ｒａｄ，产生的宽边带光谱的半值全宽为１．８５ＴＨｚ。     

β-Zn3BPO7非线性光学晶体的光谱特性

测量了β-Zn3BPO7晶体(001)方向的红外－可见－紫外光波段的透射与反射光谱, 从而得到反射谱R透射谱T, 以及吸收系数, 并得出样品的禁带能隙Eg=3.198 eV。利用太赫兹时域光谱(THz—TDS)测量技术, 测量了THz辐射脉冲参考波形和透过样品后的信号波形, 进行傅立叶变换和简单的数学处理, 得到β-Zn3BPO7样品的介电系数的实部和虚部, 以及吸收系数的变化频谱α(ν)。在1.396, 2.002, 2.476和2.674 THz处, 分别存在明显的共振吸收峰。在THz波段的吸收较小, 特别是在0.5 T到1.5 T之间, 吸收几乎接近于零, 而样品在高频端有吸收增大的趋势。     

Asynchronous optical sampling for high-speed characterization of integrated resonant terahertz sensors

Two femtosecond Ti:sapphire lasers with slightly different repetition rates near 1 GHz are coupled to implement high-speed asynchronous optical sampling. The application of this technique is successfully demonstrated in the field of terahertz time-domain spectroscopy (TDS). A time delay of 1 ns is scanned at a frequency of 5 kHz without moving mechanical parts. Compared with that of conventional TDS schemes based on lock-in detection and moving mirrors, the readout time of integrated resonant THz sensors is reduced by a factor of 20, opening the way for high-throughput THz sensing in marker-free DNA analysis.