太赫兹波频域的GaAs材料特性

利用返波振荡器(BWO)系统对不同电阻率的GaAs在太赫兹波段的透射谱进行了测试,并对太赫兹波透射谱进行了计算和分析,得到不同电阻率的GaAs材料在太赫兹波0.23～0.375 THz波段范围的折射率、吸收系数和介电常数实部和虚部等光学特性参数。实验结果表明,不同电阻率的GaAs在整个测试太赫兹波频段内的折射率,吸收系数,介电常数实部和虚部均随着电阻率的增加而增加。高电阻率的GaAs材料对太赫兹波的吸收很小,其最小吸收系数可达到3.87×10-4 cm-1。同时也表明采用返波振荡器系统研究分析GaAs在太赫兹波段特性是可行的。研究不同电阻率的GaAs在太赫兹波段的光学特性,对设计高效率太赫兹波天线具有重要意义。     

基于样片厚度精确估计的THz吸收系数谱算法

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)提取物质在太赫兹波段的吸收系数谱是太赫兹应用的一个重要方面。由于样品的吸收系数与其厚度存在着复杂的非线性关系,而厚度又不便于直接准确测量,往往造成吸收系数谱的失真。根据Duvillaret等用于LiNbO3的厚度估计方法,改进了谷氨酰胺(Gln)与组氨酸(His)在0.3～2.6THz(1THz=1012 Hz)波段的吸收系数谱的测定和计算。为了说明改进后的吸收系数谱的合理性,设计了一系列实验对比了同种氨基酸在不同浓度下吸收系数的线性符合程度。结果表明,改进后计算出的氨基酸吸收系数与浓度之间存在更好的线性关系,符合Lambert-Beer定律的描述,这为进一步的定量分析奠定了基础。     

GaSe晶体的双光子吸收对太赫兹输出的影响

根据光整流效应,利用超快激光脉冲泵浦GaSe晶体实现了0.2~2.5 THz的宽带太赫兹辐射输出。禁带中的电子在两个800 nm光子的作用下激发到导带中形成自由载流子,进而吸收所产生的太赫兹辐射,最终导致太赫兹的输出随泵浦功率的增加而趋于饱和。为了研究双光子吸收对太赫兹输出的影响,测量了800 nm处的GaSe晶体的双光子吸收系数,结果为 0.165 cm/GW。通过对太赫兹输出实验数据的拟合,得到GaSe晶体中自由载流子对太赫兹输出的吸收截面为1×10^-15 cm²。本文的研究结果可用于优化GaSe晶体在强激光泵浦下的太赫兹转换效率。     

呋喃妥因的太赫兹光谱分析

利用太赫兹时域光谱技术测量了硝基呋喃类药物中呋喃妥因原药在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数、折射率等光学指纹特性,结果表明呋喃妥因在该频率范围内出现了多个强度不同的特征吸收峰,吸收系数光谱可用于鉴定呋喃妥因。借助Gaussian软件利用密度泛函理论对呋喃妥因分子在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数光谱进行了模拟,并对吸收系数实验光谱中部分吸收峰的振动模式进行了分析和指认。结果表明实验谱中1.25和1.60 THz处的吸收峰与理论谱中1.30和1.67 THz处吸收峰一致,是由呋喃妥因分子内的振动模式引起的。     

THz Generation by Optical Rectification and Competition with Other Nonlinear Processes

We present a study of the competition between tera-hertz （THz） generation by optical rectification in （110） ZnTe crystals, two-photon absorption, second harmonic generation and free-carrier absorption. The two-photon nonlinear absorption coefficient, second harmonic generation efficiency and free-carrier absorption coefficient in the THz range are measured independently. The incident pump field is shown to be depleted by two-photon absorption and the THz radiation is shown to be reduced, upon focusing, by free-carrier absorption. The reduction of the generated THz radiation upon tight focusing is explained, provided that one also takes into account diffraction effects from the sub-wavelength THz source.     

Mechanically tunable broadband terahertz modulator based on high-aligned Ni nanowire arrays

We present a mechanically tunable broadband terahertz(THz) modulator based on the high-aligned Ni nanowire(NW)arrays. The modulator is a sandwich structure consisting of two polydimethylsiloxane layers and a central layer of highaligned Ni NW arrays. Our experimental measurements reveal the transmittance of THz wave can be effectively modulated by mechanical stretching. The NW density in arrays increases with the strain increasing, which induced an enhancement in the absorption of THz wave. When the strain increases from 0 to 6.5%, a linear relationship is observed for the variation of modulation depth(MD) of THz wave regarding the strain, and the modulated range is from 0 to 85% in a frequency range from 0.3 THz to 1.8 THz. Moreover, the detectable MD is about 15% regarding the 1% strain change resolution. This flexible Ni NW-based modulator can be promised many applications, such as remote strain sensing, and wearable devices.     

Rapid fabrication of terahertz lens via three-dimensional printing technology

We design a plano-convex lens working in the terahertz(THz) frequency range and fabricate it using threedimensional(3D) printing technology. A 3D field scanner is used to measure its focal properties, and the results agree well with the numerical simulations. The refractive index and absorption coefficient measurements via THz time-domain spectroscopy(THz-TDS) reveal that the lens material is highly transparent at THz frequencies. It is expected that this inexpensive and rapid 3D printing technology holds promise for making various THz optical elements.     

THz波在金属镀层空芯波导中传输的理论和实验研究

本文基于微扰法求得不同金属镀层空心圆波导中各模式的损耗系数,对金属镀层空芯波导中THz波传输损耗随金属材料、波导结构等参数的变化关系进行了数值模拟.根据数值分析结果,优化设计并拉制了内径为1.1 mm的镀银空芯波导,实验测得当THz波的频率为2.5 THz时,传输损耗为8.6 dB/m,实现了THz波短距离的有效传输. 关键词： 太赫兹波 金属空芯波导 传输损耗     

Photoinduced absorption of THz radiation in semi-insulating GaAs crystal

The influence of optical illumination on transmission of THz radiation through a bulk crystal of semi-insulating GaAs is experimentally studied. It is established that, without additional illumination, absorption of electromagnetic waves with a frequency of about 1 THz in the studied crystal is almost absent. Optical illumination in the spectral range of fundamental absorption of the crystal does not affect the transmission of THz waves. At the same time, if the illumination photon energy is a little below the edge of fundamental absorption, i.e., actually in the transparency region, the transmission of THz radiation drops sharply. At liquid helium temperature, the maximum effect is achieved for the energy of optical photons lower by approximately 30 meV than the crystal band gap. Further shift of the illumination toward lower photon energies is accompanied by almost complete recovery of the transmission. With increasing sample temperature, the spectral range of efficient action of the illumination shifts together with the edge of fundamental absorption toward lower photon energies.     

Terahertz absorption window and high transmission in graphene bilayer

A detailed theoretical study of terahertz (THz) optical absorption and transmission in graphene bilayer is presented. Considering an air/graphene/dielectric-wafer system, it is found that there is an absorption window in the range 3-30 THz and the optical transmission is up to 96%. Such an absorption window is induced by different transition energies required for inter- and intra-band optical absorption in the presence of the Pauli blockade effect. As a result, the position and width of this THz absorption window depend sensitively on temperature and carrier density of the system. These results are pertinent to the applications of recently developed graphene systems as novel optoelectronic devices such as THz photodetectors.     

Optical properties of human jawbone and human bone substitute Cerabone® in the terahertz range

The refractive indices n(ω) and absorption coefficients α(ω) of the jawbone and the human bone substitute Cerabone® were determined in vitro by the terahertz (THz) time-domain spectroscopy (TDS) in a wide frequency range from 0.2 to 2.5 THz. It is shown that the refractive index of the human jawbone changes between the values of 2.075 and 2.157, and of the Cerabone® between 2.4 and 2.65. The absorption coefficient of the human jawbone increases depending on the frequency from 1.7 cm^–1 to 178.5 cm^–1, showing several resonance absorption lines at the values greater than 1.6 THz. The absorption coefficient of Cerabone® increases from zero to 80 cm^–1, and the resonance absorption occurs at 1.7 THz. The obtained results allow us to determine the proximity of the physical properties of the bone transplantation material Cerabone® with the natural bone matrix.     

MgF2单晶的THz光谱研究

利用THz时域光谱技术对MgF₂晶体(样品1)和MgF₂：Co晶体(样品2)在0.5—2.5 THz的吸收特性进行了研究.在0.5—2.5 THz波段，样品1吸收系数α(ν)随频率ν增加而增大，最大值为24 cm^-1.样品2的吸收系数比样品1大得多，Co掺杂使晶格吸收带边向低频移动，而且样品2在1.9 THz有吸收峰，吸收系数达到70 cm^-1，由此求出F^--Co²⁺离子键伸缩振动的键力常数K为3.40×10^-2　N/cm.这一结果表明，THz光谱分析有可能成为研究晶体化学键的一种重要手段.利用光学常数之间的关系计算了两个样品在0.5—2.5 THz的介电函数的实部ε₁(ν)，得到样品1的ε₁(ν)值在4.67至4.73之间，样品2的ε₁(ν)值在4.62至5.01之间. 关键词： THz辐射 光谱 2晶体')" href="#">MgF₂晶体     

太赫兹大气传输特性实验研究

太赫兹在高速率通信、高分辨力雷达等方面具有广阔的应用前景,而对太赫兹辐射的大气传输特性及其规律进行系统的理论与实验研究则是发展利用该频谱资源的基础条件。对大气作用于太赫兹频段电磁辐射的吸收衰减进行了实验测试研究。通过双光路的差分系统设计,尽可能地减小太赫兹辐射源输出功率不稳定性所产生的系统误差,完成大气模拟环境下太赫兹波段多个频点传输的功率变化测定,以探索大气环境对不同频段THz波衰减的规律性;同时,建立太赫兹大气传输特性动态数据库对海量大气环境数据进行有效地分析,为实验数据处理及理论研究提供支持。收稿日期:; 修订日期:     

Optical Properties and Terahertz Radiation Generation in a LI2B4O7 Crystal

Russian Physics Journal - Spectral dependences of components of the refractive index and absorption coefficient in a Li2B4O7 (LB4) nonlinear crystal are determined in the THz range for the first...     

太赫兹大气传输特性实验研究

太赫兹在高速率通信、高分辨力雷达等方面具有广阔的应用前景,而对太赫兹辐射的大气传输特性及其规律进行系统的理论与实验研究则是发展利用该频谱资源的基础条件。对大气作用于太赫兹频段电磁辐射的吸收衰减进行了实验测试研究。通过双光路的差分系统设计,尽可能地减小太赫兹辐射源输出功率不稳定性所产生的系统误差,完成大气模拟环境下太赫兹波段多个频点传输的功率变化测定,以探索大气环境对不同频段THz波衰减的规律性;同时,建立太赫兹大气传输特性动态数据库对海量大气环境数据进行有效地分析,为实验数据处理及理论研究提供支持。收稿日期:; 修订日期:     

真皮革和人工革在太赫兹波段的光谱研究

皮革检测鉴定的市场需求缺口巨大,不同种类皮革,尤其是不同种类真皮革无损、无标记检测具有重要的应用价值。利用太赫兹时域光谱技术系统地测试了不同种类真皮革和人工革的太赫兹透射光谱,计算了不同真皮革和人工革的太赫兹吸收系数和折射率。在0.2~1.5 THz范围内,不同种类皮革的太赫兹吸收系数和折射率数值大小具有明显差异,真皮革大于人工革;且真皮革中,爬行类皮革>鱼类皮革>哺乳类皮革。进一步地,猪、牛、羊真皮革在25~80 ℃加热过程中太赫兹时域光谱振幅变化均在60 ℃左右出现拐点,而人工革无拐点;且猪、牛、羊真皮革变化趋势各异。为了验证皮革太赫兹光谱产生差异的原因,首先对代表性皮革牛皮革、人造革和合成革的主要组成成分牛皮胶原蛋白、聚氯乙烯（PVC）和聚氨酯（PU）进行了太赫兹光谱测试,牛皮胶原蛋白的太赫兹吸收系数和折射率大于聚氯乙烯和聚氨酯;并且在25~80 ℃加热过程中胶原蛋白出现变化拐点,而聚氯乙烯无。实验结果显示,皮革主要组成成分的太赫兹光谱特征的数值差异和变化趋势与对应皮革相同,表明不同种类皮革间差异性的太赫兹光谱特征主要来源于其组成成分的不同。基于此,太赫兹光谱技术有望用于皮革的快速、准确、无损、无标记检测,用于区分不同种类真皮革和人工革,尤其是分辨来源于爬行动物、哺乳动物和鱼类的真皮革。     

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。     

夹心式太赫兹微流控芯片

许多生物大分子的振动和转动能级都落在THz波段范围内,因此可以采用THz光谱技术定性地鉴别生物样品。但是大部分生物分子的活性需在液体环境中才能表现出来,而水作为极性物质对THz波具有较强的吸收特性。因此,在THz光谱技术中通常采取各种措施来减少水的影响,以防止水溶液中生物样品的信息被掩盖。该研究设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统检测的夹心式微流控芯片,通过减小THz与水的作用距离来减少水对THz的吸收,从而达到高透过率的目的。微流控芯片采用环烯烃共聚物(Zeonor 1420R)作为基片和盖片,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为沟道夹层,利用THz-TDS系统对该芯片进行了测试,测得该芯片在0.2～2.6 THz频率范围内的透过率可以达到80％以上。在微流控芯片中分别加入去离子水、1,2-丙二醇以及二者在不同体积比下的混合溶液,并测量了它们的透射谱。结果表明,不同比例溶液的THz光谱明显不同,说明该芯片在测量液态样品方面的可行性。此外,用该芯片分别研究了不同浓度的氯化钾和碘化钾溶液,发现氯化钾溶液随着浓度的增加THz透过率减弱,而碘化钾溶液则相反。初步认为,电解质改变了水溶液中的氢键密度,从而导致溶液对THz吸收的改变。     

Absorption of terahertz radiation in Ge/Si(001) heterostructures with quantum dots

The terahertz spectra of the dynamic conductivity and radiation absorption coefficient in germanium-silicon heterostructures with arrays of Ge hut clusters (quantum dots) have been measured for the first time in the frequency range of 0.3–1.2 THz at room temperature. It has been found that the effective dynamic conductivity and effective radiation absorption coefficient in the heterostructure due to the presence of germanium quantum dots in it are much larger than the respective quantities of both the bulk Ge single crystal and Ge/Si(001) without arrays of quantum dots. The possible microscopic mechanisms of the detected increase in the absorption in arrays of quantum dots have been discussed.     

茶叶夹杂昆虫异物THz光谱检测研究

中国红茶因其悠远的文化底蕴和多种保健功效而广受推崇。红茶经杀青、揉捻、晒干、筛选、干燥制成成品。但复杂的加工工艺也增加了物理污染的风险,在加工过程中难免会夹杂非茶类异物。物理污染属于随机事件,占食品安全投诉事件的19.8%。降低食品污染是未来造成厂家与消费者、进出口贸易双方争议的关键。昆虫等有机异物尚属于X射线不可检测范畴的食品异物,但昆虫异物混入频率较高,容易造成消费投诉,迫切需要开发相应的无损检测方法。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术作为一种新兴的检测技术,在农产品、食品以及药品无损检测方面均具有良好的应用潜力。THz具有良好的低能透射和指纹光谱特性、且无电离辐射损伤,能透过食品基质获取潜藏异物的光谱和图像信息,是农产品、食品无损检测的较佳选择。为了实现茶叶夹杂低密度有机异物的高效检测,本文基于THz光谱技术,探索红茶夹杂昆虫异物的无损检测新方法。在0.2～3.0 THz范围内,采集了红茶基质、昆虫异物以及夹杂昆虫异物红茶的THz光谱。分析了茶叶基质和昆虫异物的THz吸收系数和介电损耗响应特性,从频谱图可以看出茶叶基质与昆虫异物的THz吸收系数和介电损耗存在显著的差异,主要由昆虫异物的蛋白质和脂肪成分引起,这奠定了红茶夹杂昆虫异物的THz光谱检测基础。但茶叶与昆虫异物吸收系数均无明显的特征峰,且在2.0～3.0 THz高频波段内存在较为明显的噪声。采用主成分分析方法分别对吸收系数和介电损耗进行降维处理,通过得分图可以判断出红茶基质与夹杂昆虫异物的红茶之间存在明显的区别,且吸收系数的聚类效果优于介电损耗系数。分别选取0.5～1.0 THz范围的THz吸收系数和介电损耗为输入向量,建立了支持向量机（SVM）和线性判别分析（LDA）判别模型。实验结果表明,基于THz吸收系数的LDA判别模型精度最高,新样品的正确识别率为73.68%。这说明应用THz时域光谱无损检测红茶夹杂的昆虫异物具有可行性,同时THz光谱结合模式识别算法为茶叶夹杂昆虫异物无损检测提供了新方法,也可为其他农产品和食品检测提供参考。