太赫兹片上系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展

目前太赫兹辐射信号的功率不高,辐射带宽也较窄,这些对于生物化学、含能材料的太赫兹检测应用领域来说是一大限制因素,因此如何获得宽谱高功率的太赫兹源对于太赫兹时域光谱系统的发展是非常重要的;另一方面,常规的太赫兹系统是在自由空间传输探测的,测量过程需要在氮气或者干燥空气环境中进行,以克服空气中水的吸收干扰,同时自由空间中的光场与物质相互作用的模式又降低了物质检测的灵敏度,这对于痕量物质检测来说构成了挑战.面对这一问题,太赫兹片上系统利用微纳结构中的局域场效应实现对物质的低浓度检测,此方案有助于解决这一应用难题.综上所述,本文分成以下两部分阐述:首先阐述了纳米金属薄膜作为新的太赫兹源,它可以同时产生非相干的和相干的太赫兹信号,其输出为超过100 THz的太赫兹-红外辐射,功率高达10 mW,这种超宽谱和高功率现象主要是由于非相干的热辐射效应引起的;第二,阐述了基于不同传输线结构、不同基底材料的太赫兹片上系统结构设计和光谱应用.基于共面带状线结构和聚合物材料基底的太赫兹片上系统有着较低的损耗,能够实现超过2 THz带宽的测量和生物化学应用.     

太赫兹片上系统中低温砷化镓薄膜光电导天线的研究

太赫兹时域光谱技术是一种在太赫兹频段内,广泛应用的光谱测量技术。这种技术可以用于许多物质的频谱分析,对于研究化学、半导体与生物分子等领域有着无可比拟的作用。然而用该系统进行样品探测时,受回波的影响频谱分辨率较低;受太赫兹波光斑大小以及待测样品与电磁波相互作用距离长短的影响,样品消耗量较多,并且整个系统的占用空间较大,这些局限性都限制了太赫兹时域光谱系统的进一步发展。为了突破太赫兹时域光谱系统的局限性,设计了一种将太赫兹泵浦区、探测区和传输波导集成到一个硅片上的太赫兹片上系统,该系统不仅能够解决上述系统的局限性,还能够省去样品测量前的光路准直环节,使样品的测量过程更加简便,同时集成化的系统也很大程度上提高了太赫兹波传输的稳定性。在太赫兹片上系统中,泵浦区和探测区的光电导天线是由低温砷化镓和金属电极制成,由于受到太赫兹片上系统的高度集成化和低温砷化镓晶体生长条件的限制,如何制备出低温砷化镓半导体薄膜衬底,并将其转移与键合,是太赫兹片上系统研制过程中的关键环节。首先利用分子束外延（MBE）技术制备出由半绝缘砷化镓、砷化镓缓冲层、砷化铝牺牲层和低温砷化镓层构成的外延片,然后利用盐酸溶液与砷化铝和低温砷化镓反应速度差别较大的原理,将200 nm厚的AlAs牺牲层腐蚀掉,从而得到2 μm厚的低温砷化镓薄膜。为了更加高效并且完整地得到低温砷化镓薄膜,研究了盐酸溶液在不同温度和不同浓度下与AlAs牺牲层的选择性腐蚀速率的关系。给出了低温砷化镓薄膜制备过程中盐酸的最佳体积比浓度和最佳温度,即在73 ℃下13.57%的盐酸溶液中进行砷化铝牺牲层的腐蚀。相比于已有工艺,这种腐蚀方法对实验设备的要求较低并且具有较高的安全性。最后,将单层低温砷化镓薄膜转移键合至硅片上,并制成光电导天线的结构。利用飞秒激光脉冲进行激发探测到太赫兹信号。由此说明,低温砷化镓薄膜的获取、转移与键合工艺能够满足芯片级太赫兹系统的制作要求,这为太赫兹片上系统的进一步研制打下了坚实的基础。     

基于共面传输线的太赫兹片上系统的研究

太赫兹片上系统是将太赫兹的产生、传输和探测都集中在一个几平方厘米的基片上,线宽及间距达到微米量级,具有集成化程度高、系统尺寸小、稳定性好以及操作简便的特点,有利于与微量样品检测技术相互结合。研究采用HFSS软件对共面波导和共面带状线两种太赫兹共面传输线进行了仿真计算,通过优化传输线的宽度、长度、基底的厚度等关键几何参数确定出最佳的传输线结构;研究工作重点对太赫兹波段的共面带状线结构进行了设计和优化,实现了在介电常数很小的BCB基底上的低损耗传输。所得到的最佳结构参数为线宽及间距均为20μm,此结构为后续片上系统实物芯片的制作提供了参数依据。     

7056玻璃与大面积GaAs外延片粘接工艺分析

介绍7056窗玻璃与大面积GaAs外延片的牯接工艺,并分析了GaAs片的表面形状、氮化硅的厚度、组分及粘接前的清洁处理工艺对粘接质量的影响。着重讨论了压力、温度和加热速率三者之间内在联系及其选取范围,给出了粘接工艺的调整和控制方法。     

GaAs光电导天线辐射太赫兹波功率的计算

在Larmor公式的基础上建立了适合计算光电导天线辐射太赫兹波功率的数学模型,利用此数学模型通过蒙特卡罗方法分别计算了不同实验条件下GaAs光电导天线辐射太赫兹电磁波功率.计算结果表明,增加光电导天线的偏置电场或触发光能量,都能够提高天线辐射太赫兹波功率,大孔径光电导天线能够承载更多的光生载流子,因而可以产生比小孔径光电导天线功率更高的太赫兹波. 关键词： 光电导天线 Larmor公式 太赫兹波功率     

0.14 THz超高速无线通信系统实验研究

介绍了0.14 THz超高速无线通信实验系统的主要组成部分和主要实验结果。从太赫兹电子学出发,基于太赫兹半导体器件和宽带数字调制解调技术,采用一种“低频段高速矢量调制＋谐波混频＋放大”的太赫兹高速信息传输技术路线,在国内首次成功实现了0.14 THz 0.5 km 10 Gb/s高速信号实时传输和软件化事后解调,同时进行了4路高清视频信号的传输与解调。     

0.14 THz超高速无线通信系统实验研究

 介绍了0.14 THz超高速无线通信实验系统的主要组成部分和主要实验结果。从太赫兹电子学出发,基于太赫兹半导体器件和宽带数字调制解调技术,采用一种“低频段高速矢量调制＋谐波混频＋放大”的太赫兹高速信息传输技术路线,在国内首次成功实现了0.14 THz 0.5 km 10 Gb/s高速信号实时传输和软件化事后解调,同时进行了4路高清视频信号的传输与解调。     

面向片上传感量子级联激光器的研究进展（特邀）

作为一种新型半导体激光器,量子级联激光器因其独特的子带间跃迁机制,具有高速响应、高非线性、输出波长大范围可调等特点。近年来随着输出光功率和电光转化效率等性能指标的快速提升,量子级联激光器已成为中红外至太赫兹波段（波长约为3～300μm）的主流激光光源,在大气污染监控、气体检测、太赫兹成像、生物医疗以及空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。本文阐释了量子级联激光器的发展历程以及工作原理;分别重点讨论了中红外量子级联激光器在高效率、大功率、波长可调谐以及片上传感的应用等方面的研究进展,并对基于中红外量子级联激光器差频太赫兹光源和光频梳的发展进行叙述,最后进行了简要总结与展望。     

基于THz技术的农产品品质无损检测研究

农产品品质备受关注,而由品质变化引发的农产品安全事故频繁,开发农产品品质的快速无损检测技术成为研究热点。太赫兹波(THz)是介于微波与红外之间的电磁辐射,由于其独特的优势,具有重要的科学研究价值。近年来,随着THz辐射源和探测器研究的不断突破,大大丰富了THz的应用研究。与其他检测技术相比,作为一种新型检测技术,THz辐射具有安全和高信噪比等重要特征,能获得传统检测方法无法获得的物理、化学和生物等信息,在质量安全检测与控制、生物医学和通信等领域的应用前景广阔。首先介绍了THz波的概念和主要性质,接着对THz技术在农产品品质检测应用上的研究进展进行综述,分析THz探测技术存在的问题,对THz技术的应用潜力进行展望,最后提出THz技术在储粮品质检测中新的应用和广阔前景。     

2.9THz束缚态向连续态跃迁量子级联激光器研制

采用气源分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs束缚态向连续 态跃迁的太赫兹量子级联激光器材料, 基于半绝缘等离子体波导工艺制作了太赫兹量子级联激光器. 测量了激光器的发射光谱和功率-电流-电压关系曲线, 研究了器件的激光特性. 器件激射频率约2.95 THz, 脉冲模式下, 最高工作温度为67 K. 连续波模式下, 阈值电流密度最低为230 A/cm², 最大光输出功率1.2 mW, 最高工作温度为30 K. 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 分子束外延 波导     

基于THz光谱的HNS单体猛炸药含量分析系统

现有的傅里叶变换红外光谱仪无法实现六硝基芪的光谱定量分析,而作为常见单体猛炸药而言,能够快速识别并定量分析其含量具有重要意义,故研究设计了一种基于THz光谱技术的HNS检测系统。系统采用透射式吸收光谱计算模式。光路中引入电光调制模块,实现稳定快速的光程静态扫描。在实验获取HNS特征吸收峰位置的基础上,结合空气在此波段的吸收特性,获得了光谱数据相关系数表达式,并由此确定了多特征波长选择依据。结合比尔-朗伯定律,给出了HNS含量的函数表达式及其系数公式。实验通过化学配置法得到不同HNS含量的样品粉末,并以此含量作为标准值。将不同含量的多组HNS样品粉末进行压片处理,分别采用太赫兹光谱仪和本系统进行HNS含量检测。实验结果可知,HNS含量在0.10%～50.00%范围内两种检测方法效果相近,与标准值误差均低于5.0%,且本系统具有更好的线性度。     

THz光谱技术检测DNAN炸药含量的研究

为了对一种新型低感熔铸炸药(DNAN)含量进行检测,设计了THz光谱相干探测系统,检测确定了DNAN的THz特征波长位置,又利用比尔朗伯定律求解了DNAN的含量。设计了由主控系统控制步进电机实现光电探测器微扫描的时间相干THz光谱检测系统,计算推导了DNAN含量求解需要的系统参数,获得了DNAN的THz特征光谱。实验采用三种方法分别对不同DNAN含量的爆炸物样品进行检测,结果显示,该系统精度接近目前广泛应用的THz光谱检测设备MINI-Z太赫兹光谱仪。在此基础上,设计了特征吸收峰优化算法,通过Origin软件仿真分析可知,该算法可以进一步提高系统的探测精度及稳定性。     

基于微流控芯片的电解质溶液太赫兹吸收特性研究

由于许多生物分子的振动和转动能级均在太赫兹波段,且太赫兹波具有电子能量低（约4 meV）,不会破坏待测样品的特性,因此可以采用太赫兹光谱技术检测生物样品。然而许多生物分子在液体环境中才能保持其生物活性,需要在盐溶液中来探究酸碱环境对其的影响,以及在盐类缓冲液中研究其生物特性。但水作为极性液体对太赫兹波有强烈的吸收,因此,探究如何减少水对太赫兹吸收的方法非常必要。水对太赫兹的吸收主要因水分子间氢键造成,现阶段最常见的方法是减少水与太赫兹波的作用距离以及破坏水分子间的氢键。利用夹心式微流控芯片在太赫兹时域光谱系统下通过观察光谱强度变化来探究电解质对水分子间氢键的影响,既减少了水和太赫兹波的作用距离,又探究了电解质对水分子间氢键的作用。在微流控芯片中分别加入不同种类以及不同浓度的电解质,通过观察其在0.1～1.0 THz范围内的光谱强度变化来分析不同电解质对水分子间氢键的影响。部分电解质促进氢键的缔合,而另一部分则破坏氢键的形成,在太赫兹光谱范围内表现为光谱强度的变化。若促进氢键的缔合则对太赫兹吸收变大,光谱强度减弱;若破坏氢键的缔合则对太赫兹吸收减弱,光谱强度增加。研究结果发现：在水中加入KCl和KBr时,太赫兹光谱强度增加,表明二者对氢键有破坏作用,使得光谱强度变大;然而当加入MgCl₂和CaCl₂时,太赫兹光谱强度减弱,表明二者对氢键有缔合作用,从而使光谱强度变小。利用太赫兹技术在0.1～1.0 THz范围内研究KCl,KBr,MgCl₂和CaCl₂这四种不同浓度的电解质溶液特性,发现它们只会对光谱强度造成一定影响,不会引入新的特征吸收峰以及对待测样品造成干扰。这对于研究诸如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等在0.1～1.0 THz范围内有特征吸收谱的生物分子具有一定的实用价值。在溶液中加入所需的电解质并借助微流控芯片不仅可以识别待测样品、研究待测样品的光谱信息、探究其生物特性,而且为进一步推动太赫兹技术在生化方面的应用研究提供了先决条件。     

高密度外延电阻淬灭硅光电倍增器研究

针对表面淬灭电阻技术引起死区面积较大,以及高光子探测效率与大动态范围不能同时满足的矛盾,应用外延电阻淬灭技术,采用与雪崩光电二极管微单元相连的衬底外延层硅材料制作了淬灭电阻.研制成功的外延电阻淬灭硅光电倍增器的有源区面积为1×1mm~2,微单元尺寸为7μm,微单元密度高达21 488个/mm~2,测试结果表明:漏电流为10量级,反向击穿电压为24.5V,过偏压为2.5V时,增益达1.4×10~5,室温下暗计数率约为600kHz/mm~2,串话率低于10%,说明该器件具有良好的光子计数特性.该高密度硅光电倍增器测量的动态范围是1.8×10~4个/mm,光子探测效率为16%(@λ_(peak)=480nm),恢复时间为8.5ns,单光子分辨能力较高,并且在液氮温度环境能够探测光子,这对于拓展硅光电倍增器在极低温度条件下的应用,比如暗物质测量实验方面具有潜力.     

基于片上系统协同计算的实时数据自动检测电化学传感器

针对应用于生物体内特征物质检测与跟踪的电化学传感器的其智能化和集成化问题,本文提出了一种基于片上系统的支持实时数据自动检测的电化学传感器。首先,将应用于电化学传感器结构,通过将测量样品、检测溶液接口、多电极和检测传导器等单元集成在片上系统,结合信号转换和电源装置,实现电化学传感器的独立计算、存储和通信功能。接着,通过实现待测量物多电极、检测溶液电极子和单片机逻辑控制的协同计算满足自动检测需求。最后,基于数据整合与自动化处理设计了支持实时数据检测的电化学传感器。验证结果表明,在数据检测精度和实时性方面所提方案明显优于传统的非片上系统电化学传感器。     

基于微流控技术的磁流体载基液的太赫兹透射特性研究

太赫兹(THz)是指频率在0.1～10 THz的电磁波,其波长在30～3 000 μm范围内。由于自然界许多小分子的振动、转动等的频率均在太赫兹波段,并且太赫兹的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏,所以太赫兹技术被广泛地应用于无损检测、生物医学等领域。但是太赫兹在铁磁领域的相关报道还是较少的,因此本研究利用太赫兹时域光谱系统研究了一种新型磁性材料：磁流体的组成部分-载基液的太赫兹透射特性。磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性的新型功能材料,其打破了传统磁性材料的固体形态。磁流体由Fe₃O₄纳米级颗粒以及载基液构成。在前人的研究成果中发现磁性液体不仅具有良好的磁光效应,而且对于一定频率的太赫兹波具有高透射率;另外,在极低频电磁场作用下其可用于医学上的肿瘤治疗,可作为靶向治疗的载药系统。由于磁流体的组成部分-载基液成本较高,因此在实验中运用了微流控技术。微流控技术对检测样品的消耗少、检测速度快,并且可以根据实验需求自行设计沟道,因此是一种便捷的、灵活性好的检测方式。采用对太赫兹波具有高透过率的石英材料制成了夹心式的太赫兹微流控芯片。首先将两块3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作为基片和盖片,再把强粘黏性双面胶剪刻成镂空样式,形成2 cm×2 cm的方形区域,然后把盖片和基片通过雕刻好的强粘黏性双面胶键合,其沟道厚度为50 μm,可以用于对少量液体的探测,并且可以使载基液呈薄膜状。之后将太赫兹技术和微流控技术相结合,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统研究了载基液的太赫兹透射特性,通过对太赫兹时域光谱以及频域光谱的研究发现,装有载基液的微流控芯片的信号强度高于空的微流控芯片,这一发现为载基液的应用和深入研究提供了技术支持。     

基于THz光谱成像的纸币真伪鉴别研究

根据纸币防伪特征区域载体材料与制作工艺的不同,利用透射式太赫兹脉冲成像技术对2005版真伪百元人民币的白水印和安全线两处防伪特征区域进行逐点扫描获取相应的太赫兹时域信号,然后对太赫兹波形进行数据处理获得时域显示模式成像及频域显示模式成像。将真钞和假钞的成像结果进行对比,发现白水印、安全线部位的真假钞成像结果区别明显,证实太赫兹脉冲成像技术能够真实、有效地对真假人民币进行多区域、多维度的准确鉴定。     

基于THz时域混沌特征的煤粉细度检测方法的研究

煤粉气力输送的细度检测对磨煤机工作状态的最优控制具有重要的意义。传统的检测方法多采用抽检取样法,通过分样筛等设备检测样品的细度,耗时长且操作复杂。国内外对细度地快速检测也有部分研究成果,但所测粉体浓度须较低,且设备稳定性还有待提高。太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新型的无损检测技术,其低能性、选择透过性、相干性等特点使它具备其他光谱测量方法没有的优势。国内外对太赫兹辐射与颗粒介质相互作用的研究表明,太赫兹波对颗粒介质的细度具有显著敏感性,因此通过太赫兹波检测煤粉细度具有可行性。太赫兹波在高浓度颗粒介质的传播可以被看成是一个非线性动力过程,这个过程包含了复杂的非线性动力学效应,导致光谱测量结果具有混沌特征。将非线性动力系统的概念应用到太赫兹时域光谱信号的分析中,将太赫兹时域光谱信号视为由复杂非线性动力系统产生的时间序列进行特征分析。实验中将煤样研磨并筛分为<38.5,55~74,74~88,88~105和105~200 μm六种细度,并将煤粉与HDPE混合后压制成样品片。分别提取了的煤粉样品太赫兹时域光谱信号的功率谱熵、小波能量熵、盒维数、关联维数、偏度和峭度作为太赫兹时域光谱的混沌特征,通过比较发现这些混沌特征与细度变化具有一定的相关性,从视觉上可以大致区分出细度范围,但无法进行定量分析。支持向量机常用来解决小样本和非线性的分类问题,但是需要选择合适的参数才能建立较为准确的预测模型。文中引入粒子群算法来优化支持向量机建模参数选择。将上述提取的混沌特征向量作为粒子群算法优化的支持向量机的输入变量,以分样筛筛孔作为回归目标,对所测量煤粉细度建立回归模型。实验结果表明利用混沌特征建立的回归模型对<38.5和38.5~55 μm样品的预测结果要逊色于消光谱建模的回归结果,认为这是因为煤粉细度小,太赫兹波在样品中传播时与煤粉颗粒相互作用也比较弱,时域信号的混沌特征表现不明显所导致。对55~74,74~88,88~105和105~200 μm煤粉样品细度的预测结果要明显优于频域消光谱建立的模型,特别是74~88和105~200 μm样品,校正集均方根误差相对于消光谱分别下降了29.48%和26.14%,预测集误差分别下降了88.62%和56.86%。从预测结果整体上来看,采用混沌特征建模的预测结果与目标细度的相关系数为0.9618,消光谱建模的预测结果相关系数仅为0.78。混沌特征建模的均方根预测误差仅为9.52,消光谱建模的均方根预测误差为24.48。同时采用混沌特征的建模时间相对于消光谱的建模时间下降了43.19%。研究结果为太赫兹时域光谱技术在高浓度煤粉气力输送细度检测上的应用提供了科学依据和参考。     

基于FPGA的线阵CCD亚像元边缘检测片上系统

为提高线阵CCD边缘检测系统的精度、速度、集成度,以及系统的可靠性,提出一种集成于单片FPGA、全数字化的亚像元边缘检测系统.根据图像边缘灰度梯度的阶跃特性,通过边缘自动检测算法确定出经过高斯滤波处理的CCD图像的像元级边界,在此基础上应用多项式插值算法对图像边缘位置进行亚像元细分,实现亚像元边缘检测.以FPGA作为系统的处理核心及数字电路硬件载体,利用VHDL语言以及MAX＋plus Ⅱ软件对系统进行模块化设计,设计出集成于单片FPGA的线阵CCD亚像元边缘检测系统.系统仿真和测试表明,所设计的片上系统具有高精度、高速度、高集成度、高可靠性的特点.