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太赫兹技能及其使用详解

太赫兹技术及其应用详解-相对于毫米波技术, 太赫兹技术的研究还处在探索阶段。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等,其关键部件可以分为无源元件和有源器件。 无源元件包括太赫兹传输线、滤

太赫兹研讨首要会集在0.1-10 THz 频段。 这是一个掩盖很广泛而且很特别的一个频谱区域。起先, 这一频段被称为“THz Gap (太赫兹距离)”,原因是这一频段夹在两个展开相对老练的频,即电子学频谱和光学频谱之间。 其低频段与电子学范畴的毫米波频段有堆叠, 高频段与光学范畴的远红外频段(波长0.03-1.0 mm) 有堆叠。 因为这一范畴的特别性, 构成了前期研讨的空白区。 但跟着研讨的展开, 太赫兹频谱与技能对物理、化学、生物、电子、射电地理等范畴的重要性逐步闪现, 其使用也开端渗透到社会经济以及国家安全的许多方面, 如生物成像、THz 波谱快速检测、高速通讯、穿墙雷达等。 太赫兹之所以具有杰出的使用远景, 首要得益于其光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性。
例如: 自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率都处在太赫兹频段, 这对检测生物信息供给了一种有用的手法; 太赫兹频段光子能量较低, 不会对勘探体构成损坏, 能够完成无损检测; 太赫兹波对介质资料有着杰出的穿透才能, 然后可作为勘探荫蔽物体的手法; 太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级, 能够得到高信噪比的太赫兹时域谱, 易于对各种资料进行光谱分析; 此外, 太赫兹频段的带宽很宽, 从0.1-10 THz可为超高速通讯供给丰厚的频谱资源。

相关于毫米波技能太赫兹技能的研讨还处在探究阶段。太赫兹技能首要包含太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等,其要害部件能够分为无源元件和有源器材。 无源元件包含太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等, 而有源器材包含太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振动器等。

1、太赫兹源

伴跟着太赫兹波生成技能的展开, 太赫兹源的研讨已有许多有价值的新进展。 研制低成本、高功率、室温安稳的太赫兹源是展开太赫兹技能的根底。 太赫兹源的分类多种多样, 依照产生机理, 能够分为依据光学效应和依据电子学的太赫兹源。依照源类型能够分红3 类: 非相干热辐射源、宽带太赫兹辐射源以及窄带太赫兹接连波源。

1.1 非相干热辐射源

非相干热辐射源在热平衡的情况下将热能转换为光能, 产生接连的光谱。 首要比方如日常日子中的太阳, 以及白炽灯。 因为其产生的太赫兹波功率很低, 使用远景较为限制。

1.2 宽带太赫兹辐射源

宽带太赫兹辐射源现在首要使用于光谱体系, 首要由周期为几十到几百个飞秒的脉冲产生,在频谱上包含高达几十太赫兹的超宽频谱重量。 产生办法包含:

a) 光导天线:光导天线进行太赫兹辐射的首要机理是光导天线在光脉冲的照射下产生载流子, 并在电场效果下加速运动, 在外表产生瞬态电流,然后辐射太赫兹电磁波,其特色是具有较高的输出能量。 近年来, 国内外展开了许多关于光导天线产生宽带太赫兹波的研讨。

b) 光整流法: 光整流法是使用非线性的光整流效应, 使两个光束或许一个高强度的单色光束在介质中传达时产生差频或和频振动,其特色是能够完成太赫兹超宽带输出, 可是输出能量相对不高。 依据此原理, 太赫兹辐射源得到了长足的展开。

c) 空气等离子法: 空气等离子法的原理是使用激光聚集击穿空气产生太赫兹辐射。

d) 半导体外表: 依据半导体外表的太赫兹辐射源的根本作业原理能够总结成外表电场效应和光生丹培效应。 关于某些宽带隙的半导体资料, 其外表存在外表态, 因为外表和内部的费米能级不一致, 会构成外表电场。 在这个电场效果下, 被激光激起的载流子会构成瞬态电流, 然后构成太赫兹辐射。 关于某些窄带隙半导体资料, 因为其吸收系数很大, 许多的载流子会在半导体外表构成, 其间的电子和空穴在向半导体内分散的时分使正负电荷在空间中别离, 构成光生丹培电场, 辐射太赫兹波。 这种办法的特色是简略易操作, 但辐射功率较低。

1.3 窄带太赫兹接连波源

窄带太赫兹辐射源的方针是产生接连的线宽很窄的太赫兹波。 常用的办法包含:

a) 使用电子学器材规划振动器, 特别是以亚毫米波振动器为根底, 进步振动器的作业频率, 以规划完成适宜太赫兹频段的振动器。 因为这一特色, 现在报导的太赫兹源的作业频率首要会集在较低的太赫兹频段。可是, 在此根底上使用倍频链已获得了1THz 左右乃至更高频率的太赫兹波。

b) 太赫兹量子级联激光器(THz-QCL) 作为相干光源的一种,是依据导带子带电子能态间跃迁和声子共振辅佐隧穿完成粒子数回转。 跟着量子级联激光器的迅速展开, 能够用来研讨细小标准的物质运动, 比方电子微观输运, 纳米光子学等。 一起因为其结构紧凑, 使之在许多范畴具有很高的使用价值, 如天体物理和大气科学、空间通讯、精细光谱测量、安检范畴和太赫兹成像等。

c) 自由电子激光器是将在磁场中运动的相对论电子束的动能转换为光子能量, 然后产生激光, 其特色是具有高能量和高相干性。 因为其接连性,辐射波长能够调谐到任何波长, 十分适宜用作太赫兹辐射源, 但自由电子激光器的缺陷是功耗高、体积大和费用贵重, 因而自由电子激光器根本上用在实验室环境中。

d) 光泵太赫兹激光器: 太赫兹频段契合许多极性分子的滚动能级, 光泵太赫兹激光器使这些极性分子的滚动能级间的粒子数回转,然后产生太赫兹辐射。 国内外相关作业中, 常用的气体有CH3F 、NH3、D2O 、CH3OH 等。

e) 差频太赫兹辐射源: 差频太赫兹辐射源首要使用非线性晶体的差频效应来产生相干窄带的太赫兹辐射。 这种办法中, 需求两束不同波长的激光, 即频率不同, 以必定视点泵浦非线性晶体, 例如GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3 以及有机晶体DAST 等。 太赫兹波的频率取决于泵浦光波长, 能够便利进行调谐。

f) 光参量法: 光参量法是使用一束泵浦光入射晶体, 激起出斯托克斯光和电磁耦子。 在泵浦光和斯托克斯光的一起效果下, 电磁耦子产生受激拉曼散射, 完成太赫兹辐射。

2、 太赫兹传输

因为太赫兹波在空气中的损耗较大, 所以其传输结构是一个不可或缺的部分。对不同传输结构的损耗和色散特性的研讨,逐步成为了太赫兹范畴的研讨热门。。各国科研人员都在尽力寻觅低损耗、低色散、高功率容量的太赫兹传输结构,也便是寻觅适宜传输太赫兹波的资料和结构。就研讨办法而言, 首要是依据太赫兹频段在波谱中夹在毫米波频段和光学频段之间这一特性,人们企图将在这些频段老练的传输资料进行改善使用到太赫兹频段, 这些测验包含金属圆波导、平行平面金属波导、金属线波导、带有金属涂层的介质波导、全介质波导、亚波长周期孔阵列、椭圆形空心光纤包层的微结构光纤、双线传输结构、光子晶体等。 如上所述,太赫兹频段的传输结构有许多挑选, 需求针对不同的需求挑选适宜的导波结构。 一起仍需求寻觅更低损耗和色散的太赫兹传输线资料和结构。

3、太赫兹检测

类似于太赫兹源, 其检测办法能够分为非相干检测和相干检测。

3.1 非相干检测

非相干检测, 即直接检测, 是指使用检波器将检波信号直接转化为电流或电压信号, 得到被测信号的起伏信息。 这种检测办法结构简略、动态规模宽, 适宜于对毫米波、远红外线、可见光等频段的检测。 它的一个明显长处是可选用大规模检波阵列进行检测。 但是, 因为其相位信息的缺失, 它难以完成超高分辨率。 用于直接检测的检波器一般分为非制冷型检波器和制冷型检波器。 非制冷型检波一般作业于室温环境, 具有中等的灵敏度和较长的呼应时刻。制冷型检波器因为其作业温度很低, 能够获得很高的灵敏度和较快的反应时刻。

3.2 相干检测

不同于非相干检测, 相干检测一般选用类似于传统通讯体系中的超外差结构,先将太赫兹信号变换到较低的微波毫米波频段,再选用传统的办法提取信号的起伏和相位。 因为选用了变频办法,相干检测体系较为杂乱,需求混频器等要害元器材,一起对混频器以及太赫兹本振源提出了较高的要求, 比方较高的输出功率和较低的噪声等。 值得一提的是, 因为可检测到相位信息,能够获得较高

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