用于太赫兹科学技术的材料

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1、天津大学2011届本科生毕业设计（论文）用于太赫兹科学技术的材料BradleyFergusonandXi-chengZhang太赫兹光谱系统用电磁谱中原本难以实现的部分，即远红外辐射来提取分子的光谱信息。对材料的研究已经成为现代太赫兹系统的重要组成部分：新型的，高能量的太赫兹源在很大程度上依赖于像量子级联结构的新型材料。同时，太赫兹光谱和成像又为表征众多材料，包括半导体和生物分子的特性提供了一种很有效的工具。最近几年，由于高功率源和更为灵敏的探测器为太赫兹系统开辟了更多潜在的用途，利用太赫兹系统进行材料诊断领域已经有了众多非常重要的进展。包括半导体和高温超导体的特性研究，层析成像，无标定遗传分

2、析，细胞层面上的成像和化学、生物传感等应用使得太赫兹研究从默默无闻发展到引人注目。电磁波谱的太赫兹（THz）波段被认为是最难捕捉的一段谱线。太赫兹辐射泛泛的定义为频率在0.1THz（每秒1012次）和10THz之间的频率范围。频率处于红外光波和微波之间（图1），致使在邻近波带已经娴熟应用的技术对于太赫兹波段却无法使用。高的大气吸收损耗使早期对太赫兹的兴趣和资金投入受到了限制。历史上，太赫兹光谱学主要被化学家和天文学家用于研究简单分子的旋转和振动共振以及热发射谱线的研究。在最近20年，由于先进材料的发展为其提供新的高功率的源，太赫兹系统已经发生了革命性的变化，而且其在高等物理研究领域以及其商业领

3、域的潜力已经被证实。太赫兹技术已经吸引了众多领域的关注，比如半导体领域，医学领域，加工领域和太空防卫领域。最近的几项重大技术进步极大的扩宽了太赫兹系统的潜力和应用范围。这些进展包括量子级联激光器的开发，太赫兹用于飞摩尔量级浓度的DNA中单碱基对不同之处的检测的验证，以及把太赫兹光谱用于多粒子电荷反应变化的研究。本文概述了以上和其他一些非常重要的新进展。12天津大学2011届本科生毕业设计（论文）图1电磁波谱太赫兹光谱系统太赫兹光谱系统能够检测材料的远红外光学性质随频率的变化。获得材料的远红外光学性质能使得我们洞察诸多引用中的材料特性。现在有很多不同的方法来实现THz光谱测量。傅里叶变换光谱学（

4、FTS）可能是研究分子共振最普遍的技术，其优点是带宽很宽，因此可以从太赫兹频率直到红外范围表征材料特性。在傅里叶变换光谱系统中，样本被宽频热源照射，比如弧光灯或者碳化硅棒。样品放在一个光学干涉系统中，并且其中的一个干涉臂光程变化来用于扫描。一个直接的探测器比如液氦冷却的辐射热计用于检测干涉信号。对信号做傅里叶变换就产出了样本的功率谱密度。傅里叶变换光谱学的一个缺点就是其有限的频谱分辨率。可用一个可调太赫兹源或者探测器的窄带系统获得具有更高分辨率的光谱测量。在这些系统中，光源或者探测器在期望的频带范围内调节，并且直接测量样本的频谱响应。不管是傅里叶变换光谱学还是窄带光谱学都被广泛应用在无源系统中

5、以此来检测分子的热发射谱线，尤其是在天文学中的应用。第三种近期出现的方法叫做太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）。太赫兹时域光谱技术采用宽带太赫兹辐射短脉冲，一般这种脉冲都是由超快激光脉冲产生。这种技术最先产生于上世纪八十年代的AT&T贝尔实验室和IBM的T.JWatson研究中心。虽然太赫兹时域光谱系统的分辨率跟窄带系统相比较粗糙，并且它的光谱范围也比傅里叶变换光谱系统要小很多，但是它却具有很多的其他优点，并且最近这些优点已经引起了一些重要的应用。透过的太赫兹电场被相干测量，由此可以同时提供高灵敏度和时间分辨的相位信息，而且还可以通过一个成像系统来获得丰富的光谱图像信息。12天津大学2011

6、届本科生毕业设计（论文）图2显示了一个太赫兹时域光谱系统。一般的太赫兹时域光谱系统的频率带宽在2THz到5THz，光谱分辨率为50GHz,信号采集时间一般在一分钟以内，电场的动态范围一般是。采用信号处理算法可以提高测量信号的信噪比近。图2太赫兹时域光谱系统结构图太赫兹源限制现代太赫兹系统发展的最主要的一个原因就是缺少一个高功率、低成本、轻便并且可以工作在室温条件下的太赫兹源。然而，现在已经有许多具有相对优势的潜在太赫兹源，并且高速电子学、激光和材料研究领域的进展也继续在提供新的源。源可以粗略分为几种：不相干的热辐射源、宽带脉冲（T射线）技术和窄带的连续波。宽频太赫兹源大部分的宽带脉冲太赫兹源都

7、是基于超短激光脉冲激发不同的材料。一些不同的方法已经用来产生太赫兹辐射，包括光电导天线中光生载流子的加速运动，电光晶体中的二阶非线性效应，等离子体震荡和电子学的非线性传输线。通常，以上几种源的转换效率都比较低，所以太赫兹光束的平均功率一般都是纳瓦到微瓦量级的，相比较而言，飞秒光源的功率一般都在1W左右。产生宽带太赫兹光束的最常用方法有光电导和光整流两种。光电导的方法就是用高速的光电导体作为辐射天线