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1、哈尔滨工业大学专业导论课调查报告基于太赫兹光谱技术的纺织材料鉴别与分类的研究报告姓名：张佳崎学号：1110100305学院：电气学院班级：测控三班基于太赫兹光谱技术的纺织材料鉴别与分类的研究报告引言THz(terahertz)辐射是指波长在3mm~30μm范围,频率在0.1~10THz,典型中心频率为1THz的电磁波[1~3],其波段位于微波和远红外之间。由于产生和检测THz比较困难,所以它不像其两侧的微波和红外辐射技术那样早已经被科学家完全掌握,相反,人们对该波段电磁辐射性质的了解还非常有限。但自20世纪80年代以来,由于超快技术的发展,使得THz的研究和应用成为一个迅速发展的
2、前沿领域。其在断层成像技术、电磁武器、安全检查、无标记基因检测、半导体材料、医疗诊断以及环境监测等方面的应用前景非常广阔。电磁波和可见光可以分别用电磁震荡和半导体激光器产生,但电磁震荡限于300GHz以下;激光辐射的可见光、红外线等限于50THz以上,而超出这个范围,任何一种装置都无法正常工作,或效率极低[4]。即使到了今天,常温下的THz发射和接收装置问题仍未完全解决。在早期的电磁波谱应用中,由于THz大气吸收率高,以及发射和接收技术等方面的困难[5],限制了研究人员对THz的兴趣。现在随着对THz技术的逐渐掌握,THz技术以其独特的性能引起了各个领域研究人员的极大关注。本文将
3、对THz的关键技术进行说明,包括THz发射源、THz的探测技术和THz成像技术,并特别介绍钛赫兹在纺织材料鉴别与分类方面的应用。1THz关键技术的研究1.1THz的产生和探测装置THz技术的关键就在于THz辐射的发射源和THz辐射的检测,正是由于这两项技术在以前不是很成熟,一直限制了THz技术的发展。目前,THz的产生方法主要有两种:光电导和光整流。光电导是由Auston研发小组首先提出并获得初步的试验成功[6]。其原理是利用飞秒激光激发光导体材料GaAs(如图1所示),在光导材料中产生电子-空穴对,这些自由载流子在受到表面或外加电场的加速作用下产生辐射。如果把光导体表面电场受载
4、流子的遮蔽效应略去,则光电流的大小由入射光所激发的载流子决定。THz脉冲的大小正比于入射光强的一阶微分。飞秒激光发GaAs晶体Fig.1GaAscrystalexcitedbyfemtosencondlaser光整流模型[7]是1992S.1.Chuang和S.L.Luo提出的。光整流是一种和电光效应相反的过程,是一种非线性光学效应。飞秒激光脉冲经由整流介质耦合成极化场,极化场的一阶微分即为THz辐射光强。相对于入射光强来说,THz辐射强度正比于入射光强的二阶微分。其功率转换效率取决于非线性系数和相位匹配条件,THz脉冲宽度与入射脉冲宽度相当。另外还可以用其它方法产生THz辐射,
5、如高强度的激光激发等离子体。与THz辐射产生方法相对应,接收方法也主要有两种:光导天线和电光取样技术。光导天线最早是Mourou和Austom等人开发出来的,用于接收THz辐射[8]。光导天线包括一个共面的传输线和由超短载流子寿命材料制成的偶极子天线。抽样脉冲在光导层产生自由载流子,当THz脉冲到达时,即可驱动这些自由载流子,产生正比于THz电场的光电流。记录抽样脉冲和光电流,可以获得THz脉冲的时间波形。但是,光导天线只能固定在一定的频段,且其天线结构固有的共震性也限制了它的应用。它的反应频段取决于天线的长度。电光取样技术就完全避免了光电导的缺点,它是一项突破性的THz接收技术
6、。最早由ResselaerPolytechnicInstitute张希成教授领导的研究小组研制成功[9],由于其优良的性能而很快得到普遍应用。电光取样技术是基于电光晶体的Pockels效应(Pockels效应是指电光晶体的折射系数与外加电场成比例的改变,又称为线性电光效应)。当THz脉冲辐射到电光晶体时,晶体的折射率产生各向异性变化;当另一束探测光和THz射线同步穿过电光晶体时,THz脉冲电场导致的晶体折射率的改变将使探测光的偏振态发生变化。采用偏振法分析探测光,可得到THz的振幅和相位信息。因为电光晶体发生各向异性和THz辐射几乎在同一时间发生,所以电光取样所探测到的频段远比光
7、电导宽。1.2THz辐射的成像研究1995年,贝尔实验室的B.B.Hu博士等人首先使用光导偶极天线对树叶和封装的半导体器件进行远红外成像[10],如图2所示。成像装置（如图3所示）主要由以下几个部分组成:①Ti宝石自锁模激光器,由其提供100fs波长λ=800nm的激光脉冲;②延迟装置,用来调节光束的到达时间;③带有光学门限的THz发射器(GaAs),上面施有80-100V的偏置电压;④两个离轴抛物面反射镜,用于光束的校准和聚焦;⑤THz检测装置;⑥前置放大器;⑦A/D转换器和数
