太赫兹多光谱成像技术的初步研究

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1、第一章引言处产生的场强dE为dE。ABexp(-jkp)．．．exp(-j—kr—)．cosO．dS(1——2)pf其中，B为比例因子。实际上，从波源T发射的球面波，在波阵面S的任意面元上都产生二次辐射场。它们都对R点的场强有贡献，即R点接收到的场强是S上所有二次辐射源在R点产生辐射场强的叠加结果，因此R点的场强E为E。ABexp(-jkp)．ffexp(-jkr)．．COSe．ds(1—3)0．，pr这就是惠更斯一费涅尔原理的数学表达式。费涅尔近似求解了式(1-3)，他采用电波传播的主区一一费涅尔区和费涅尔带的方法得到了B．一上(1-4)^把式(1-4)代入式

2、(1—3)可以得到惠更斯一费涅尔原理的严格数学表达式为～警．俨嚆型⋯⋯s(1_5)电波传播的实际环境总是涉及各种各样的媒质，在一般情况下，电波传播的过程就是电磁波与媒质相互作用的物理过程。在电磁波的作用下媒质中产生极化、磁化及传导等各种电磁效应，这些效应反过来又对传播中的电磁波施加各种影响。因此，电波传播特性既与媒质特性参数(介电常数e、磁导率p和电导率。及其时空变化)有关，又与电波特性参数(最关键的是频率和极化)有关，后者可使用同样的媒质表现出极不同的特性和边界条件。1．1．2太赫兹波的传播太赫兹的传输涉及到光学准值、系统内部连接、传播媒介等很多方面，下面简要

3、介绍一下这些因素：(1)自由空间的太赫兹波的传输可以采用常规的光学技术n1。为了控制太赫兹波的传输，可以利用抛物面镜和超半球硅透镜等光学元件准直或聚焦太赫兹波。最近，用硅衬底研制出的菲涅尔透镜或菲涅尔波带片等二元光学元件取得了更好的聚焦效果。(2)太赫兹系统的组成部分除了太赫兹光源和探测系统外，其内部连接也是非常重要的，如传输系统、谐振系统等。目前，已经提出了很多种不同的传输系统，如：太赫兹金属不锈钢波导，太赫兹铁电聚合物波导，太赫兹塑料带状平面波导，太赫兹单模蓝宝石2第一章引言光纤等。但研究发现，简单的直径为0．9mm的金属导线波导性能可能最好砼1。光子晶体是

4、其折射率在空间上存在周期性变化及存在一定光学能带间隙的介质结构，具有一定的光学禁带和通带。光子晶体在近代科学技术特别是光学上有很多重要的应用。在太赫兹波技术中，光予晶体主要用来制作各种功能器件，如：太赫兹传输线及波导、太赫兹谐振腔、太赫兹滤波器、太赫兹偏振器、太赫兹开关、太赫兹混频器、太赫兹天线等。目前，光子晶体在太赫兹波技术中的应用已取得了一些研究进展，如：太赫兹波在光子晶体中的传播，德国半导体研究所研究了太赫兹波在光子晶体中的传播，结果表明：太赫兹波在硅二维光子晶体中能很好地传播，理论和实验相符；德国Freiburg大学研究人员应用激光化学蒸汽沉积技术，用A

5、1：0。陶瓷材料研究制作了太赫兹光子晶体；美国圣芭芭拉大学研究人员研究制作了太赫兹光子晶体谐振腔；日本大阪大学用彩色打印机制作出了太赫兹金属光子晶体；日本理化学研究所最近利用多层约瑟夫结制作出太赫兹光子晶体滤波器；美国Delaware大学利用硅光子晶体制成微盘结构太赫兹光子晶体微谐振腔口们。(3)太赫兹波在气体、液体和固体中的传播涉及到介质的吸收特性、相移特性和散射特性等。这是目前太赫兹波与物质相互作用研究的一个重要领域。由于开展太赫兹波技术的研究的时间比较短以及此波段本身具有的独特性质，致使太赫兹全波段的传播特性的研究还有待深入，这个领域尚有大量的研究工作要做

6、口’43。但是已有的研究结果表明，水对于太赫兹波的吸收较为明显，而非导电介质如陶瓷、纸张、塑料、木材、纺织品等，太赫兹波均有一定的穿透能力，而这些介质对于普通光波都是不透明的，也就是说，太赫兹波的穿透能力优于光波，同时又具有类似光波的“准”光学特性。1．2太赫兹波传播及其成像研究的现状及国内外研究动态1．2．1太赫兹光束在焦点位置处的传播特性对THz脉冲传播的研究是当前科学领域中最活跃的方向之一，超短脉冲光在自由空间和光学系统中的传播特性引起了广泛的关注。随着超快激光技术的发展，脉宽只有几个飞秒的激光脉冲可以比较容易的获得，这种激光脉冲只包含几个振荡周期，甚至一

7、个或半个周期，它的频谱宽度与其载波频率可以比拟，因此，这种脉冲不能再用准单色波来描述。决定脉冲光演化的传播方程是研究脉冲光传播特性的关键，在THz脉冲的实验研究中人们发现THz脉冲的时间波形在不同的探测系统中具有不同的形式，甚至它的表现形式还会随着实验的具体设置形式而变化璐1。THz脉冲波形变化的问题是THz的应用和机理研究中的一个非常严重的困难，因此受到THz研究人员的普遍关注，目前研究人员已经研究了3第一章引言THz脉冲在自由空间传播的时间特性：在THz光学系统中的时间整形已经被预测并通过实验测得；近单周期脉冲被推断在自由空间传播时会出现时域整形；在THz脉

8、冲通过小孔的传播中也发现