基于光学参量振荡和最大原子相干产生太赫兹波的分析

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1、^·厶A4．2．1受激拉曼绝热通道(STIRAP)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一434．2．2EIT对输出波强度的提高⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．454．3红宝石中利用最大原子相干产生THz波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．：⋯⋯⋯一48全文总结与展望⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．55参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．57发表论文和科研情况说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．63^厶A第一章太赫兹波技术的应用前景与太赫兹波源的发展现状太赫兹波(TerahertzWave：THzWave)的频率范

2、围为1011—10”Hz(1TH萨1012Hz)，THz波段在电磁波谱中毫米波和远红外光之间(30／an～3ram)，位于光子与电子学之间，微观与宏观的过渡区域。由于THz波在电磁波谱中位置的特殊性，THz具有很多独特的性质，如低能性(1THz的电磁波的光子的能量仅约为4meV，约为X射线光子能量的百万分之一，不会对生物组织产生有害电离)，指纹性(许多分子在THz波段范围内有强烈的吸收色散特性，这种特性与分子的振动和转动能级相关的偶极跃迁相关的，而分子的偶极跃迁如同人的指纹一样具有专一性)。由THz波的这些特性，使其在生物医学，环境监测，国防安全等很

3、多领域内有着很重要的作用。本章首先根据THz波的特性对THz波技术及其发展概况进行简单介绍，然后介绍THz波源的研究和发展概况，将重点放在本文所论述的太赫兹参量振荡技术的发展以及基于最大原子相干产生THz波的理论研究上。1．1太赫兹波技术的发展概况1．1．1太赫兹波成像技术的应用与发展由于THz波的光子能量很低，1THz的光子能量约为4meV，这种能量不会像X射线一样对生物组织产生有害影响；并且很多分子在THz波段有强烈的吸收和色散特性。一般的THz波的产生机制是利用相干波来产生THz波的，这种情况下的THz波具有相干性，此时THz波对相位特性尤其敏

4、感，根据THz波的各种光谱数据(包括振幅和相位)，可以据此得到样品的吸收系数和折射率等特性。因此THz完全具有光谱成像能力。基于此，美国的Hu等人发明了第一台n{z成像系统【¨，在这之后THz波成像技术快速发展，应用于各个领域，如生物医学【2】，半导体和火焰等。因为很多生物大分子，包括DNA分子，其旋转能级和振动能级位于THz波段，而且THz波对生物组织不会造成电离，因此利用THz波成像技术可以用于生物医学，用来检测癌细胞的表皮成像[31，基于此，THz波成像技术已经成为生物医学中一个有效的诊断工具。Chen等人【4】利用THz波成像技术测量乳腺的健

5、康组织和肿瘤病变组织的光谱，相比较得出两者的THz波的振幅，波形都不同，因此THz波成像技术可以用来实现肿瘤的早期诊断。利用^“天津大学硕士学位论文THz波成像系统也可以研究细胞结构，因为细胞中含水量的不同而得到图像的对比度【5一。THz波成像技术还可以用来分析DNA或者其它生物分子的压片，得到其折射率，因此可以利用THz光谱分析单股和双股DNA[7一。在生物医学中，THz波还可以用来做生物探头，称之为T射线生物探头【9】，根据有机组织在，n{z波段的光学性质的不同来追踪蛋白质或者维生素【101。1．1．2太赫兹波在卫星通信与大气遥感方面的应用与发展

6、脉宽在皮秒量级的THz波脉冲辐射，其频带范围(从GHz到几十n{z)较宽，是微波频率的一千倍，因此若能利用THz波进行无线电通信，则将可能实现无线移动高速网络。基于此，科学家们提出了太赫兹波通信技术，有专家预言，无线THz网络将有可能会成为短距离无线通信的主导技术【111。与微波通信相比，THz通信技术传输容量大，速率高；且THz波方向性更好，可以探测更小的目标以完成精确定位；而且THz波的保密性及抗干扰能力更强。与光通信相比，因为THz波的光子能量更小，所以用THz波作为载体，能量转换效率将会更高【l21。当然，在大气中的水蒸气对THz波吸收很强烈

7、，给太赫兹通信技术的发展带来明显的障碍，但是由于太赫兹波的众多独特性质，太赫兹通信技术的发展将会有很大突破。由于通信过程由发射，传输，接受(探测)，数据处理这几个部分组成，所以随着THz波源的种类越来越多，功率越来越高，性能越来越完善；THz波导的发展也日趋成熟；THz波探测器和数据处理技术的理论和实验研究更加深入，THz波通信技术的发展指日可待。与THz波通信技术类似，THz波在大气遥感和雷达探测方面也有着重要的意义。可以达到更高的精度，其分辨率和保密性也将更高，同时具有反隐身能力；而且由于全球对于太空领域的研究愈演愈烈，对于月球的探索显得尤为重要

8、，没有大气层的月球避免了THz波在大气中的强烈吸收，因此将THz用于大气遥感探测月球是再合适不过。如表1．1