太赫兹波时域光谱技术研究

发布时间：2020-07-07 18:15

【摘要】：太赫兹波主要指频率0.1?10THz、介于微波与红外辐射之间的电磁波。太赫兹波段处于电磁波谱中一个非常特殊的位置,具有很多独特的性质,例如低能性、穿透性、“指纹”特性等,使得太赫兹波在安全检查、环境监测、军事通信、生物医学、天文观测等领域具有非常重要的应用前景。其中,太赫兹波时域光谱技术凭借其独特的技术优势,在很多领域已显现出重要影响和作用,吸引了国内外广大科研工作者的密切注意。本论文主要针对太赫兹波时域光谱技术,开展了以下研究工作:(一)概括论述了太赫兹波的基本特性和典型应用,重点讨论了太赫兹波时域光谱技术、太赫兹波时间分辨光谱技术以及太赫兹波发射光谱技术等主要太赫兹波光谱技术的原理及其发展应用,阐述了一些国外公司研发的商用太赫兹波时域光谱仪及其特点,进而指出自主研发集成化太赫兹波时域光谱系统的必要性和迫切性。(二)设计了集成化太赫兹波时域光谱系统的方案,并根据设计方案自主研发了一台可作为集成化太赫兹波时域光谱系统激发光源的飞秒光纤激光器,实验测试了飞秒光纤激光器输出的激光光谱和远场光斑,经过优化设计的光纤激光器输出端的最短脉宽优于60fs,完全可以满足太赫兹波时域光谱系统对激发光源的需求;完成了集成化太赫兹波时域光谱系统激发光源和光控时间延迟模块的封装工作;使用图形化编程语言LABVIEW设计了集成化太赫兹波时域光谱系统的光控时间延迟控制和数据采集软件。(三)优化了实验室已有的基于双色激光诱导空气等离子体产生太赫兹波的太赫兹波时域光谱系统,系统优化后的太赫兹时域信号峰峰值比优化前提高了3倍,频谱覆盖范围从0.1?5THz增大到0.1?9THz;基于光电流模型分析研究了双色激光波长对等离子体产生太赫兹波特性的影响,研究发现,基频激光波长在400~1600nm时,产生的太赫兹信号强度随着双色激光波长的增大而增强;但是,基频激光波长继续增大到1600~5000nm时,产生的太赫兹信号强度随基频激光波长增大显现愈加复杂的变化,总体呈振荡式增强。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O433;O441.4
【图文】：

1.1 太赫兹波简介“太赫兹”这个名词已经逐渐被人们熟悉，有时候人们称它为太赫兹波或者太赫兹辐射，甚至简称为“T 射线”。一般的，“太赫兹”指的是频谱在红外线和微波之间的电磁波[1]。通常，我们把太赫兹波定义为频率在 0.1THz到 10THz之间的电磁波，如图 1.1 所示。频率为 1THz 的电磁辐射对应的波长为 300 m，单光子能量为 4.1meV，特征温度为 47.6K。由于太赫兹频段处于微波和光波的过渡区域，使得无论使用电子学方法还是光学方法，都很难产生和探测太赫兹波。直至 20 世纪 80 年代中期之前，因为缺乏有效的产生方法和检测手段，这段电磁波从未被深入研究过，被称为“太赫兹间隙”（Terahertz Gap）[2]。近 20 年来，超短脉冲激光技术的飞速发展为相干产生和相干探测太赫兹波提供了稳定的激发光源，从而使太赫兹频段的电磁辐射得到了广泛研究，目前太赫兹波已广泛应用于医学成像[3,4]、分子光谱学[5,6]、通讯[7,8]、无损检测[9]等领域，在未来将具有巨大的发展潜力和应用前景。

图 2.1 太赫兹波时域光谱系统示意图he schematic diagram of terahertz time domain spectr光谱技术是太赫兹波技术应用最为成功的范例频段物理化学特性的重要工具，引发了国内外大学温海燕等提出将连续小波变换用于太赫兹号在时间-频率域上展开，得到二维的时间-频谱图相比，它同时含有时频域分辨率，不仅可以，还能直观地表现出各频率成分之间的相对时大学李静等将几何代数引入太赫兹波时域光谱信于几何代数的太赫兹波时域光谱信号物质识别华等根据等效采样原理，设计了基于闭环控制的系统，该系统可进行快速连续扫描采集，扫描时

图 2.2 太赫兹波时间分辨光谱系统示意图 2.2 The schematic diagram of terahertz time resolved spectrum sy时间分辨光谱技术已成为太赫兹波光谱技术的重要应用的研究热点。2004 年，首都师范大学张亮亮等利用快速了太赫兹波时间分辨光谱系统的低频噪声，提高了系统当于延迟 13 皮秒的太赫兹时域波形，信噪比达到 200，乙烯在太赫兹低频波段（小于 3.5THz）的吸收特性，发的吸收非常小，但可以很大程度地吸收近红外和可见光，值的光学材料[39]。2011 年，南开大学杨程亮等利用太赫探测到飞秒激光脉冲在铌酸锂晶体中产生的太赫兹声子到了这种波动在微结构中的动态衍射和干涉动态过程[40]等针对飞秒激光在铌酸锂中激发的太赫兹声子极化激元套时间分辨成像技术，可以对太赫兹信号其强度、位相等

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本文编号：2745445