利用辉光放电气体对THz波进行频率上转换探测的研究

发布时间：2020-06-15 20:35

【摘要】：随着超快光电技术的发展,太赫兹(THz)波的研究有了革命性的进展,目前THz波在无线通信、探测和成像等方面都开展了实际的应用。但是,THz探测技术至今仍是制约THz技术发展的一个主要阻碍,目前的THz探测器,大多存在价格昂贵,需要工作在较低的温度下等不足,都不适合在实际应用中广泛使用。本课题组针对这一问题,提出利用辉光放电气体通过频率上转换方法探测THz波,研制了频率上转换探测器,并初步测试了其性能,证明了其是一种价格低廉、室温操作的高灵敏度THz探测器。本文进一步提出通过研究THz波对氖灯光谱的影响来研究频率上转换探测器的探测性能和机理,具体研究内容及获得的结果如下:第一,测试了实验中所使用氖灯的伏安特性曲线,通过对伏安特性曲线的分析,确定了所使用氖灯工作在正常辉光放电状态和异常辉光放电状态发生稳定放电的实验条件。第二,实验测试了基于氖灯的频率上转换探测器的性能,利用光谱仪采集不同电压下有无施加THz辐射场的氖灯的发光光谱,发现在THz波的影响下,氖灯的发光光谱增强。在较低的放电电压下,探测器具有较高的转换效率。第三,深入研究了利用辉光放电气体对THz波进行频率上转换方法探测的机理,利用高激发态原子的特点定性解释了氖灯发光强度增强的原因,提出高激发态原子在等离子体与THz光子相互作用的过程中起到了关键性作用。认为在等离子体放电空间存在少量高激发态氖原子,高激发态原子由于电子位于较高的能级,该状态的电子吸收THz光子后,可以电离,产生的新电子在电场的加速后在阴极暗区将引发进一步的电子雪崩效应,直接导致了更多的电子进入到了负辉区,导致等离子体的发光明显增强。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O461.21;O441
【图文】：

太赫兹波,电磁波谱,位置

图 1-1 太赫兹波在电磁波谱中的位置Fig.1-1 The position of the terahertz wave in the electromagnetic spectrum近年来，随着超快光电子技术的发展，THz 波的研究有了革命性的进展[1]，目前 TH波在无线通信、探测和成像等方面都开展了实际的应用[2,3]。但是 THz 探测技术直径仍然是制约 THz 技术发展的重大障碍。上世纪 80 年代人们已经开始对 THz 波进行研究，但目前所有的 THz 探测器，要么价格昂贵，要么实验条件苛刻，都不适合在实验室中广泛使用。THz 波由于其频段所处位置的特殊，所以其具有相干性、宽带性、穿透性，瞬态性等特性[4]。这些特性使得 THz 波成为交叉学科科研中的热点研究方向之一。目前 THz 成像技术广泛应用于安检和医学领域，由于 THz 光子能量低，所以在安检或医学检测过程中不会对人体造成伤害[5,6]，在检测领域，THz 光谱已被证明是研究生物学重要分子的（如氨基酸、多肽等）的低频谱的有力技术[7]。1.1 THz探测技术对于 THz 波技术的发展，一方面要有高功率、稳定的 THz 辐射源，另一方面需要灵

示意图,气体放电管,放电电路,示意图

THz 波段通过等离子体进行频率上转换率低于可见光频率，而且目前对可见光将 THz 波通过频率上转换技术转换到可本章首先主要分析氖灯的放电过程及其度分析了电学方法探测 THz 波的探测机究频率上转换方法探测 THz 波的机理。路的构成元件为气体放电管和电源，如图一旦高于击穿电压，放电管内气体会发生子和自由电子由于所带电荷电性的不同而出现放电电流。由于带正电的气体离子远远小于自由电子，从而气体离子会在放极的迁移，因此，即便放电管两端电压电流[52]。

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