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太赫兹技术简介

  太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源;太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域,给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用,首先是因为物质的太赫兹光谱(包括透射谱和反射谱)包含着非常丰富的物理和化学信息,所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义;其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质。

  太赫兹(THz)辐射介于微波和红外之间,与微波、X射线、核磁共振(NMR)成像相比,太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息,而且能给出频率域的信息,以及在光频、微波和X射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息.太赫兹射线与其他频段的电磁波相比,它能量低,不会造成对生物样品的电离损伤,而且太赫兹射线很容易穿过介电材料,因而可以用于产品的安全监测.因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有可能带来新的关键性的突破。

  红外、毫米波与太赫兹都是电磁波谱的一部分。红外波长范围从0.75至1000微米,频率范围为400至0.3THz;毫米波波长范围为1~100毫米,频率为30~300GHz,即0.03~0.3THz;太赫兹,是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波。它在长波段与毫米波重合,而在短波段与红外线重合。

  在这三个波段内,电磁波辐射包括相干辐射的产生、传播和接收构成了内容十分丰富,用途特别广泛的研究领域。对于红外、毫米波的研究已经有相当的历史,并且与航空、航天、遥感、遥控、预警、监测等一系列关系国计民生的重大技术应用紧密关联。而由于缺乏有效的产生与检测方法,国际上对太赫兹的研究仅仅只有20多年的历史,人们对该波段电磁辐射性质的了解非常有限,以致于该波段被称为电磁波谱中的太赫兹空隙。

  科学家们已经达成共识:太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源,同时又是一个重要的交叉前沿领域。虽然目前利用太赫兹开发的产品非常有限,但可以预计的是未来各国将会投入庞大资源去开发太赫兹技术。

太赫兹技术的美好前景

  太赫兹的应用前景广阔,将对多个领域带来革命性变化。目前,已经投入实验性使用的是代替X光安全检测。据中科院上海技术物理研究所陆卫研究员介绍,相对于红外而言,太赫兹的波长更长,对物体的渗透性也更强。2003年美国哥伦比亚号航天飞机失事后,科学家从美国航天局提供的一块材料着手,利用太赫兹作了检测。材料里有90多个缺陷是对安全有害的,他们检测出了其中的大部分,漏检率只有百分之几,超过了其他检测方法。在美国的一些机场已经使用了太赫兹安全检测,不仅仅是从形态上,更是从化学组成上准确分辨爆炸物。

  同时,可以“看”到太赫兹的射电望远镜也已经在我国使用。沈学础院士说,肉眼只能观察到发射450-750纳米波长可见光的天体,但这类天体只占总数的很小一部分,其他的天体也是在发光发热,但却是肉眼看不到的红外、太赫兹和毫米波。宽波段的射电望远镜则能帮助科学家们观测到这些不可见光,从而了解更多天体信息。

  太赫兹另一个可能的用处是参与国际核聚变反应堆计划。沈学础院士告诉记者,从单个光子看,太赫兹的能量低,只有可见光的数百分之一。但一旦将太赫兹聚集起来,形成一个高能集束,由此放射出的一个脉冲能量可达几百兆瓦,可以为核聚变反应堆加热。建造一个高效、稳定、大功率的太赫兹发生器是科学家们研究重点之一。



太赫兹实验系统及其组件介绍


1. 特征
基于半导体的太赫兹发射源和探测器
光谱范围0.1-3 THz
亚皮秒的时间分辨率
用电脑控制并完成数据分析

2. 介绍
太赫兹和亚太赫兹的频段(100GHz-10THz)正好填补现有物理学电磁波谱中毫米波和红外线波段之间的这一段空白。被科学界戏称为太赫兹“空隙”的这段光谱是非常有吸引力的,因为已经发现许多潜在的应用,除了我们下面将提到的三大主流研究方向外,在特殊物体成像、生物检测以及先进通信系统等方面同样具有十分广阔的应用前景。

3. 太赫兹时域光谱分析(THz—TDS)

太赫兹时域光谱装置

典型的THz时域光谱学系统如图1。用亚皮秒的太赫兹脉冲透过样品,再经一段对称的自由空间后由探测器接收,测量由此产生的电磁场强度随时间的变化(利用傅立叶变换获得频域上幅度和相位的变化量),进而得到样品的信息。这样的测量方法已经成功地用于气体和有机材料的测量。

  我们知道,太赫兹(THz)光具有一些独特的性质。大部分材料及活体组织对于THz光来说都是半透明的并具备带有其特征的“指纹谱”。此外,由于THz光谱还具有非离子化和辐射能量相对较低等特点,因而它又作为一种非常安全的检测技术方法而越来越受到重视。

4. 太赫兹成像(THz Imaging)
  太赫兹射线能够深入到许多有机材料内部而不伤害材料,这个类似于X射线的特长使太赫兹成像非常适合用来测量生物样品。通过聚焦后的太赫兹光束来对样品进行光栅扫描,这套工具包就能轻易的实现太赫兹成像。

5. 太赫兹泵浦探针试验(Pump-Probe THz Experiments)
  而飞秒激光器的引入为研究超快过程的非平衡动态力学提供了手段。在采用光泵浦探针技术的试验中,样品一面被超短的强激光脉冲照射,激发出自由电信号,同时一束相对较弱的泵浦信号光从另一面射入,这束THz波改变了样品的光学性质。与纯粹的光学探针技术恰恰相反——研究发现THz泵浦脉冲在半导体的级带上是非共振的,这就避免了自由电子动力学领域试验中许多人工的假象干扰,可以放心地直接作为探针应用于光泵浦-光学探针系统。

6. THz光谱应用组件
  标准的成套工具包由:含光电导天线的THz发射和接收器、引导泵浦光路的光学组件、电机延迟线、给THz光路定向的光学镜片、样品台、带控制器的斩波器和锁相放大器多部分组成。配置简单灵活可应需更改,比如,把样品台安装在X-Y电动调整架上即转换成成像实验用的装置了。

7.THz 应用相关元件

太赫兹发射器,太赫兹探测器,光学元器件

  THz发射和接收器均集成了低温环境下生长的GaAs晶体材料光电导天线(含微波传输带)和一些THz透镜,分别安置在两个X-Y调整架当中。电子迁移率和诱捕时间这两个技术指标分别决定了光电导天线在发射器和接收器上的表现。低温环境生长的GaAs(LTG-GaAs)是较适于太赫兹应用的材料之一,因为它有极高的电子迁移率、较快的电信号捕获时间、很高的击穿电压以及高抗性。另外,我们在低温环境生长GaAs的过程中采用了一种特别的技术,使得光电激发寿命获得了一个远宽于正常的可控波谱范围:从低于100fs 一直到100ps!除了光电导天线的几何设计,像THz透镜组的参数的准确选择和低温GaAs晶体外延法生长过程选择哪类材料的附着层,这些都是非常关键的因素。我们希望在保留较佳的带宽情况下,通过优化还能输出较高能量的THz辐射。所克服的技术难点也正是这套工具包的价值所在。

  就拿THz透镜来说,这套THz发射和探测级所选配的透镜,用了许多不同材料来满足如此宽范围的波长的辐射,一般来说,像绝缘材料和硅质都是比较常用的。镀金的反射镜则是保证THz“光束”准直和聚焦的重要元件。



 

上海瞬渺光电典型客户(太赫兹THZ项目)

中国工程物理研究院

北京计量院

北京无线电计量测试研究所

中国科学院半导体研究所

清华大学

北京大学

中科院上海微系统与信息技术研究所

中国科学院上海光学精密机械研究所

上海技术物理所

西南科技大学

四川大学

成都光电所

深圳大学

长春理工大学

上海理工大学

浙江大学

南开大学

北京交通大学

中国科学技术大学

深圳先进技术研究院

东南大学太赫兹研究所

山东科技大学

厦门大学

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    高莱探测器  
    高莱探测器
    高莱探测器是最有效的太赫兹探测设备之一,是一种经典的非致冷、非选择性探测器。这种探测器可以在室温工作,在室温下具有极好的灵敏度,在很宽的波长范围内具有很平坦的光学响应,并且具有体积小、高灵敏度、高效率与宽光谱范围等优点,广泛地应用在IR & THz辐射源和探测器的研究中。
    太赫兹偏振片  
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    超宽波长范围内应用:MIR((7μm )至THz波段(3mm以上),HDPE高密度聚乙烯基底,远红外波段透射率高,高偏振度
    BWO太赫兹返波管  
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    QS1-370是我们的中档信号源之一,其最大输出频率为370 GHz。 该系统可以与倍频器结合使用,以达到1 THz以上的实用范围。 它可以在300 GHz范围内提供比同系列其他任何太赫兹源更大的功率。
    太赫兹电光探测器  
    太赫兹电光探测器
    太赫兹光电探测器(EOD)用于记录脉冲太赫兹(THz)辐射。它由集成光学器件以及内置锁定放大器组成。该探测器具有以下功能:信号调节;光电探测器的自动信号平衡微调。可以通过EOD随附的专有软件进行机械延迟电路控制的功能。该设备的应用领域包括时域光谱(TDS)。
    太赫兹分束镜  
    太赫兹分束镜
    单次分束镜:用于发射光仅通过分束片一次的光学系统 多次分束镜:用于迈克尔逊干涉仪的光路,波束多次通过分束片 材料:HRZF-Si,KBr 直径:38.1~101.mm,方形可选 厚度: 3.5~10mm,可定制
    高速线性太赫兹相机  
    高速线性太赫兹相机
    高速线性太赫兹相机具有前所未有的成像速度:每秒5000帧,并且结构紧凑,易于集成到工业生产中。对于许多采用高速自动化传送带的工业应用,该产品的超快线性传感器阵列,可用于非破坏性测试(无损检测)和质量控制(QC)。本产品适用于大多数皮带速度为15米/秒的输送机。
    亚太赫兹成像相机  
    亚太赫兹成像相机
    Tera系列THz相机由许多小的THz探测器组成,探测器像元尺寸为1.5×1.5mm,能够捕获100-700GHz的太赫兹辐射,为被动操作模式。在使用太赫兹相机时需要一个太赫兹辐射源激发目标的太赫兹辐射,从而产生图像。
    bolometer热辐射计  
    bolometer热辐射计
    bolometer对热辐射非常敏感,主要用于10至5000µm(30THz至60GHz)之间的红外光谱中。检测器元件是一个非常敏感的热敏电阻,它被冷却到LHe温度以降低热本底。
    热释电探测器  
    热释电探测器
    基于LiTa03晶体的热释电探测器设计用于配准毫米和亚毫米波长范围内的调制电磁辐射。 在辐射的方波调制下,来自探测器的锯齿波信号电压与辐射强度成正比。在探测器的输入端安装了一个黑色滤光片,以防止可见光和红外光区域的寄生照明。 检测器配有标准的BNC连接器。
    亚太赫兹源  
    亚太赫兹源
    超紧凑,可靠的亚太赫兹源,高达数百毫瓦的高功率,频率扩展高达600 GHz +,频率切换速度快
    太赫兹传感器  
    太赫兹传感器
    TeraPyro 太赫兹传感器,带有可移动预对准透镜,基于焦电子技术 >从0.1到30 THz>脉冲操作(QCW)> 4mm²单像素
    太赫兹光电导天线  
    太赫兹光电导天线
    BATOP 专业提供太赫兹发射和探测的太赫兹光电导天线(PCA),激发波长从 800nm 到 1550nm。 产品性质: 可作为太赫兹发射和探测天线 波长:800nm/1064nm/1550nm 定位准直或聚焦非球面硅透镜可选
    太赫兹法布里珀罗干涉仪  
    太赫兹法布里珀罗干涉仪
    太赫兹法布里珀罗干涉仪,其反射面之间的距离是固定的,该反射面由高电阻率浮区硅的平面平板制成。与标准的平-平窗相比,标准具的平整度和平行度更好。标准具厚度的测量高度精确。
    太赫兹源(雪崩渡越时间二极管)  
    太赫兹源(雪崩渡越时间二极管)
    TeraSense系列太赫兹源(IMPATT diode,碰撞雪崩渡越时间二极管),是一种硅双漂移二极管,过渡区域0.6um,安装在铜散热器上。双偏移二极管的分层:重掺杂(p +)层,适度掺杂(p-)层,适度掺杂(n-)层和重掺杂(n +)层。(p +)和(n+)层允许欧姆电触点接触到外部电路。设备依靠负电阻产生和维持振荡。
    强太赫兹源  
    强太赫兹源
    TeraSense公司精通制造强大的电磁真空太赫兹源的相关技术。这个技术基于回波振荡效应。一个电子枪发射出电子束,电子束在外部磁场的作用下纵向集中,这个磁场是由一个永久的钕铁硼磁铁制成的,这个电子束与慢波结构相互作用,然后,就会产生一个相对于光束向后移动的行波,这个波会被耦合到电子枪附近的波导中。通过改变加速电压和设备频率,可以进行频率调谐。电磁真空太赫兹源产生巨大的输出功率,由于这个特性,许多太赫兹频率范围内的应用成为了可能。
    太赫兹波片  
    太赫兹波片
    由双折射材料制成的平面平板用于改变辐射的偏振态。波片通过在波的两个垂直极化分量之间移动相位来工作。最常见的波片类型是半波片(λ/ 2片)和四分之一波片(λ/ 4片)。λ/ 2板给出相位延迟π,而λ/ 4板给出π/ 2。半波片改变线性偏振光的偏振方向。四分之一波片将线性偏振光改变为圆形,反之亦然。如果偏振方向沿波片轴之一,则波片不会改变线性偏振光束的偏振
    太赫兹倍频器  
    太赫兹倍频器
    基于平面GaAs肖特基二极管、大功率元件、300 GHz和600 GHz可选,高带宽> 12%
    太赫兹量子级联激光器  
    太赫兹量子级联激光器
    太赫兹是安全和非电离的,它桥接了中红外和微波波段。Easy QCL系统是一种交钥太赫兹辐射源,使用免制冷剂的斯特林循环冷却系统,无需额外校准。部分用户可互换多模QCL模块,在1.8至5THz范围内提供毫瓦级功率。
    Pre-assembled THzTDS  
    Pre-assembled THzTDS
    预组装THz-TDS系统是为有飞秒激光源的客户设计的,光路上的THz发射器和探测器是预先调准的,只需要客户将激光束引入到此系统中即可。因此预组装THz光谱系统是为熟悉光学设备而不熟悉THz设备的客户专门设计的一款THz系统。系统中的线性电机和数据采集模块可以利用T3DS软件控制进行电机扫描和时域数据采集。
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