THz技术及其应用.ppt

太赫兹(THz)波及其应用山西大同大学物电学院邓富胜2016.4.12光学前沿-(三三)THz)THz波的产生与探测波的产生与探测(四四)THzTHz波的应用波的应用(一一)什么是什么是THzTHz波？波？(二二)THz)THz波的主要特征波的主要特征内容概要(五五)THz)THz波最新研究热点波最新研究热点(一)什么是什么是THzTHz波波?THz在电磁波谱中的位置THzTHz波波(射线射线)通常指的是频率在通常指的是频率在0.1THz10THz(波长波长在在3m 30)之间的之间的电磁波电磁波，其波段在微波和红外光，其波段在微波和红外光之间，属于之间，属于远红外波段远红外波段，此波段是人们所剩的最后一个，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。未被开发的波段。Radio Microwave T-rays Infrared UV X-raysFrequency(Hz)108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 THz波具有波的特性:衍射和干涉T-ray塑料板上的单孔0120121 THz1.5 THz0120122 THz012012cm0.5 THz012012cmcmcm单孔衍射(f=1.8mm)杨氏干涉实验T-ray双缝干涉Time(ps)X(mm)1002001427空间相干1.5 THz 0.5 THz2 THz 1 THz T-射线的干涉图样(二)THzTHz波的主要特征THzTHz波的几个主要特性波的几个主要特性（一）相干性（一）相干性THz技术是相干测量技术。能够直接测量电场振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数.（二）低能性（二）低能性(4.1meV1THz)X-射线射线30kev 相差相差7个数量级个数量级!（四）（四）大多数大多数极性分子极性分子如如水水分子，对分子，对THz辐射辐射 有有强烈的吸收强烈的吸收。（三三）THz 辐辐射射对对于于很很多多非非极极性性物物质质，如如电电介介质质材材料料及及塑塑料料、纸纸箱箱、布布料料等等包包装装材材料料有有很很强强的的穿穿透透力力,可可用用来来对对已已经经包包装装的的物物品品进进行行质质检检或或者者用用于于安安全全检检查。查。在在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生物组织的不同状态分辨生物组织的不同状态，如对，如对人体烧伤部位的损人体烧伤部位的损伤程度伤程度进行诊断，还可以进行产品质量控制，如进行诊断，还可以进行产品质量控制，如测测量食品表面水分含量量食品表面水分含量以确定其新鲜程度。以确定其新鲜程度。树叶树叶新鲜新鲜2天后天后THzTHz成像实例成像实例THz局限性？局限性？（五）（五）瞬态性：瞬态性：THz脉冲的典型脉冲的典型脉宽在皮秒量级脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量，通过电光取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小于技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小于3THz时时信噪比高达信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红外，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。光谱技术，而且其稳定性更好。（六）（六）宽带性宽带性：THz脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单单个脉冲的频带可以覆盖从个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十至几十THz的范围，的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。便于在大的范围里分析物质的光谱性质。(三)THzTHz波的产生与探测THzTHz波的产生与探测波的产生与探测常用的两种产生方法：常用的两种产生方法：光电导天线的方法光电导天线的方法光整流的方法光整流的方法光导天线的方法光导天线的方法电光取样的方法电光取样的方法常用的两种探测方法：常用的两种探测方法：在在光电导半导体光电导半导体材料表面淀积上材料表面淀积上金属电极金属电极制成偶极天线结构，制成偶极天线结构，金属电极在这里的作用是对这些光电导半导体金属电极在这里的作用是对这些光电导半导体施加偏压施加偏压。当当超快（飞秒量级）激光超快（飞秒量级）激光打在两电极之间的光电导材料上时，打在两电极之间的光电导材料上时，会在其表面瞬间产生大量的电子空穴对。会在其表面瞬间产生大量的电子空穴对。这些这些光生自由载流子会在外加偏置电场和内建电场的作用下光生自由载流子会在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光作加速运动，从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流电流。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。赫兹脉冲。光电导天线的基本原理光电导天线的基本原理光导天线的探测方法光导天线的探测方法将一个未加偏置电压的将一个未加偏置电压的光导天线光导天线放置于太赫兹光路之中，放置于太赫兹光路之中，用一束用一束探测脉冲探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子生出电子-空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在光导天线上的赫兹脉冲则作为加在光导天线上的偏置电压偏置电压，以此来驱动，以此来驱动那些载流子运动，从而在光导天线中形成那些载流子运动，从而在光导天线中形成光电流光电流（携带太携带太赫兹信号赫兹信号）。）。然后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这个电流即然后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这个电流即可。其中，可。其中，这个光电流与这个光电流与THz瞬时电场是成正比的瞬时电场是成正比的。GrischkowskyAntennaResonantdipoleantennaisfabricatedonasemiconductorwafer(suchaslowtemperaturegrownGaAs)withaveryshortcarrierlifetime(1ps).EmitterElaserpulseVReceiverlaserpulseEATHzfieldTime(ps)THz THz 时域波形时域波形Field(a.u)时域谱向频域谱的转换时域谱向频域谱的转换Time DomainEref(t),Es(t)Frequency DomainAref(),As()FFT (四)THz波的应用THzTHz辐射主要应用领域辐射主要应用领域安全检查安全检查生物医学生物医学 无损检测无损检测 空间物理和天文学空间物理和天文学 环境监测环境监测 化学分析化学分析 军事和通信领域等军事和通信领域等 一、一、THz THz 在国家安全、反恐方面的应用在国家安全、反恐方面的应用由于由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张和干木材等波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而且能够根据物质的一系列物质具有较好的穿透性能；而且能够根据物质的THz“指纹谱指纹谱”，对物质进行识别，所以在，对物质进行识别，所以在毒品毒品、化学生物危险品化学生物危险品和和武器武器等的非接触安全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方等的非接触安全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反恐、保安和海关检查等部门的高度重视。面受到了反恐、保安和海关检查等部门的高度重视。报纸报纸 尖刀尖刀 !1.THz1.THz在安全检查上的应用在安全检查上的应用THzTHz在安全检查上的应用在安全检查上的应用T-射线射线 收发器收发器当警察需要从屋外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和状况的时候，我们可否使用THz收发器来帮忙?恐怖分恐怖分子子人质人质以氯胺酮为例的以氯胺酮为例的THzTHz光谱测量结果光谱测量结果测量环境：测量环境：充氮气后，测量系统湿度低于4%，温度为室温 2.THz2.THz在毒品检测中的应用在毒品检测中的应用俗称“K粉”毒品的毒品的THzTHz“指纹谱指纹谱”黄色为黄色为MDMA,MDMA,蓝色为蓝色为阿司匹林阿司匹林,红色为红色为MAMAOPTICS EXPRESS.11,2549-2554(2003)毒品成像检测法毒品成像检测法空间图样分析法空间图样分析法US dataJapanese data UK 0.51.01.52.02.5012341.971.450.82RDXAbsorbance(a.u.)Frequency(THz)China3.THz3.THz在爆炸物检测中的应用在爆炸物检测中的应用爆炸物的爆炸物的THzTHz“指纹谱指纹谱”bipodThistragedyisduetoaninsulationfoamontheshuttlesfueltankdetachedandstruckthewinguponlift-off.Defectsinthefoaminsulationlikelycausedthematerialtodetach.SpaceShuttleColumbiaTragedy,Feb.1,2003二二.THz.THz在无损检测中的应用在无损检测中的应用航天器泡沫材料的无损检测航天器泡沫材料的无损检测249 of 57 defects were detected不同厂家不同厂家卡马西平卡马西平药及其有效成分的太赫兹光谱比较药及其有效成分的太赫兹光谱比较不同厂家卡马西平药不同厂家卡马西平药(a)以及其有效成分纯卡马西平以及其有效成分纯卡马西平(b)在在0.22.6 THz范围的吸收光谱范围的吸收光谱有效成分含量约：有效成分含量约：59%意义：意义：1 1、不同类型药物的鉴定不同类型药物的鉴定 2 2、同类药物不同厂家的鉴定同类药物不同厂家的鉴定 3 3、对于有效成分含量较高的还可以进行定量计算、对于有效成分含量较高的还可以进行定量计算厂家：上海复旦复华制药厂和上海三维制药厂厂家：上海复旦复华制药厂和上海三维制药厂 药物的分析和无损鉴别药物的分析和无损鉴别三三.在医学成像、诊断上的特殊作用在医学成像、诊断上的特殊作用MR,CT在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。CT 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病;MR 和和 CT不能对骨头成像。不能对骨头成像。T-ray 成像可能解决上述问题：成像可能解决上述问题：THz 与与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量比的最大区别在于，它在远红外区，光子能量比 X-ray 小约百万倍，没有离子化辐射问题；小约百万倍，没有离子化辐射问题；它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。THz ray在成像中的最重要的特性是，在在成像中的最重要的特性是，在THz ray 作用下，不作用下，不同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料确同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。THz ray可用于计算机照相，可用于计算机照相，THz ray CT可获得三维分子或可获得三维分子或化学的图象，其分辨率可达化学的图象，其分辨率可达 um 量级。量级。THzTHz在医学中的应用在医学中的应用肺癌乳腺癌牙齿43210电光信号(nA)403020100Time Delay(ps)癌变组织 正常组织 THz 成像成像标准照片标准照片THz 波形波形肿瘤THz乳腺肿瘤(模型)成像癌变组织和正常组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。THz applied to cancer diagnosisUgly:Privacy Issue?Ugly:Privacy Issue?Tray-成像ImagesofaComputer,aLadysbag,aSuitcase四四.其它应用举例其它应用举例Counting Pages with a THz PulseTHz Image of a Racquetball Racket in a BagTHz Image of a Racquetball Racket in a Bag0.6 THz image常规法成像结果常规法成像结果 THz 波成像结果波成像结果低能见度环境下的成像(五)THzTHz波最新研究热点波最新研究热点Active control of electromagnetically induced transparency analogue in terahertz metamaterialsNature communications3(2012):1151.Ultrathin Terahertz Planar lensAdvanced Optical Materials1.2(2013):186-191.THz is near for usTHzsetupinourlabThe next topic：光子石墨烯光子石墨烯电话：电话：1393412927613934129276Email:Email: