太赫兹光谱范文（精选9篇）
太赫兹光谱 第1篇
1 实验材料
橡胶材料是当前使用较为广泛的一类材料,橡胶主要是由胶料和一些助剂组成,橡胶材料的基础原料为高弹性高分子化合物,在橡胶材料中所占的比例为30%~100%,其可以决定橡胶材料的性能[1]。当前使用广泛的橡胶材料主要有氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶,前两种橡胶是通用橡胶的主要产品,有较大的需求量和市场,后一种橡胶是目前消耗量最大的橡胶材料。
氯丁橡胶是由氯丁二烯聚合而成的橡胶,其自身具有耐热、耐氧化等特性,氯丁橡胶主要应用于运输皮带、造纸、耐油胶管等的制造。除此之外,氯丁橡胶还是一种性能较好的胶粘剂,其且有粘度小、易渗透、耐老化、粘接力强等特点[2]。而丁腈橡胶是一种共聚物,有较好的耐油性、耐磨性、耐热性,其可以广泛的应用在汽车、石油纺织、印刷、航空等领域中,而三元乙丙橡胶则是乙烯、丙烯、非共轭二烯烃的三元共聚物,其有较强的抗氧化、抗侵蚀的能力。随着工业生产的发展,橡胶材料的种类和性能不断的增多和扩展,在一些合成橡胶中,对橡胶材料进行的鉴别,有重要的意义和作用,目前产生的鉴别方法主要有外观检测法、燃烧实验法、气相色谱法、红外光谱法等,这些检测方法对试样的处理较为复杂,且花费的时间、精力较多,检测的结果准确度也较低,所以这些方法无法准确地解决橡胶材料区分[3 ⁃ 4]。
太赫兹光谱技术,在科学技术不断发展的背景下产生,其是一种非接触测量技术,具有传统检测方法没有的优点,太赫兹光谱检测技术,其可以利用THz⁃TDS技术,橡胶的结构、形态以及环境对其性能产生的影响等进行有效的鉴别和测定。太赫兹光谱技术,可以敏锐地发现分子偶极矩产生的变化,为此本文选择氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶,作为本次研究中的材料,对其相关的性能和参数进行测定,便于对氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶进行区分鉴别。
2 实验仪器及方法
为了对太赫兹光谱技术检测氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶进行研究,使用太赫兹光谱透射装置进行测量,装置如图1 所示。太赫兹光谱测定中,光谱物理再生放大器系统波长为800 nm,脉宽100 fs,重复频率为1 k Hz飞秒脉冲[5]。在分束镜的后面有泵浦脉冲、探测脉冲。电磁波采用自由电光采样技术进行探测,THz信号则使用斩波器控制的锁相放大器进行采集测定。在对氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶进行太赫兹光谱测定中,试验温度为室温,湿度要求为<4%,在实验进行中,需要最大限度的消除水汽对测定结果产生的影响,为此可以将其放在氮气环境中完成测定。在测定的过程中,其产生的不确定性主要是来自振荡和噪音,而噪音则是由电、光、机械振荡等因素产生。在测定因素的影响中,噪音影响因素中的电噪音和光噪音可以通过锁相放大器进行改善和减弱,但是其只能将噪音降低到最小,而无法将测定中的机械漂移解决。在太赫兹光谱测定中,多次进行扫描,取得了的扫描信号取平均值,可以将噪音产生的影响降低,在测定中每一个样品测定两次。
太赫兹光谱测定系统对样品进行的测定可以清楚地测量通过样品和没有通过样品脉冲的相位和振幅。对参考信号和样品测定得到的光谱进行快速的傅里叶转换,可以得到影响的时域光谱,并得出穿过样品THz电场强度,以及参考电场强度在时域光谱中的比值、折射率之间的关系:
式中:A为振幅;φ为样品电场和参考电场的相位差;d为样品的厚度;v为辐射频率;c为真空中的光速。 从式(1)可以得出橡胶材料样品的折射率n(v)、消光系数k(v)、吸收系数α(v),有:
在实验中,橡胶样品的厚度,对光学参数的获取有重要的影响,样品的厚度过薄、过厚等会影响测量的精度和准确度。主要是因为橡胶样品的厚度会造成太赫兹光谱检测系统产生的太赫兹波与很多分子发生相互作用,相对而言,橡胶样品的厚度过厚,在一定程度上会因为脉冲吸收的作用,降低信噪比,而橡胶样品过薄则会造成参考信号与橡胶样品信号的区分难度增加,这些因素的存在都与橡胶材料本身的吸收性能有关[6]。所以为了保证整个测定结果的准确性,同时又可以保证信噪比降低,需要将实验中橡胶样品的厚度控制在0.6 mm。
3 实验结果及分析
在本次实验中,三种不同类型的橡胶材料,进行太赫兹光谱测定,不同类型的橡胶材料,有不同的折射率、吸收率,且呈现出不同的波速和光程。如图2 所示。
CR,氯丁橡胶;NBR,丁腈橡胶;EPDM,三元乙丙橡胶
从图2 中可以知道三种橡胶材料在0.2~1.8 THz波段中,呈现出来的吸收光谱存在明显的差异性,且吸收系数随着频率的增加呈现升高的趋势。在本次实验中,丁腈橡胶、三元乙丙橡胶没有吸收峰,氯丁橡胶呈现出一个吸收峰。在本次测定中,三种橡胶样品的吸收性均较强,且为共振吸收,造成这种现象的主要原因为橡胶分子在太赫兹波段产生的共振及聚合物之间较弱的结合力。
本次研究中的三种橡胶材料的太赫兹光谱测定的折射光谱如图3 所示。
从本次的测定结果可以得出,三种橡胶材料的折射率在1.67~5.74 之间,平均折射率为氯丁橡胶1.85、丁腈橡胶3.02、三元乙丙橡胶2.06。不同的橡胶材料其折射率不同,其与太赫兹光波的频率呈现一定的关系,丁腈橡胶和氯丁橡胶随着频率的增加而减小,呈现反比例关系,三元乙丙橡胶随着频率的增加,基本上保持平稳,由此可以说明,橡胶材料的物理性质、化学性质均存在着差异性,每个种类都有自己的特性。
通过本次研究可以得出,太赫兹光谱技术,通过测定得出不同橡胶材料的折射率,而不同的折射率,可以作为不同橡胶材料区分鉴别的指标,所以太赫兹光谱技术可以在橡胶材料领域中得到应用。
4 结语
社会在发展,科技在进步,各种诊断技术、测定技术不断的产生,性能的不断提高且广泛地应用在各个方面,太赫兹光谱技术,在不同橡胶材料区分鉴别中的应用,可以通过折射率、吸收率确定橡胶材料的种类。通过本次研究得出太赫兹光谱测定技术,检测准确率高,对样品无损耗,可以进行橡胶材料的区分。
摘要：太赫兹检测技术是当前应用较为广泛的一种技术,其在安全检测、化学、生命科学等方面得到了应用。为了更好地研究太赫兹技术的应用,该文针对太赫兹在橡胶材料检测中的应用进行分析,得到不同橡胶材料的光谱特性等,通过太赫兹光谱检测技术,对不同橡胶材料的吸收系数、折射率等指标进行分析对比,有效地对不同橡胶材料进行区分。通过研究得出,太赫兹的橡胶材料中的应用价值;同时也通过该研究得出橡胶对太赫兹作用机制的影响,提供科学的研究依据。
关键词：太赫兹光谱检测,橡胶材料,检测技术,安全检测
参考文献
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太赫兹技术及其应用前景 第2篇
关键词：太赫兹波；应用技术；应用前景
中图分类号： TN744 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.19.0081
太赫兹（Terahertz，1THz=1012Hz）波[1]是0.1～10THz范围的电磁波，波长约在30微米～3毫米之间，介于毫米波与红外线之间。该频域是电子学向光子学、宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于缺乏有效太赫兹发射源和灵敏探测器，这一波段也被称为THz间隙。太赫兹波具有较宽的频率范围、独特的光子能量与传播特性，其所涉及的对象范围涵盖了生命个体、宇宙天体等诸多物质，在与物质相互作用时表现出极为丰富的物理内涵。上世纪80年代以来，一系列新技术、新材料的发展，获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术迅速发展，并在实际范围内掀起研究热潮。
1太赫兹波的特点
人们关注THz技术的原因是THz波普遍存在，且其具有一系列独特的性质，是人们认识自然界的有效线索和工具。THz波有以下特点：[2]
THz 脉冲很短，脉冲宽度在皮秒（ps，1s=1012ps）量级，其可方便有效地进行时间分辩，而且THz 脉冲具有很高的信噪比，对于背景噪音的干扰具有较强的抑制能力。
THz 辐射频带非常宽，可从GHz 覆盖到几十THz的较宽范围，该频段覆盖许多生物大分子的转动和振动频率，比如半导体材料、电介质等材料的声子振动频率就落在了THz波的频段内，基于这一特点，THz波非常适合分析物质的光谱性质。
THz 波具有低能性，能量只有几毫电子伏，不易损坏被检物质，所以在物质检测上具有一定的优势。
THz 波穿透非极性非金属材料时衰减小，可结合相应技术探测材料内部结构等信息。而极性物质水，对THz辐射的吸收比较强，所以成像技术中，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态。
基于THz 波具有如此之多的特点，进一步开发研究太赫兹技术的应用潜质成为科研工作者努力的方向，将太赫兹波广泛应用到生产生活中，不断进行技术创新。
2太赫兹科学技术
太赫兹科技是改变未来世界不可估量的前沿阵地，对于提高技术创新、增进国民经济发展、加强国防安全都有着非同小可的作用。鉴于THz波的特点，必将给通信、雷达、生物化学物品鉴定等领域带来不可估量的影响，乃至改变整个人类社会的生活。太赫兹科学技术应用之多[3]，备受人们关注。
2.1 THz时域光谱技术
目前THz时域光谱技术已经开始商业化运作，其基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，得到被检测物质的光谱信息。因为很多生物大分子的振动和转动频率在THz波段，所以可以通过特征频率对物质进行分析和鉴定。如今，THz时域光谱技术已在美国、欧洲、日本等国家投入生产。
2.2 THz波成像
THz波成像是用THz波照射被检测的物质，通过物质反射或透射获取相应的信息，从而形成像。THz成像技术有两种方式，分别是脉冲成像和连续成像。
2.3公共安全检查
利用THz波进行安检，其原理即为THz波成像。THz波不仅穿透性强，而且对金属材料反射性也强，加之THz波具有高的分辨率，所以能够很容易检测到隐藏在包裹、行李箱内的管制刀具等。同时还可应用THz波能够鉴别物质的特性，检测人体内是否携带大麻、毒品等严禁物品。
2.4太赫兹雷达
THz雷达的应用原理也是THz成像原理。鉴于水分对THz波的吸收作用强，以及物品对THz波的反射，使得近距离雷达成为THz波的优势。穿墙雷达和探雷雷达是科研工作者不断追求的THz应用技术，穿墙雷达可很好地应用于抗争救灾时的搜救工作，探雷雷达对于暴恐袭击时爆炸物的探测也有着可观的前景，但二者目前都处在研究开发的阶段。
2.5 天文探测
在整个宇宙中，存在着大量的物质，它们均可以发出THz波，利用THz波结合卫星空间成像就可以探测到星际中的大气分子，进一步认知天文领域，弥补了太赫兹之前在探测方面的缺憾。
2.6 THz通信技术
THz通信技术具有超快的传输速率，传输速率可达到10GB/s，特别是对卫星通信方面，在近似真空的外太空下，不考虑水分的影响，THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。但由于缺乏有效的太赫兹辐射源，使得通信领域目前无法实现商业化，但新型发射源的研发必将解决这一难题。
3太赫兹科学技术应用前景
经过科研工作者几十年不断努力的研究，如今THz科技已是全世界各国倍加关注的科研技术，其在人类生活的很多方面都有着非常可观的开发利用前景。太赫兹在不久的将来主要应用在以下几方面：
太赫兹具有侦测物体化学性质的本领，能够分辨爆炸物品和药品，解决目前最受人们关注的反恐、缉毒等问题。目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段，这对国际上的反恐斗争具有特别重要的意义。
太赫兹在天文学上有着非常重要的应用价值，南极建立的移动天文站就是利用THz望远镜实现了对很多重要新星体的观测，完成了许多天文探测方面的应用，具有难以估计的作用。
THz波在生物医学上的应用具有很大的吸引力，对分子生物学的发展起到了促进作用，并在医学诊断及药品研制鉴定方面具有可能超越现今技术的潜质。
THz波可用于粮食选种，菌种优选等方面，有望广泛应用于农业、食品加工业。
THz波可穿透烟雾检测出大气中有毒或有害的分子，对环境污染监测及环境保护有重要的作用。据报道，在美国卫星上已安装THz环境监控设备。英国利用THz波可穿透物质的独特性质，首先研制出的THz摄像机已在机场安检方面进行试用，取得很好的效果。特别重要的是美国橡树岭国家实验室（ORNL）和田纳西大学合作，开展“穿墙计划（Through wall Program）”，利用THz成像技术从外部获得墙内信息。显然，这项穿墙技术在国家安全方面有很重要的价值。
THz 通信技术具备传输速率高、方向性强等优势，THz雷达可使反隐身技术无所遁形，这些都将在军事应用领域有着诱人的前景。
THz波用于探测航天飞机可能存在的故障。美国一个实验室已做出鉴定，尤其是对PAL～Ramp SOFI绝热泡沫层的探测成功，充分肯定了THz波可对航天飞机进行有效的无损探伤。
4展望
THz科技是许多国家竞相发展研究的技术，利用太赫兹的独特优势，已在一些重要研究领域取得了巨大的进展，但探索新型的太赫兹辐射源和灵敏探测器仍需要不断努力，使太赫兹技术实现实用化、商业化。同时太赫兹技术的发展能够促进自然科学、应用科学等交叉学科的迅速发展，对人类社会的诸多方面都将带来深远影响。
参考文献
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太赫兹光谱 第3篇
太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz范围内的电磁波,在电磁波频谱中位于毫米波与红外线之间。THz波在通讯、成像、医疗诊断、健康监测、环境管理、化学和生物鉴定等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景[1]。
近年来,随着太赫兹脉冲产生技术的迅速发展,光电导天线已成为重要的太赫兹脉冲产生源[2],具有较高的辐射功率和相对较大的谱宽。同时,基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统(Terahertz Time-domain Spectrum,THz-TDS)也成为一种非常灵敏、有效的脉冲太赫兹波获取手段[3],其利用泵浦⎯探测的光谱测量方法,可以获得光电导天线产生的太赫兹波的全部光谱信息,被广泛应用[4,5,6,7]。
目前,高辐射功率、宽谱带太赫兹脉冲波的产生倍受关注[8],采用大孔径光电导天线太赫兹时域光谱系统可以获取[9],却存在消除机械噪声和提高光电导天线脉冲偏置电压的矛盾。
1 光电导天线产生THz波的原理
利用光电导天线产生太赫兹脉冲时,先在两根电极之间施加偏置电压Eb。由于基片的半绝缘性质,在两个电极之间形成了一个电容器结构,并储存了静电势。当没有飞秒激光脉冲照射时,光电导天线处于高阻截止状态;当有飞秒激光脉冲照射光电导天线时,光电导天线的半导体材料被飞秒激光脉冲激发产生光生载流子,光生载流子在偏置电压Eb的作用下加速运动,产生瞬态电流J,发射出太赫兹电磁波。
当辐射的太赫兹电磁场达到最大值时,瞬态电流J表示为
式中:σ是半导体的电导率,η0表示空气的阻抗,n是半导体的折射率。
由于发射强度正比于瞬态电流J(t)的变化率,提高偏置电压、增大入射飞秒激光的光强或者减小入射飞秒激光的光斑直径都可以增大光电导天线的发射功率[10]。
2 常见的光电导天线THz-TDS系统及存在的问题
THz-TDS是一种非常灵敏、有效的脉冲太赫兹波获取手段,利用泵浦-探测的光谱测量方法,可以获得THz辐射源产生的THz波的全部光谱信息。THz-TDS通常包括飞秒激光器、泵浦光路(包括时间延迟台、太赫兹辐射源)、探测光路、探测装置、锁相放大器等。目前常见的光电导天线THz-TDS系统有两种,如图1和图2所示。
两种光电导天线THz-TDS系统的共同点是:采用飞秒激光器(fs laser)作为泵浦和探测光源,飞秒激光器产生的飞秒激光经二分之一波片(HWP)后被偏振分束棱镜(CBS)分成泵浦光(经CBS反射的部分)和探测光(经CBS透射的部分);探测光经反射镜M4~M8、凸透镜(Lens)和硅片(Si)聚焦到探测晶体(Zn Te)上;光强较强的泵浦光通过时间延迟系统(Time delay stage)辐射到光电导天线(PCA)上产生太赫兹波,太赫兹波经过两个镀金离轴抛物面镜(PM1、PM2)和硅片(Si)聚焦在探测晶体(Zn Te),并与探测光聚焦位置相同;再经过四分之一波片(QWP)和凸透镜(Lens)被沃拉斯顿棱镜(Wallaston prism)分成偏振方向相互垂直的两束光,通过一个光电探头(Detector)接锁相放大器(Lock-in),通过计算机进行数据采集。
两种光电导天线THz-TDS系统的区别在于调制方法不同、PCA所加载的偏置电压方式不同。系统I中采用斩波器调制太赫兹波,PCA所加载的偏置电压为连续可调的高压电源(High Voltage Source);优点是可为PCA提供连续可调的、幅值从0~几千伏的偏置电压;其缺点为斩波器的调制方式会带来难以消除的机械噪声。系统II中采用锁相放大器(Lock-in)输出交流电压信号,经一个放大器(Amplifier)放大后作为偏置电压加载到PCA;优点是交流信号替代了斩波器,避免了斩波器带来的机械噪声;其缺点为偏置电压幅值范围(0~几百伏)太小,降低了光电导天线的发射效率。
3 用光导开关产生脉冲偏置电压
为了消除斩波器引起的机械噪声,同时又使PCA能获得较高的偏置电压(几千伏),利用直流高压电源、光导开关(Photoconductive Semiconductor Switch,PCSS)和纳秒激光器的方式为PCA提供脉冲宽度约为10ns、幅值为0~9 k V连续可调的脉冲偏置电压。
3.1 PCSS高压脉冲电源
PCSS高压脉冲电源测试电路如图3所示。将PCSS置于特制的测试油中,用引线将其固定在测试油盒的两个电极上。储能电容器C、负载电阻R1、采样电阻R2通过油盒外部连接与PCSS构成回路。采样信号通过250Ω同轴线连接到示波器50Ω输入端。在示波器输入端接有50 d B同轴衰减器,带宽12 GHz。调整激光器的光斑,使其位于PCSS中心位置。给储能电容C充电到额定值,激发激光器,PCSS导通,电容器通过光导开关给负载放电,采用电阻获得电流信号。
3.2 PCSS高压脉冲电源测试结果
测试条件:C=2 000 p F;R1=5.6Ω;R2=0.3Ω;激光器输出光脉冲能量约为3 m J、宽度(10±5)ns;激光波长1 064 nm;PCSS为研制的横向3 mm Ga As芯片。
通过测试,获得了各电压下PCSS输出电流峰值表(如表1所示)以及动态伏安特性曲线(如图4所示)。
由PCSS输出的脉冲波形可以看出,偏置电压小于9 k V时,为线性工作模式,如图5所示。纳秒激光脉冲时PCSS导通;纳秒激光脉冲熄灭后,PCSS将完全恢复到初始的高阻状态;PCSS输出的脉冲波形与纳秒激光脉冲波形基本一致;PCSS导通的时间为PCSS输出的脉冲波形的脉冲宽度,约为10 ns,远大于用PCA产生太赫兹波的时间,因此在这种模式下可以为PCA提供PCSS高压脉冲偏置电压。
4 结论
根据测试结果,利用纳秒激光器激发加载有高压电源的光导开关(PCSS)的方式,为PCA提供幅值连续可调的脉冲偏置电压。改进的光电导天线THz-TDS系统如图6所示。
改进的系统与系统I、II相比较,除了PCA偏置电压加载方式不同以外,其他部分基本一样。改进的系统无斩波器,消除了机械噪声;对PCA偏压的加载方式为:高压电源通过储能电容器(C=2 000 p F)、PCSS和PCA构成回路,采用纳秒激光器(ns laser)辐射PCSS。当高压电源小于9 k V时,PCSS工作在线性模式下,实现对PCA的调制,同时也使PCA获得从0~9 k V范围内连续可调的偏置电压。因此,该改进系统既消除了斩波器引起的机械噪声,同时又使PCA能获得较高的连续可调的偏置电压。
参考文献
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宽频太赫兹减反增透器件研究进展 第4篇
关键词：
太赫兹； 复合材料； 减反； 热压印； 高折射率
中图分类号： O 436.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.015
Abstract： In the THz region highresistivity silicon a very common optical component in a terahertz system has a very wide range of applications.Through the introduction of research progress of the terahertz broadband antireflection photonic device in recent years both at home and abroad broadband antireflective structure by a hot deformation（the highest transmittance is about 20% more than that of general structure and broadband antireflective highrefractive composite（TiO2COP）and the highest transmittance is 64〖BF〗.9% at 1〖BF〗.02 THz）are respectively studied.Finally we briefly introduce the practical applications of terahertz broadband antireflective photonic device.
Keywords：
terahertz；composite material；antireflective； hot deformation； high refractive
引言
太赫兹波的波动频率一般为0.1～10 THz，介于微波和中红外频率范围之间[1]。太赫兹波作为一种独特的辐射波，其性能给分子生物科学、医学成像、安全检查、天文以及未来的通信系统等领域带来了深远的影响，越来越多的研究机构和学者展开了对太赫兹及其相关领域的研究。近二十年来，由于超快光子技术和低尺度半导体技术的快速发展，为太赫兹辐射提供了合适的激发光源和探测手段，这使得太赫兹科学技术在实际应用中取得了飞速发展[25]。
太赫兹波的产生是太赫兹科学技术研究的关键，然而太赫兹源（如光电导天线）转换为太赫兹辐射波的效率和能量常常相当低，这大大地抑制了太赫兹系统的发展。此外，太赫兹功能元件通常因其表面反射损耗和法布里珀罗谐振影響了整个系统的动态范围和光谱的分辨率，因此，减反对许多太赫兹装置来说是一个非常重要的问题。在可见光范围内的减反技术已经发展了许多年，例如最常用而简单的方法是在高阻硅上镀一层低折射率、厚度为四分之一波长的介电材料，这一方法也同样适用于太赫兹波，但是具有透射率低、带宽窄的合适涂层材料不容易找到[67]。高分子聚合物是一种多功能材料，具有易加工、低损耗、透明性的优点，这使得许多聚合物如聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和环烯烃聚合物（COP）可以在太赫兹波段中得到广泛应用[8]。本文主要介绍太赫兹减反增透器件的工作原理，研究进展和典型的制备方法。
1太赫兹减反增透研究进展
近几十年来，太赫兹技术的快速发展以及高阻硅在太赫兹器件上的广泛应用，使得降低高阻硅表面的反射损耗成为太赫兹学者们的研究热点。1999年Englert等提出了利用四分之一波长增透原理的方法制备高阻硅的减反器件[6]，器件选用的是PE膜（在波数84 cm-1处折射率为1.52）涂于高阻硅上。在波数为84 cm-1（约2.5 THz）处所设计的器件透过率可达到90%左右。2000年Gatesman等同样利用四分之一波长增透原理，将高阻硅两边涂上聚对二甲苯材料[7]。这种三层结构的器件在0.45～2.80 THz的范围内可实现40%以上的透过率，其中最高可达到90%以上。但是这类方法制备的太赫兹增透器件存在带宽窄，并且材料不容易制备的缺点。
1984年Mcknight等提出了新的金属膜吸收设计方法[9]，基于金属纳米膜吸收时域信号的反射峰，器件可以实现良好的减反效果。2007年Kroll等根据阻抗匹配原理，使用菲涅耳公式进行建模制作出另一种减反增透器件。实验表明铬和ITO薄膜可以作为有效的增透膜以减少太赫兹的反射[10]。但是这类方法制作出的器件在吸收反射峰的同时对主峰也会有很大的影响，所以应用范围并不广泛。
近几年利用光刻、腐蚀、切割等工艺对高阻硅表面进行浮雕设计的方法成为制作宽频减反增透器件主要方法。例如，Chen等[11]在高阻硅衬底上制备金字塔的三维结构，并且通过改变金字塔的结构周期，有效地把截止频率从0.74～2.93 THz的带宽增强到0.91～3.15 THz。这类方法提高了器件的透过率和带宽，但是整个制作流程耗时长，而且工艺复杂，不利于实际生产加工。
除了以上几种常用的方法，近几年超材料也开始应用于太赫兹波的减反增透的设计[1213]，但由于其工作带宽较窄，一般在2 THZ以下，所以很大程度上限制了超材料在这一方面的应用。
nlc202309090942
2工作原理
宽频太赫兹减反增透器件实现减反增透效应的基本原理主要是：构造折射率渐变的涂覆材料和等效介质理论。
2.1渐变折射率
1962年，Bernhard 和 Miller通过对蛾眼的观察研究，发现其表面排列着一种圆锥形凸起阵列结构，这一结构利用空气和眼睛之间形成渐变的有效折射率，从而大幅度降低眼睛表面的反射。受到这一减反结构的启发，许多渐变折射率的表面阵列结构被研究和制备。通过抗反射和薄膜的阻抗匹配原理的组合来消除整个器件的反射，从而实现多个吸收峰的叠加。通过在表面制备凹凸结构产生一个渐变折射率的剖面，不仅减少了菲涅耳反射损耗，而且增大了宽带。根据等效折射率公式，每一层的折射率为
3宽频太赫兹减反增透器件的制作研究
基于渐变折射率和等效介质理论设计出的宽频太赫兹减反增透器件具有非常好的减反增透效果。例如Li等利用针灸针在聚苯乙烯层上制作出的一种宽频太赫兹减反结构[14]，其透射率比传统的结构要增加近20%，并且频宽更宽。Chen等研究设计的高折射率复合材料减反器件[13]，通过实验验证可以得到一个频宽更宽（0.2～1.6 THz）、减反效果更好（反射率仅为7%）的器件。
3.1热压印法制备宽频太赫兹减反结构[14]
Li等[14]在2015年介绍了一种利用金属模具且在高阻硅为衬底的PS表面上构造凹凸结构的宽频太赫兹减反增透器件，所使用的金属模具是采用成束紧密贴合的针灸针加工而成。然后利用热压印技术构建了一层由外向内折射率逐渐变化的减反结构，如图1所示。
器件制作时首先是将PS旋涂在高阻硅表面，然后将带有PS膜的高阻硅和金属模具加热至110 ℃，并施加50 N的力压制材料。系统冷却后进行脱模，得到如图1的表面结构。采用太赫兹时域光谱仪系统（THzTDS） 测试样品的透射率，样品的有效带宽为0.1～1.6 THz，测试结果如图2所示。由于高阻硅的表面反射，所以透射率只有50%；有单面PS膜的高阻硅的透过率（膜厚为120 μm），在0.37 THz和1.10 THz位置（分别为π和3π相位）透过率约为58%。从实验结果可以看出，双面有结构的PS膜的透射率比不经过处理PS膜的高阻硅结构的器件有显著提高，透过率最高值约为80%。
根据Li的研究，利用热压印的方法制备一种折射率渐变的结构有效地降低了法布里珀罗谐振效应，提高了减反增透效果。
3.2太赫兹高折射率复合材料减反器件
2015年Wang等提出了一种利用高折射率无机复合材料制作的减反器件[15]。无机复合材料是由高折射率的二氧化钛纳米颗粒和COP复合而成，同时调配不同质量分数的二氧化钛可以得到不同折射率的复合材料，折射率最高可达3.1。器件制作时首先是利用球磨法制备二氧化钛的分散液。选用的材料为金红石型二氧化钛，介电常数为39.5，粒径约为1 μm。然后将1 μm的TiO2颗粒放到120～180 μm的ZrO2珠甲苯溶液内进行球磨，球磨速度为300 rad/min，时间约为5～8 h。取出TiO2的分散液，加入不同质量分数的COP颗粒，搅拌3～4 h后，将其均匀地旋涂在玻璃片上，并放在真空烘箱里使甲苯溶剂充分挥发，温度为60～80 ℃，时间为6～8 h。最后将复合材料从玻璃片上分离出来，得到无机纳米复合材料，并利用FiCO THzTDS （@Zomega Corp.）测试分析所得的TiO2COP的介电性能。
当二氧化钛的质量分数依次为30%、50%和80%，可以得到折射率为1.73、1.98和3.10的复合材料，并且在0.1～1.6 THz的范围内比较平稳。图3为1 THz时折射率分布曲线和等效介质理论匹配的结果。可以得出TiO2COP复合材料的折射率能够与Bruggeman模型相匹配。
图4为THzTDS的测试结果，实验结果显示经热压印后的TiO2COP膜的透过率有显著的提高，在1.02 THz位置透过率达到最高为64.9%。
折射率为3.1的太赫兹高折射率材料是利用TiO2与COP复合而成，并且符合Bruggeman理论。这一材料在太赫兹波段下具有高透性，其折射率可以通过TiO2与COP的比例进行调节，其可调范围较宽。将折射率为3.1的复合材料旋涂于高阻硅上，并用热压印法制备凹凸结构，得到的减反增透器件在0.2～1.6 THz范围内有平均64%的高透过率。
4結论
太赫兹减反增透技术在太赫兹领域一直备受关注。本文介绍了两种典型的太赫兹减反增透器件，这两种器件分别利用简单的热压印工艺技术以及制备高折射率复合材料的方法达到了宽频减反的要求。但是这两种器件依然存在一些问题，例如无法在太赫兹全波段下有效工作，菲涅耳反射不能完全消除等。目前太赫兹减反增透器件也一直朝着宽频、低反射的方向发展，并在逐步简化制备方法，同时力求找到更加有效、简便、实用的器件，将其更好地应用于太赫兹系统中。
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（編辑：刘铁英）
太赫兹成像专利技术综述 第5篇
太赫兹 (Terahertz, THz) 波通常是指频率为0.1THz-10THz (1THz=1012Hz) 的电磁波, 其波段在微波和红外光之间, 属于远红外波段。早在20世纪初期, 科学家就对太赫兹波产生了浓厚的兴趣, 但由于缺乏有效的产生和检测方法, 人们对该波段电磁辐射性质的了解很少, 以至于该波段被称为电磁波谱上最后一块未开发的前沿。近年来, 固态振荡器和自由电子激光器的发展为太赫兹脉冲的产生提供了稳定可靠的激发光源, 同时基于超快激光技术发展出来的太赫兹时域光谱系统也为太赫兹波的研究提供了有效的手段, 因此, 对太赫兹波的研究在20世纪末取得了很大的进展, 并已成为21世纪科学研究最前沿的领域之一。
太赫兹波的高频率使其具有很高的空间分辨率, 且太赫兹波成像相对于可见光和X射线具有非常强的互补特征, 特别适合于可见光不能透过, 而X射线成像的对比度又不够的场合, 因此太赫兹成像技术在环境监测、医疗诊断、无损探伤、安全检测等方面具有重大的应用前景。由于太赫兹波的光子能量远低于X射线, 可实现对人体或物品的无损成像, 美国国防部投入了大量的资金研究太赫兹成像阵列技术, 并期望将其应用在反恐或安检中。另外, 贝尔实验室也已经成功应用太赫兹扫描成像技术实现IC芯片中的金属引线成像检测[1]。
2专利申请情况分析
在SIPOABS和DWPI专利数据库中对太赫兹波成像系统的专利申请进行统计分析。从申请国别上来说, 专利申请量最多的国家为美国, 中国位居第二, 接下来是日本。从申请人上而言, 中国计量学院的专利申请数目遥遥领先, 且中国计量学院和首都师范大学均对太赫兹成像技术开展了深入的研究。
但是需要注意的是, 中国的申请人主要集中在高校或科研机构, 专利技术离实际应用仍有一段距离。反观美国的申请人, 除了有New Jersey Tech Inst (高校) 外, 更有像Lucent Technology和IMRA America这样的企业;英国则有专门从事太赫兹成像系统生产的Teraview;而日本的佳能和尼康公司也具有一定数目的专利申请。因此, 在太赫兹成像技术实际应用领域, 欧美和日本仍处于领先的水平。
3专利文献分析[2,3,4,5,6]
对专利申请量最大的企业Teraview进行专利申请追踪, 不难发现, 无论是利用太赫兹成像系统实现产品检测, 还是对太赫兹成像系统的改进, 基于的均是太赫兹脉冲时域光谱成像系统。一方面说明太赫兹脉冲时域光谱成像系统发展成熟, 可较为广泛的应用在实际检测中;另一方面, 也说明了太赫兹成像系统处于发展阶段, 仍有许多问题亟需解决。
既然太赫兹脉冲时域光谱成像系统有较为广泛的应用, 自然会出现对该系统进行改良的发明创造, 以克服其缺点, 使其具有更优秀的应用效果。太赫兹脉冲时域光谱成像系统最大的缺点就是成像速度慢。
对于成像速度慢的缺点, 中国科学院西安光学精密机械研究所提供了一种太赫兹脉冲快速成像的数据获取方法。该方法通过尽量减少光学延迟线的移动, 对待测的成像数据在最大幅值和最小幅值处进行选择性获取。由于舍弃了大量对成像最终结果无关的其它信息数据的采集, 因此可以大幅提高了太赫兹脉冲成像数据获取的速度。利用本方法可以极大地缩短太赫兹脉冲成像的时间, 为太赫兹脉冲成像技术在实际应用的推广创造了可行性。
中国科学院光电技术研究所本发明公开了一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统, 该系统利用周期结构的透射特性, 把不同结构单元复合到同一区域内, 得到透射峰叠加的透射谱, 叠加后的透射谱将在频谱上形成频率光梳。成像光梳的透射特性与周期结构的空间排列位置有关, 利用这一相关性, 可以使用大光斑太赫兹光束入射到成像光梳和待测物体上, 使用点探测收集透射信号。经过数据处理提取出待测物体的透射特征空间分布信息, 实现快速成像。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所提供了一种基于太赫兹量子器件的透射成像装置及其对应的成像方法。该装置使用太赫兹量子阱探测器作为信号探测器, 可有效提高系统的成像速度和成像质量。
首都师范大学提供了一种太赫兹波成像系统, 通过采用帧扫平面镜在一个小角度范围内摆动实现对被测目标的大范围的二维多列扫描, 从而提高扫描成像速度。
4结语
太赫兹成像系统具有良好的应用前景, 全球范围内许多企业、科研机构均已投入大量人力、物力, 以期取得关键的技术突破。从专利申请情况来看, 国内企业申请量偏少, 需要进一步创新;而国内高校和科研机构需要增强与企业的合作, 争取将其专利技术产业化, 以期获得技术优势。
参考文献
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太赫兹波段对数周期天线的设计 第6篇
太赫兹 (THz) 波指的是频率在0.1THz~l0THz之间的电磁波, 它具有许多独特的性质, 它在高数据率通信、保密通信、精确制导和无损探测等方面有重要的应用。因此, 近年来这个研究领域正在受到极大关注。太赫兹信号的接收技术是这一领域的基本问题, 本文主要研究了用于接收太赫兹波的对数周期天线。
2 天线的设计
对数周期天线是宽频带天线, 其结构如图1所示。图中齿的分布是按照等角螺旋线设计的。其结构尺寸满足和。天线的带宽由最长的的齿的尺寸和最短的齿的尺寸决定, 天线的性能在 这个频 率范围内以为周期重复性变化。
我们以0.6THz作为中心频率, 利用HF-SS仿真软件对对数周期天线进行设计。基于仿真实例的尝试, 得到以下一些经验性规律:
2.1τ的选择。当天线的带宽比越大时, τ的取值应越大, 这样可以避免出现十几个齿或更多的齿的复杂结构, 但是这样会使的最小齿半径越小最大齿半径越大。此外, τ的取值增大时可以一定程度上改善天线的方向性。综合以上考虑, 我们选取τ=2。2.2齿数的选择。在其它参数一定的情况下, 齿数少的天线相当于是从齿数多的天线上取一段下来, 所以它不影响中心频率, 只影响带宽。为计算方便, 我们选取n=3。2.3α角的选择。减小α角可以增大最小半径, 也就是说当最小尺寸比较难以制作时, 可以考虑减小α角, 来实现对最小半径的扩大;同时, 这样也可以减小最大的半径值。仿真发现, α角从10度变化到70度的过程中, 天线的性能变化不大。主要从制作工艺考虑, 我们选取α=π/3。2.4天线材料可选为理想E界面, 因为用金属材料仿真和用理想E界面仿真的结果相似。2.5空气立方体的大小对仿真结果有一定影响, 既要满足远场区的要求, 又不能太大, 否则计算量过大。我们取5倍波长的距离为空气立方的尺寸。此外, 应考虑接地平面存在时的影响, 将有接地平面处设为理想E界面。2.6激励端口。使用的是LUMP PORT, 定义曲线从一个扇面指向另一个扇面。
最后, 根据以上参数, 并利用公式
和HFSS的仿真结果, 得出天线各齿的半径如下表
3 结论
本文分别对对数周期天线的主要参数进行讨论分析, 通过HFSS计算仿真, 最终设计了工作在太赫兹波段的对数周期天线, 为太赫兹波段混频器的设计奠定了基础。
参考文献
[1]卢万铮.天线理论与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004.[1]卢万铮.天线理论与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004.
太赫兹成像系统的分析与控制 第7篇
关键词：太赫兹成像,成像效果,系统参数,调试过程
太赫兹(Terahertz)波通常是指波长在3 mm~30 μm之间(频率范围为100 GHz~10 THz)的电磁辐射。它具有独特的强投射能力和低辐射能量等特点,可以穿透大多数非金属,与可见光和X射线有非常强的互补特征,特别适合于可见光不能透过、而X射线成像的对比度又不够的场合。使得其在物品检查、安全检测、医疗诊断等方面具有重大的科学价值和应用前景[1,2,3]。由于太赫兹波段电磁波的特性,使其在现代科学技术和国民经济的许多方面有重要的应用前景。本文所讨论的系统为连续波太赫兹成像系统[4],其硬件组成包括,太赫兹辐射源FIRL100激光器[5]、太赫兹检测仪器高莱管探测器golay cell[6]、步进电机控制器与平移台[7]、锁相放大器SR830[8]和光学斩波器等设备。首先分析致使太赫兹成像系统出现偏差的原因,然后进行处理、控制。实验表明成像系统参数的合理选择,软件部分的合适控制,对系统的成像结果有着至关重要的作用。
1 太赫兹成像系统偏差组成
实验结果(如图1所示)表明,系统设置不当会使相邻两行像素错开,边界呈锯齿状。 这主要是由3部分偏差造成的:平移台回程误差、平移台加速和减速偏差以及系统的响应时间。
1.1 平移台的回程误差
平移台的回程误差是指,平移台向正方向移动后,再反方向移动回到当前位置,与原位置之间的偏差。系统平移台的移动范围是15 cm,回程误差可以通过步进电机控制器调节,范围从0~100 step,实际距离100 step约为0.25 mm。为防止回程误差设置成0出现异常行为,先将其设置在10 step,由于系统在设计时,平移1行(5 cm,100个采样点)后再返回,分散在每一个点的平均误差为2.510-2/100=2.510-4 mm,远远小于系统的分辨率(0.5 mm),所以该误差可以忽略不计。
1.2 平移台加速和减速偏差
在沿着x轴连续扫描的过程中,要做到采集到的点等间距,必须使平移台在整个移动过程中保持匀速。实际过程中,平移台在x轴方向来回运动中,必然有加速和减速的过程。从开始很低的起始速度,经过加速的过程后,达到程序设置的速度,进入匀速阶段。由加速和减速引起的失真如图2所示。
在加速阶段,平移台沿x轴正方向移动1个像素的时间,软件认为平移台已经走了2个像素,可以认为第一个像素被拉伸为2个,后面像素依次平移,当平移台运动到倒数第二个像素时,软件采集完毕,舍去了减速过程和最后一个点。当平移台沿着x轴负方向运动时,依次类推,相邻两行之间相差2个像素点,运行速度越高,加速时间越长,加速过程中的距离也越长,误差的像素点也就越多,相邻两行交错,误差被放大1倍。
1.3 系统响应时间偏差
系统的响应时间如果过长,也会影响到成像结果。对结果影响较大的有:步进电机控制器、软件查询锁相放大器数据[9]、锁相放大器和高莱管探测器的响应时间。下面对这部分内容做出讨论。
1.3.1 步进电机控制器响应时间
在每一行x轴扫描的开始,控制软件都会向步进电机SC100发送移动指令,从软件发出指令到平移台移动之间的时间间隔,是步进电机的响应时间。该部分主要由两部分组成:其一是串口传输;其二是步进电机响应时间。串口波特率为9 600 b/s、无校验位,正向移动命令长度约为10 B,串口传输时间约为10 ms。步进电机的响应时间是步进电机控制器处理命令的时间,其内部有一个单片机作为控制器。这个阶段的时间和单片机性能以及处理方式有关,具体响应时间未知,估计在20 ms以内。
1.3.2 软件查询锁相放大器数据时间[10]
计算机软件查询锁相放大器输出数据,通过串口方式通信,通信参数依然是9 600 b/s,无校验位。PC向锁相放大器发送的查询命令为6 b,锁相放大器微弱信号检测的精度达到2 nV,故返回数据为11 b,通信传输所需要的时间为17 ms。而锁相放大器处理命令的时间也未知,估计该阶段总体延时时间为20~30 ms。
1.3.3 锁相放大器响应时间
锁相放大器的响应时间与输入信号有关,不同参数的设置,对其都有很大的影响。影响最大的两个参数是:参考信号频率和时间常数。参考频率大小影响数据采集时间,而时间常数的设定类似设置一个低通滤波器,会影响到上升时间。从实际示波器测量的结果看,选择合适的锁相放大器参数,该部分的延时时间约为70 ms。
1.3.4 高莱管探测器响应时间
高莱管探测器利用光热转换原理探测,然后热气体膨胀产生形变,进行放大后再转换成电信号。这个过程有一个延时的过程,上升时间约为10~20 ms。
由以上分析知,系统无法避免的响应时间至少有100 ms,如果不考虑这个响应时间(即响应时间为0),那么扫描出来的图像必然是失真的。假设总共的延时为100 ms,由于系统每100 ms采集一个像素点,经过延时后,软件得到的点信息是前一个点的值,故每一行都向x轴正方向平移一个像素点。但是扫描过程是以“S”形方式进行,第二行又向x轴负方向平移一个像素点,如图3所示,一个正方形点阵,在形状上产生失真。且延时越大,失真越大,由于相邻两行相反,失真以2倍的放大显示。
2 减小偏差的措施
经过以上分析可知,系统偏差与三个因素相关:平移台的回程误差、系统响应时间和平移台加减速偏差,其中回程误差可以忽略不计。减小偏差的措施有:一是在硬件部分减小系统响应时间和平移台加速偏差,二是在软件部分抵消或者舍去该偏差。
2.1 硬件方面减少偏差
为减小平移台加速距离,尽量将步进电机控制器设置成最高的加速度,在条件允许下,尽量降低平移台的运行速度;在系统响应时间部分,高莱管响应时间和串口传输时间基本无法减小,只有锁相放大器响应时间可以微做调整,与输入参考信号频率和时间常数有关,在条件允许下,尽量提高参考信号频率,降低时间常数设置,可以在一定程度上减小整个系统响应时间。
2.2 软件方面处理偏差
响应时间偏差通过软件内部延时平衡,如图4所示。假设系统响应时间为Δt,则定时器中断发生后,软件并不急于采集数据,而是先延时约Δt以后,再向锁相放大器查询数据,这样得到的像素点还是原来的值,解决了偏差的问题。
平移台加速处理如图5所示。在平移台加速阶段,前n个像素点被拉伸成为2n个,而造成后面各个像素点平移n个单位,所以在软件内部,舍去了前面的n个点,这样虽然会损失开始的n/2像素信息,后面的n/2像素被拉伸成为n,但是加速过程的距离本来就不长,估计会损失边界的一个到两个像素,换取的是整个图像效果的提高。
2.3 其他措施
除了以上两种减小偏差的措施之外,还应在光学系统的搭建和斩波器调制频率的选择上,采取下面方法进行处理[11,12]。
2.3.1 搭建合适的光学系统
寻找聚焦点所在的位置,是系统的难点,因为太赫兹辐射源发射的太赫兹光,以一个角度发散,透过凸透镜聚焦以后,光斑并不在焦点的位置,而太赫兹光不可见,无法直接看到聚焦点。在实际测量时,采用下面的办法,将一个中有小孔的挡板置于凸透镜光轴上,并沿着光轴前后移动,挡板后侧使用探测器检测光强。当挡板置于聚焦点上时,太赫兹能量全部被探测器接收,其他位置遮住部分光强,在聚焦点处会出现探测极大值,记录下当前位置,放置样品。
2.3.2 选择合适的斩波频率
斩波器调制的频率不能太高,也不能过低,主要与3个因素有关。
(1) 高莱管的探测频率。
由于高莱管探测有响应时间,探测频率有一个上限为50 Hz,在0~50 Hz范围内,频率越高,响应幅度越低,所以由于探测装置的限制,斩波器最高的频率为50 Hz,为了有较好的响应效果,频率应低于50 Hz。
(2) 样品点的采集速度。
当前样品点的采集速度是10 Hz,每秒采集10个像素点,虽然斩波器只是调制的作用,但是如果调制频率过低,将会引起失真,至少需要满足的条件是,每一个像素点都要被太赫兹光照射到。如果调制频率低到有像素点没有被光照到,那么该点的信息就损失了,斩波信号为方波,占空比为50%,要求斩波频率大于5 Hz勉强能满足要求。当然,尽量提高一些,光照充分,成像效果好。
(3) 锁相放大器数据收集时间。
有资料称,锁相放大器数据收集时间为40 ms或2个周期加5 ms,斩波器的频率对系统响应时间有较大的影响,要求斩波频率尽量大,减少系统的响应时间,提高成像效果。
3 扫描成像结果
太赫兹波可以穿透大多数非金属介质,比如纸、布、泡沫等不透明介质,所以对于透射式太赫兹成像系统,可以对大部分非金属介质成像,介质的厚度、内部结构等信息都可以从成像结果中反映出来[13,14]。
3.1 金属物体成像
对于金属类介质,成像结果如图6所示。太赫兹光无法穿过,在金属背面采集到的强度值基本为0,在图像上表现为黑色区域,图像右方和下方的深灰色部分是承载该圆盘的载物台,材料为泡沫,该图像扫描点数5050,扫描范围5 cm5 cm,圆盘外直径3 cm,中间的小圆孔直径0.5 mm,隐约可见。
3.2 树叶(非金属)成像
对结构较于复杂的非金属样品(干燥的树叶)成像,得到图7,该图像扫描点数100100,扫描范围5 cm5 cm,树叶尺寸4.5 cm3.1 cm,主叶脉和多级分岔叶脉都清晰可辨,叶片边缘的锯齿也非常清楚,背景比较均匀,信噪比很高,图像质量非常好。
3.3 水印成像
图8是对2005年版5元人民币的水印部分扫描图像,该图像扫描点数100100,扫描范围5 cm5 cm,水印部分的两朵小花清晰可见,图片下边缘的数字“5”也很容易辨认,由于样品固定的原因,只将“5”扫描了一半。
3.4 分辨率测试
为了考察该系统的成像分辨率情况,特制一样品来测试,该样品尺寸4.0 cm4.0 cm,5排小圆孔的直径,自上而下,从左到右分别是:7.5 mm,6 mm,5 mm;4 mm,3 mm,2.5 mm;2 mm,1.5 mm,1 mm;0.8 mm,0.6 mm,0.5 mm;0.4 mm,0.3 mm,0.2 mm。图9左图下方尺示意样品大小,右图下方尺用以固定样品。扫描图像点数100100,扫描范围5 cm5 cm,样品摆放略微有点倾斜。从图中可以看出,第四排孔相对比较清楚,最后一排小孔也能观察到,该系统的分辨率是比较高的。
4 结 语
通过对扫描偏差的分析和处理,并在硬件层面选择合适仪器参数, 在软件层面进行适当的控制,利用该系统对一系列样品进行扫描成像,通过不同像素、不用类型样品成像结果来看,边界比较光滑清晰、细节比较明显、背景比较均匀、拥有较好的信噪比,总体来说,成像结果比较好。
太赫兹液晶器件的研究进展 第8篇
太赫兹 (Terahertz, 缩写为THz) 是频率单位, 1太赫兹等于1012赫兹。太赫兹波是指频率在0.1~10THz范围的电磁波, 波长大概在0.03~3 mm范围, 介于微波与红外之间的电磁波, 如图1所示[12]。随着20世纪80年代一系列新技术、新材料的发展, 特别是超快技术的发展, 使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种准常规技术, 太赫兹技术才得以迅速发展[13-14]。
太赫兹波之所以引起广泛的关注, 是因为大量的太赫兹光谱包含更多的物理和化学信息, 研究人员可以在太赫兹频段探索物质光谱信息。太赫兹的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深远的影响[15,16,17,18,19,20]。太赫兹科学技术是电磁学、光学、半导体物理学、激光物理学、量子力学、固体物理等学科的交叉, 同时它为这些学科的研究提供了新的方法和手段。而这些应用需要的各种主动和被动太赫兹光学元件如滤波器、偏振片、衰减器、开关、调制器和相位延迟器等。液晶的双折射特性是众所周知的, 通过液晶盒上的电场或磁场的调制可以实现液晶双折射率的变化, 目前已经被广泛用于可见波段和IR波段。液晶的一些显著优点, 如对电场比较敏感, 化学稳定性好, 比较大的双折射特性, 使其在太赫兹领域有着广泛的应用前景[21,22,23,24,25,26,27,28]。
1 太赫兹液晶器件的发展
1.1 液晶在太赫兹频域的光电特性
液晶是一种在太赫兹频率比较有希望用于被动可调光学元件的材料。一般的液晶在太赫兹频域表现出来的双折射特性小于光学波长范围[29,30]。在设计可调相移元件、可调反射阵列等元件时, 就需要在特定的频率范围内对液晶材料的特性进行系统的了解。Köberle等人采用自由空间的连续太赫兹波系统 (如图2所示) , 给出了K15和E7两种液晶在100~350 G频率范围内的特性。结果表明, 在上述频率范围内, 双折射率Δn分别大于等于0.05 (K15液晶) 和0.08 (E7液晶) [31]。
Bulja等采用一种新型的液晶盒研究了30~60GHz频谱范围内的向列相液晶的透射特性。对E7、K15、E44、E63和MDA-00-3506等五种不同的向列相液晶进行了电学和力学参数测量和分析, 这五种液晶的介电常数双折射特性最大的是E44液晶[32]。
Rafa等人研究了CB液晶系列的四款液晶5CB、6CB、7CB和8CB的太赫兹特性。除了绝对折射率和吸收系数, 并给出了在不同电场和温度条件下的双折射值。在可见光范围内, 这些小棒状分子在向列相具有较大的双折射Δ=0.16和折射率no=1.53和ne=1.69。在太赫兹范围, 这些分子在太赫兹范围no在1.64和1.60之间, ne在1.74和1.70之间。在远红外线的性质主要由液晶的振动和扭转模式决定, 而这些不会出现在可见光波段。液晶在太赫兹吸收都是较弱的, 每种液晶非常光的吸收系数均小于寻常光的吸收系数。n CBs系列液晶的吸收主要来自于液晶分子苯环在液晶分子短轴方向的扭转[29]。
N.Vieweg等人研究了BL037液晶混合物在太赫兹频域的光谱并从测量数据中分析提取了折射率和吸收系数等参数, 同时分析了该液晶的温度依赖性, 表现出了比较大的双折射特性, 是应用于太赫兹频域的比较好的液晶。在BL037这个液晶混合物中, 除了用烷基和烷氧基取代联苯外, 另外加了苯环和环己烷环来实现在可见波段0.28的双折射, 而且在室温达到109℃这个清亮点温度范围内具有稳定的向列相[33]。基于太赫兹时域频谱方法研究了BL037向列液晶物的特点, 并从测量数据中提取了折射率和吸收系数等参数。除了这些参数的频率依赖性以外, 还研究了温度相关性, 并将其结果和纯液晶的特性进行了比较。结果表明, 液晶混合物具有目前最大的双折射特性。因而BL037是一种太赫兹液晶器件理想的材料。同时该研究组提出了频率和温度依赖太赫兹的折射率和吸收向列型液晶混合物BL037系数的研究结果[34]。
Cheng Pin等人采用太赫兹时域频谱分析的方法测量了MDA-00-3461液晶在25℃温度条件下在远红外的光学常数, MDA-00-3461的ne和no分别为1.74和1.54, 即0.2的双折射在0.3~1.4 THz范围内。MDA-00-3461在该频域内的消光系数相对比较小, 在整个频域范围内没有观察到有吸收峰[35]。Nico等人报道了向列相液晶在太赫兹频域内的分子特性。首先, 基于太赫兹时域谱方法研究了5CB、6CB和7CB的折射率和吸收系数等特点。探讨影响烷基链的长度对宏观液晶特性, 特别侧重于最明显的奇偶效应。文献中还用Vuks和Haller方法极化率和液晶指向矢等。在此基础上计算了径向和轴向的极化率, 建立了液晶分子结构与其太赫兹特性之间的联系[30]。Nico等人系统地研究了向列相液晶的太赫兹特性。并利用太赫兹时域光谱获得的数据在0.2~2.5 THz。这样一个宽带太赫兹数据尚未见报告。从实测数据提取了寻常偏振态和非常偏振态的双折射、折射率和吸收系数。液晶分子侧链和主结构对太赫兹各向异性的影响也进行了分析讨论[36]。
Yang等人用太赫兹时域频谱方法研究了E7液晶在26°C~70°C温度范围内的光学常数。结果显示, 在0.2~2.0 THz范围内, E7液晶在室温条件下, 其消光系数小于0.035, 没有尖锐的吸收峰, ne值的范围为1.690~1.704, no值的范围为1.557~1.581, 即双折射值的变化范围为0.130~0.148。双折射值的温度相关性与可见波段的特性相似。温度梯度的太赫兹光学常数也给出了结果。E7的光学常数可以用扩展的柯西等式由可见和近红外波段推算到太赫兹或亚毫米波段[37]。Hongk Yu等人用太赫兹时域频谱方法研究了E7、BL037和RDP97304的太赫兹特性。折射率和消光系数在这里进行了推导。结果表明, 与E7和BL037相比, RDP97304具有最大的双折射值、最小的吸收率。因而RDP97304是一种比较有效的开发太赫兹器件的液晶材料[38]。
1.2 太赫兹液晶移相器
太赫兹 (THz) 技术及其应用得到了迅速发展。尽管如此, 许多必不可少的准光元件, 如可调谐太赫兹相位转换等器件尚在研究开发中。有一些移相器是基于光学或电学控制量子阱的载流子浓度来实现的。这些基于量子阱的相位延迟器可调性比较差, 一般需要在远低于室温的条件下实现[39,40]。Ci Ling Pan课题组最初利用38.6μm的向列相液晶盒实现5°的延迟量[22], 该课题组研究人员采用570μm的向列相液晶盒在125 V的驱动电压作用下实现了在1 THz条件下延迟量为90°的器件[41]。该器件可以作为在1 THz的电控四分之一波片, 也可以作为电控四分之一波片的补偿片。同时该课题组实现了在1THz的可调相位为360°相位延迟器件, 相位延迟所对应的电压为100 V和90.5 V/cm。该器件采用盒厚为1.83 mm的垂直配向液晶盒 (如图3所示) , 所用液晶为E7。该器件实现1 THz达到360°[42]。
Chen等人提出了在1 THz的可调液晶相位控制器件, 该器件的主要设计要点是:采用向列相液晶E7, 该液晶在0.2~1.2 THz范围内的双折射值约为0.17;三明治结构的液晶盒 (总厚度为3.0 mm) 增加量光波的相干长度, 减少了界面的菲涅尔损失;应用磁场来给厚液晶盒配向, 实现0~360°相位可调[22]。
1.3 太赫兹可调液晶滤波器
Vieweg等人提出了一个可切换的太赫兹带阻滤波器 (如图4所示) , 这个过滤器包含一液晶层, 作为一个半波延迟片在一种状态, 而在另外一种状态是一种各向同性膜层。该器件结合了三种独特的性质:它可以电控切换, 它提供了一个在350 GHz透过率达-35 d B和可调谐在宽频率范围从350~700 GHz[43]。
Ren等人基于Lyot液晶可调滤光片和F-P可调液晶滤光片设计了室温条件下的太赫兹液晶滤波片。结果表明, 该液晶可调滤光片具有较宽的可调范围和较窄的带宽[44]。Chen等人设计了一个工作频率范围在太赫兹的二级Lyot滤光器 (如图5所示) , 中心带通频率可以在0.388~0.564 THz区间连续可调, 液晶的双折射通过磁铁来控制。该器件的透射带宽为0.1 THz, 由于厚液晶盒内的液晶分子的散射导致的插入损耗为8 d B。该滤光器可以在室温下工作[25]。
Ho等人提出了一种可调的宽带太赫兹滤光器 (如图6所示) , 连续可调频率范围为0.176~0.793 THz, 液晶的双折射通过磁场控制, 器件的插入损耗为5 d B[45]。
液晶双折射滤波器具有室温下工作, 调谐简单方便, 带宽窄等优点。为了达到设计不同调谐范围和带宽的这种滤波器的目的, 以满足实际应用的需要, 扩大其应用范围, 吕英进等人采用数值模拟方法, 进行参数计算和设计思路的总结, 并设计了一套窄带输出的滤波器实例[46]。结果表明, 通过对影响滤波器调谐范围和输出带宽的关键参数的数值模拟和分析, 为设计不同调谐范围的液晶双折射滤波器提供了依据, 设计实例基本上满足预期的设计要求, 调谐范围为0.691~0.866 THz。
Li等人提出了一个液晶电控太赫兹带通滤波器。考虑消色差理论, 这个二维金属光子晶体设计成在太赫兹波段带通[47]。电场用来改变液晶分子的轴向, 因而液晶的折射率也随之改变, 对应的透过频段也会随着改变。该带通滤光片可以在0.18~0.19THz范围内进行调制。相应的峰值透射率频率的太赫兹波的带通滤波器可通过上面提到的这种电控液晶太赫兹带通滤波器来实现。
1.4 太赫兹可调偏振器
Thorsten Göbel等人实现了采用双频液晶制作了可调太赫兹滤波器, 实现了单纯的电场滤波调制[48]。Hsieh等人提出了基于向列相液晶的费斯纳尔型的太赫兹偏振片, 在0.2~0.9 THz范围内的偏振因数超过0.95[49]。Hsieh等人还设计了在两块熔融石英棱镜的中间为向列相液晶层的费斯纳尔型太赫兹偏振片 (如图7所示) , 这种向列相液晶型的太赫兹偏振器的偏振因子和消光系数分别超过0.99和10-5[50]。
Niu等人提出了一种连续改变太赫兹波偏振态的器件, 该器件包括金属层、减反膜、液晶和反射镜, 正交偏振态之间的相移可以连续调节。采用时域有限差分方法计算相移, 透射率和反射率由严格耦合波分析方法计算。结果表明, 该结构可以在1 THz实现相移连续可调[51]。Zhou等人设计了基于液晶腔的太赫兹偏振滤光片, P偏振和S偏振均为透射的, 在带通区域的透过率大于99.5%, P偏振和S偏振可以在小角度均可以区分。并且还讨论了其他结构参数对光谱性能等因素的影响[52]。
2 结束语
主要介绍了近些年来太赫兹液晶器件的工作原理、研究进展, 并对研究结果进行了总结。可以看到, 液晶技术在太赫兹器件有着广泛的应用。可以通过电场或磁场改变液晶的双折射特性来实现对器件的传输特性进行有效调节。目前太赫兹液晶光电特性的研究主要是集中在现有液晶应用的可行性分析研究, 对太赫兹电磁波特性及其器件的要求进行相关液晶的设计和开发的研究偏少。太赫兹液晶移相器主要分成两种工作模式, 一种是纯电场调节实现;另一种是同时采用电场和磁场对液晶的指向分布进行调节。这主要取决于液晶的光电特性和器件的结构设计。而太赫兹液晶可调滤波器和偏振控制器等器件都主要处于实验室科学研究阶段, 离产品化还有段距离。如果太赫兹液晶器件的应用能够充分借鉴显示和光学领域已经成熟的技术, 将对太赫兹液晶器件的研究、开发有很大帮助。
摘要：基于液晶技术的太赫兹器件的研究开发已经成为该领域研究的重要方向之一。介绍了太赫兹器件的应用背景和太赫兹液晶器件的基本知识, 并重点介绍了液晶在太赫兹频域的光电性质和材料特性, 指出了若干有潜在可行性的液晶材料。在此基础之上对太赫兹液晶移相器、太赫兹可调液晶滤波器、太赫兹可调偏振器等液晶器件的设计原理和目前的研究结果进行了分析。最后, 对太赫兹液晶器件的产品应用开发进行了总结分析, 提出了此类元器件的研究开发方向。
基于全息的太赫兹紧缩场测量技术 第9篇
随着太赫兹技术的快速发展,太赫兹天线的应用日益增加,随之而来的太赫兹天线测量技术研究显得愈加重要。应用于深空遥感和射电天文上的太赫兹电大尺寸口径天线,一般采用紧缩场测量系统(CATR)进行测量。传统紧缩场测量的校正单元通常采用单反射面或多反射面来实现,反射器表面精度要求优于0.01λ,例如当频率为200 GHz,要求反射器的表面精度为15 μm(均方根)。由此可见,在THz波段,反射面的表面高精度要求较难保证,并且加工费用昂贵。
为解决这一缺陷,国外将全息术引入紧缩场测量中,并成功应用于太赫兹高增益反射面天线测量中[1,2]。利用透射型幅度全息光栅作为校正单元来产生平面波,其幅度峰峰起伏度小于1 dB,相位峰峰起伏度小于10°,此区域成为紧缩场的静区。相比较而言,幅度全息光栅的表面精度远没有传统反射面要求那样苛刻,易于制造[3]。目前国内在太赫兹高增益天线测量技术研究方面起步较晚,关于全息紧缩场天线测量技术研究尚未见文献报道。本文介绍了全息紧缩场的基本原理,利用时域有限差分法和物理光学法对全息光栅结构进行电磁理论仿真,仿真设计了310 GHz全息紧缩场,其静区性能满足天线测试要求。
1 全息紧缩场
基于全息的紧缩场测量是用全息光栅板作为紧缩场测量的校正单元,对馈源喇叭发射的球面波进行幅度相位调制,将其转化为平面波。生成的平面波区域称之为静区,待测天线放置在静区范围内进行测量。基于全息紧缩场测量系统框架如图1所示,馈源到全息光栅的距离为F,静区偏离全息光栅法向的角度为θ。
仿真计算涉及到2个坐标系,有以馈源中心为坐标原点的馈源坐标系(x,y,z)和以全息光栅中心为坐标原点的静区坐标系(x1,y1,z1)。静区坐标系相当于馈源坐标系沿y轴顺时针旋转θ角度。为了保证待测天线的测量精度,需要高质量的静区。典型的静区场要求为幅度峰峰起伏度小于1 dB,相位峰峰起伏度小于10°。
2 全息光栅生成原理
全息紧缩场的核心部件是全息光栅,它是一块可透射电磁波的介质板,全息图案为照射球面波和静区平面波的干涉图案,如图2所示。
以全息理论和电磁场理论为基础,根据馈源辐射球面波和静区所需平面波,借助计算机辅助计算,可设计出全息光栅板。
全息光栅的物理作用由透射率函数T(x,y)来描述[4]:
式中,Ein为全息光栅的入射场;Etr为全息光栅的透射场。
全息光栅采用Burch型计算幅度全息图来实现,其透射率函数T(x,y)为[5]:
式中, a(x,y)为幅度调制函数;Ψ(x,y)为相位调制函数。
幅度和相位调制分别定义了由输入场到目标场幅度和相位的变化要求。以此对全息光栅板起到一种补偿入射场的幅度相位变化,并增加透射场的幅度锥度的作用。
由于制造限制,全息图的结构通常需要进行量化,其中应用最广泛的编码方案是二元相位和二元幅度量化,分别是将全息图的相位或幅度透射率函数二元离散化。例如二元幅度全息图,或者让入射波无干扰的通过,即透射率为1,或者将入射波完全阻隔,即透射率为0。全息紧缩场测量中所需的全息结构即是二元幅度全息图。
利用二元幅度将透射率函数量化,其二元透射率函数为[5]:
式中,
式中,W(x,y)为一个权函数,用于优化幅度调制,通过不断修改权函数直到可以生成比较满意的静区场为止。
由于全息光栅透射率函数的二元化,在全息图上会产生一些不必要的其他模式的衍射波,为避免这些波模式和所需的平面波产生干涉,而影响静区的质量,全息光栅设计成离轴全息形式,使全息产生的平面波沿倾斜角度传播。全息栅产生的衍射模由空间载波频率来分开,平面波被加载到非零阶衍射模式,一般为第一阶衍射模。为了在水平方向上分开衍射模,在相位调制上增加线性相位因子,即
式中,ν为空间载波频率,用于分离衍射波束;ψ(x,y)为入射场的归一化相位;ψe(x,y)为额外相位项,用来优化相位调制。
对于一个非零的空间载波频率ν,第一阶衍射模,也就是平面波偏离全息栅的角度为:
式中,λ为波长。这样可以使所求平面波向着偏离全息图垂直方向一定角度的方向传播,而其他不需要的衍射阶数的场则以其他角度出射,从而避免了干涉,不会影响静区场。
图2为仿真设计的频率310 GHz的二元幅度全息图案,由蚀刻在介质薄膜上的赋形金属微带来实现。黑色条带代表金属微带,白色条带代表可透射的缝隙,全息光栅的平面结构和较低的表面精度要求都使得全息板的制造比反射面更为简单并且廉价。对于未来空间科学研究来讲,尤其是当工作频率超过1 000 GHz时,这具有很大的优势。
3 全息紧缩场理论分析
3.1 FDTD计算模型分析
这里设计的全息光栅频率f=310 GHz,其直径D=60 cm,全息尺寸大于600个波长,并且光栅具有许多微小缝隙等的细节变化,庞大的数据量使得很难利用三维FDTD对整个全息光栅进行数值分析,因此必须对计算模型进行简化。
采用y方向近似的简化方案为,假设全息光栅几何结构在y方向保持不变,并延伸到无限长,这样全息光栅在y方向上电磁特性都相同,因此只研究光栅水平方向上的一个截面即可[6],从而将全息电磁模型简化为二维,其简化模型如图3所示,全息栅直径为D,这样对全息结构的仿真就简化为二维FDTD计算,计算量大大减少。
通过设置适当的时间空间步长、激励源和边界条件等,计算出全息口径场。对于全息光栅,这种近似只能应用于产生平面波。
3.2 辐射场计算
静区辐射场可以利用物理光学法(PO)进行计算,当入射场为垂直极化时,其辐射静区的计算公式为:
式中,
4 静区场仿真结果
根据全息光栅设计与计算方法,设计了f=310 GHz下的全息板,结构如图2所示,全息栅直径D=60 cm,使用馈源喇叭照射,采用垂直电场极化,馈源照射边缘电平为-3 dB,放置在距离全息栅F=1.5 m的地方。用FDTD计算出全息栅的口径场分布,并用PO计算出了全息栅的辐射场。310 GHz全息光栅的水平方向辐射图如图4所示。
图4中可以看出,透射场在-90°~90°分布,透射场的零阶波束沿0°方向传播,所需平面波被加载在第一阶非零波束上,沿偏离全息栅法线33°方向传播,此区域的平面波即为静区。式(7)中,空间载波频率ν,表示单位长度内光栅缝隙的个数。根据光栅设计结果,在0.6 m内共有337个光栅缝隙,因此ν=561.67,由此计算出出射角度为32.9°,而仿真结果为32.7°,结果比较吻合。
取距离全息光栅z1=1.5 m处的场来验证静区场,图5为距离全息光栅z1=1.5 m的区域,沿x1方向上静区的幅度相位分布。
综合静区场幅度和相位分布图可以看出,在x1=-100~120 mm时,静区场的幅度相位虽有波动,但均满足幅度波动小于1 dB和相位波动小于10°的静区场条件。全息光栅在x1方向的投影为503 mm,所以光栅的有效利用面积达到43.7%。
在z1方向,计算x1=-90~110 mm的最大幅度相位波动值,幅度相位峰峰起伏度随透射场与光栅距离变化(即z1方向)情况如图6所示。
由仿真计算结果可以看出,在距离全息光栅板z1=(1~2 m)处,其幅度相位均满足均满足静区场要求,将待测天线放置在该静区区域,通过旋转待测天线,即可以测量天线方向图等各项指标。
5 结束语
通过全息理论的指导,设计分析了310 GHz频率下的全息光栅板。从仿真结果可以看出,这种计算机生成的幅度全息光栅,可以产生符合紧缩场测量要求的静区,对于太赫兹高增益天线的测量具有指导意义。并且由于全息光栅加工工艺较为简单,相对于传统的反射面的表面加工精度要低得多,所需制造成本较低,使它成为一种有效的太赫兹频率下电大尺寸高增益天线测量方法,显示出了在构建太赫兹波段紧缩场方面的巨大潜力。但是,全息紧缩场测量仍有一些局限性,例如带宽较窄以及交叉极化影响等问题,这一点还需要进一步研究。
摘要：用传统反射面紧缩场法测量太赫兹高增益天线,要求紧缩场的反射面表面加工精度小于百分之一波长,不易制造,且非常昂贵。针对这一问题,介绍了一种新型易于构建的基于全息紧缩场测量技术,简述了全息紧缩场天线测量原理,利用时域有限差分法和物理光学法对全息紧缩场进行电磁场数值计算,并设计仿真了频率为310 GHz的全息紧缩场,所生成的静区幅度波动小于1 dB,相位波动小于10°,能够达到紧缩场测试的要求。
关键词：全息,紧缩场,太赫兹,天线测量
参考文献
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