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太赫茲技術
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產品簡介

太赫茲技術

太赫茲定義: 

   

太赫茲波通常指頻率在 0.1~10 THz,或者波長在 3 mm~30um 的電磁輻射,它處于紅外波與微波之間,在低頻區與毫米波重疊,在高頻區與紅外波重疊,如下圖所示,其在電磁波譜的特殊位置決定了它具有非常獨特的輻射特性。1 THz(1×1012Hz)對應的波長為 300um波數為 33 cm-1,單光子能量為 4.1 meV;在室溫下,熱噪聲 kBT/h ≈ 6THz可見太赫茲輻射的光子能量與室溫下的熱噪聲相當。

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太赫茲特點

第一, 低能量,1THz電磁輻射的單光子能量只有4.1meV,不及X射線電磁輻射單光子能量的百萬分之一,在醫學檢查和無損檢測方面具有廣泛的應用前景。

第二, 寬頻譜,脈沖太赫茲輻射的頻譜范圍從幾十GHz到幾十個THz,許多生物大分子的振動和轉動能級,以及半導體,超導材料等的聲子振動能級都在THz頻段,在光譜分析和物質識別等方面具有非常廣泛的應用前景。

第三, 強穿透大部分非極性材料在THz波段沒有明顯的吸收,因此THz輻射對于這些材料有非常強的穿透能力,THz技術在公共場所進行安全檢查方面具有非常強的應用前景。

第四, 瞬態性,脈沖THz輻射的典型時間寬度大約在ps或者亞ps量級,可以對材料進行超快時間研究;目前,利用THz時域光譜技術,可以得到大于104的強度信噪比,遠遠高于FTIR技術。


 

太赫茲產生

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隨著超短脈沖激光技術的飛速發展,為太赫茲脈沖的產生提供了有效且穩定的激發光源,配合半導體技術的日益完善以及加工工藝的日趨成熟,D.  H.  Auston 和 D. Grischkowsky 等在 20 世紀 80 年代利用天線輻射原理,設計制作了多種結構的偶極子天線,沉積到Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(GaAs,InP 等)表面上,利用超短飛秒脈沖激光激發這些半導體材料產生光生載流子,同時給天線電極兩端施加一個偏壓電場,在此作用下半導體材料表面會形成瞬變光電流,這種隨時間快速變化的光電流可以向外輻射太赫茲波。1992 年,張希成(X. C. Zhang)等利用光整流作用產生了相干太赫茲輻射,該機制是利用一束超短激光脈沖入射到一個非線性介質(如 LiNbO3,LiTaO3,ZnTe 等)中,根據傅里葉變換理論,該光束可以分解成一系列單色光的疊加,這些單色光在非線性介質中發生混合,產生和頻振蕩和差頻振蕩,其中差頻振蕩會產生一個低頻振蕩的時變電極化場,如果入射激光脈沖的脈沖寬度在亞皮秒量級,則這個瞬變的電極化場可以向外輻射太赫茲波。90 年代后期,H. Hamster 等利用超短激光脈沖聚焦空氣形成等離子體向外輻射太赫茲波,吸引了人們的廣泛關注。21 世紀初期,M. Kress 等在空氣等離子體產生太赫茲波的基礎上,利用 BBO 晶體誘導激發四波混頻效應產生太赫茲輻射,將超快太赫茲輻射源研究推向一個新高度。以上產生太赫茲輻射的方法都是利用激光光源作為激勵源產生太赫茲輻射,這些方法產生的太赫茲輻射頻率一般在 1THz 以上,具有一定的頻譜寬度,相干度比較好,但是太赫茲輻射的能量很大程度上依賴于激勵源的能量,而且轉化效率非常低,一般在千分之一以下,因此獲得的太赫茲輻射平均功率比較低,通常在微瓦量級以下,很大程度上限制了太赫茲波的應用。

為了尋求高功率的太赫茲輻射源,科學家們從電子學角度出發,設計制作了一些特殊的電子器件,可以輻射出 mW 量級以上的低頻(<1THz)連續太赫茲輻射,在工業和軍事等領域具有非常大的應用前景。20 世紀 80 年代末期,P.  Guidee 等首次利用返波振蕩器(BWO)實現了 850GHz~1THz 的可調諧太赫茲輻射,平均輻射功率達到 2mW。2002 年,英國和意大利科學家們合作研制出世界第一個太赫茲量子級聯激光器(THz-QCL),太赫茲輻射功率達到 2mW。同年,M. C. Martin等利用自由電子激光器(FEL)獲得 1W/cm2的太赫茲輻射功率密度。2003年,M.  Kuntze 等利用回旋管(Gyrotron)獲得了千瓦級峰值功率的太赫茲連續輻射。盡管這些電子學方法可以產生高功率的太赫茲波輻射,但是存在著諸多局限因素,比如設備體積龐大、成本昂貴、系統結構復雜、難于維護等,很大程度上限制了太赫茲技術的應用發展

 

太赫茲探測

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 20 世紀 80 年代,Auston 等利用多種不同結構的偶極天線首次探測到脈沖太赫茲信號,這種方法稱之為光電導采樣(Photoconductive Sampling),它是基于光電導天線發射機理的逆過程發展起來的一種脈沖太赫茲探測技術。1996 年,張希成等利用自由空間電光采樣技術(Free-Space-Electro-Optic Sampling)對太赫茲脈沖信號進行了測量。相比較光電導采樣技術,這種方法可以獲得更寬的測量帶寬,且穩定性更高,同時具有較高的靈敏度,引起了人們的廣泛關注。無論是光電導采樣還是自由電光采樣,都是一種間接測量太赫茲輻射的手段,而在有些情況下,我們需要直接對太赫茲輻射功率進行測量。1994 年,Richard 等利用測輻射熱計(Bolometer)直接探測連續太赫茲輻射源的功率。1996 年,  M. I. Dyakonov 等利用場效應晶體管(Field  Effect  Transistor)實現了太赫茲輻射能量測量。2000 年,Komiyama 研究小組利用量子點探測器實現了太赫茲單光子探測。對于連續太赫茲輻射的直接測量,類似的探測器件還有高萊探測器(Golay  Cell)、熱釋電探測器、肖特基二極管,量子環探測器,以及碳納米管等。 

 

 太赫茲應用

 

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太赫茲波在電磁波譜上的位置決定了其具有獨特的輻射性質,如較高的輻射頻率、超短脈沖寬度、低輻射光子能量、強穿透特性,以及輻射相干特性等,具有巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。其中,太赫茲時域光譜技術和成像技術構成了太赫茲波應用的兩個主要關鍵技術,運用這兩個技術手段可在生物醫學、無損檢測、材料分析,以及安全檢查等領域進行廣泛的研究。

原廠介紹

NeTHIS公司是法國波爾多的一家專注于新型太赫茲成像系統公司,源于法國國家科學研究中心,致力為激光光束分析和成像研發創新新型設備。富泰科技(香港)有限公司作為NeTHIS國內代理為科研工業客戶提供多光譜工業視覺創新解決方案,包括太赫茲相機,功率計,激光探測卡,覆蓋從紫外光到太赫茲波寬域頻譜。


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