2第二章 太赫茲波的產(chǎn)生.ppt

1、第二章 太赫茲波的產(chǎn)生,電子科學(xué)與技術(shù),1,什么是太赫茲波？ 1THz=_Hz？ THz波的基本性質(zhì)有哪些？ THz波光子能量比X射線光子能量小幾個(gè)數(shù)量級(jí)？ THz波對(duì)什么材料具有透視性？ 什么是太赫茲波的波粒二象性？,2,知識(shí)點(diǎn)回顧,太赫茲波是指頻率處于0.1THz-10THz的電磁波，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍是3mm-0.03mm。 1THz=1012Hz。 太赫茲波頻率的數(shù)量級(jí)是1012，x射線頻率的數(shù)量級(jí)是1017，依據(jù)e=hv，可以得到太赫茲波光子能量比x射線光子能量小5個(gè)數(shù)量級(jí)。 太赫茲波具有瞬態(tài)性，寬帶性，相干性，低能性，透視性，特殊光譜范圍，成像分辨率高、景深大。,3,參考答案,太赫茲波

2、對(duì)非極性材料具有透視性，而極性材料對(duì)太赫茲波具有強(qiáng)烈地吸收。 太赫茲波的波粒二象性是指太赫茲波在傳輸過(guò)程中表現(xiàn)為波動(dòng)性，在與物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)為粒子性。,4,參考答案,5,主要內(nèi)容,6,主要內(nèi)容,THz波（太赫茲波）或稱為T(mén)Hz射線（太赫茲射線）是從19世紀(jì)80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學(xué)家們將統(tǒng)稱為遠(yuǎn)紅外射線。 之后的近百年時(shí)間，遠(yuǎn)紅外技術(shù)取得了許多成果，并且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。但是涉及太赫茲波段的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)非常少，主要是受到有效太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測(cè)器的限制，因此這一波段也被稱為T(mén)Hz間隙。 THz輻射源是THz技術(shù)能否轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。,7,THz輻射源,隨著20世紀(jì)8

3、0年代一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快技術(shù)的發(fā)展，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖THz源成為一種準(zhǔn)常規(guī)技術(shù)，THz技術(shù)得以迅速發(fā)展，并在實(shí)際范圍內(nèi)掀起一股THz研究熱潮。 但是，目前尚缺少高功率、低成本、便攜式、常溫工作條件下的THz輻射源，這已經(jīng)成為21世紀(jì)THz領(lǐng)域迫切需要解決的實(shí)際問(wèn)題。,8,THz輻射源,世界各國(guó)主要沿著三條途徑開(kāi)發(fā)太赫茲輻射源。 其一是以太赫茲激光器為代表的激光光學(xué)技術(shù)，包括氣體激光器、半導(dǎo)體激光器以及自由電子激光器等，這類技術(shù)來(lái)自于激光技術(shù)向長(zhǎng)波方向的發(fā)展； 其二是以微波元件為代表的真空電子技術(shù)，包括微波管、固體微波源以及耿氏二極管等，這類技術(shù)來(lái)自于微波技術(shù)向短波方向

4、的發(fā)展； 其三是超快激光技術(shù)，這類技術(shù)是從1 THz向低頻和高頻兩個(gè)方向同時(shí)發(fā)展。,9,發(fā)展歷程,10,發(fā)展歷程,真空電子技術(shù),短波方向,11,發(fā)展歷程,激光光學(xué)技術(shù),長(zhǎng)波方向,12,發(fā)展歷程,超快激光技術(shù),從1THz向兩邊,13,主要內(nèi)容,14,THz輻射源的分類,光學(xué)效應(yīng) 多普勒效應(yīng) 聲光效應(yīng) 磁光效應(yīng) 電光效應(yīng) 彈光效應(yīng) 非線性效應(yīng)等等 電學(xué)效應(yīng) 電磁振蕩 電泵浦,15,THz輻射源的機(jī)理,基于光學(xué)效應(yīng)的THz輻射源 光電導(dǎo)天線 光整流 空氣產(chǎn)生太赫茲 氣體激光器 基于電子學(xué)的THz輻射源 真空電子器件 相對(duì)論性電子器件 半導(dǎo)體激光器,16,THz輻射源的分類,17,主要內(nèi)容,光電導(dǎo)天線

5、 光整流 空氣產(chǎn)生太赫茲 氣體激光器,18,基于光學(xué)效應(yīng)的THz輻射源,光電導(dǎo)天線的結(jié)構(gòu),19,方法一：光電導(dǎo)天線,常用的半導(dǎo)體襯底：砷化鎵(GaAs),磷化銦(InP)， 用放射法制作的有缺陷的硅晶片。,20,系統(tǒng)結(jié)構(gòu),光電導(dǎo)天線是目前眾多THz 產(chǎn)生技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的方法之一； 它是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Auston研究小組在1984年首先提出并初步試驗(yàn)成功；,21,研究歷史,22,工作原理,當(dāng)超快激光(光子的能量要大于或等于該種材料的能隙)打在兩電極之間的光電導(dǎo)材料上時(shí)，會(huì)在其表面瞬間（10-14s 量級(jí)）產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)。這些光生自由載流子會(huì)在外加偏置電場(chǎng)和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下作加速運(yùn)動(dòng)，

6、從而在光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料的表面形成瞬變的光電流。這種快速隨時(shí)間變化的電流會(huì)向外輻射出太赫茲脈沖。,23,工作原理,E,入射光子,THz脈沖,電子-空穴對(duì),在電場(chǎng)中加速的載流子,24,光導(dǎo)天線,由高阻硅構(gòu)成的球面聚焦透鏡，作用主要有兩個(gè)：一是準(zhǔn)直THz波，二是消除衍射效應(yīng)和截面反射。,25,光導(dǎo)天線的變形,頻率范圍 0.1THz-5THz 功率范圍 納瓦到微瓦量級(jí),26,THz波的指標(biāo)參數(shù),這種太赫茲輻射系統(tǒng)的性能取決于三個(gè)因素：光導(dǎo)體、天線的幾何結(jié)構(gòu)和泵浦激光的脈沖寬度。 光導(dǎo)體是產(chǎn)生太赫茲輻射的關(guān)鍵部件，對(duì)于性能良好的光導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，它應(yīng)該具有載流子壽命極短、載流子遷移率高和介質(zhì)耐擊穿強(qiáng)度大等特點(diǎn)

7、。,27,注意事項(xiàng),光整流是產(chǎn)生太赫茲脈沖的一種常用機(jī)制，它是一種非線性效應(yīng)，是電光效應(yīng)的逆過(guò)程； 這種模型是由S. L. Chuang等人在1992年提出的。,28,方法二：光整流,線性介質(zhì)：兩束光束在線性介質(zhì)中可以獨(dú)立傳播，且不改變各自的振蕩頻率； 非線性介質(zhì)：兩束光束在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)，將會(huì)發(fā)生和頻（= 1 + 2 ）振蕩及差頻（= 1 2 ）振蕩現(xiàn)象，因此在出射光中，除了和入射光具有相同頻率的光波以外還有其他頻率的光波； 光整流：是指當(dāng)一束高強(qiáng)度的單色激光在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)，它會(huì)在介質(zhì)內(nèi)部通過(guò)差頻（= 1 2 =0）振蕩效應(yīng)激發(fā)出一個(gè)恒定（不隨時(shí)間變化）的電極化場(chǎng)。這個(gè)電極化場(chǎng)不會(huì)

8、向外輻射電磁波，它只是會(huì)在介質(zhì)內(nèi)部建起一個(gè)直流電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為光學(xué)整流效應(yīng)。,29,基本概念,如果入射到非線性介質(zhì)中的是超短激光脈沖，則根據(jù)傅立葉變換理論可知，一個(gè)脈沖光束可以分解成一系列單色光束的疊加，這些單色光將會(huì)在非線性介質(zhì)中發(fā)生混合。其中，由差頻振蕩效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低頻振蕩的時(shí)變電極化場(chǎng)。這個(gè)時(shí)變電極化場(chǎng)可以輻射出太赫茲波。 光整流的物理過(guò)程是一個(gè)瞬間完成的過(guò)程。,30,輻射機(jī)理,31,工作原理,非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)對(duì)所產(chǎn)生的太赫茲脈沖的振幅強(qiáng)度、頻率分布以及光整流的轉(zhuǎn)換效率。 常用的非線性介質(zhì)有LiNbO3(鈮酸鋰)、LiTaO3 (鉭酸鋰) 、有機(jī)晶體DAST(4-(4-二甲基氨

9、基苯乙烯基)甲基吡啶對(duì)甲基苯磺酸鹽 ) 、半導(dǎo)體GaAs(砷化鎵)、ZnTe(碲化鋅)、InP(磷化銦)、InTe(碲化銦)等。用得最多的是ZnTe 和GaAs。,32,非線性介質(zhì),33,系統(tǒng)結(jié)構(gòu),頻率范圍 太赫茲輻射的帶寬上限由泵浦激光脈沖的寬度決定，最高頻率可以達(dá)到50THz，甚至可以達(dá)到100THz 功率范圍 納瓦量級(jí),34,THz的指標(biāo)參數(shù),空氣產(chǎn)生太赫茲，是將超短強(qiáng)激光脈沖聚焦在周圍空氣中直接產(chǎn)生太赫茲的技術(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：該方法可在遠(yuǎn)處（可在幾公里遠(yuǎn)）產(chǎn)生太赫茲波，所以應(yīng)用前景十分美好。 缺點(diǎn)：輻射機(jī)理沒(méi)有被完全解開(kāi)。,35,方法三：空氣產(chǎn)生太赫茲,36,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),當(dāng)高能量的超短激光脈沖

10、聚焦在空氣中時(shí)，焦點(diǎn)處的空氣會(huì)發(fā)生電離現(xiàn)象形成等離子體。由此所形成的有質(zhì)動(dòng)力會(huì)使離子電荷和電子電荷之間形成大的密度差，而且這種電荷分離過(guò)程會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)有力的電磁瞬變現(xiàn)象的發(fā)生，從而輻射出太赫茲波。,37,輻射過(guò)程,當(dāng)前對(duì)空氣等離子體產(chǎn)生太赫茲的機(jī)制解釋還沒(méi)有完全的定論； 現(xiàn)有許多模型如有質(zhì)動(dòng)力模型、輻射壓力模型、四波混頻模型和量子模型等，都在試圖對(duì)其進(jìn)行解釋，但都只能對(duì)該部分該現(xiàn)象給予正確解釋。 其中四波混頻模型是在文獻(xiàn)中應(yīng)用比較多的解釋之一。,38,輻射機(jī)理,實(shí)驗(yàn)裝置主要有以下三種：,39,實(shí)驗(yàn)裝置,將波長(zhǎng)為800nm或400nm，持續(xù)時(shí)間為100fs的激光脈沖聚焦到空氣中產(chǎn)生等離子體從而輻射太

11、赫茲波。,40,裝置一,利用分色鏡將波長(zhǎng)為800nm和400nm（基頻波與二次諧波）的兩束光混合在一起，通過(guò)干涉相長(zhǎng)或干涉相消對(duì)太赫茲輻射進(jìn)行相干控制。,41,裝置二,是將波長(zhǎng)為800nm或400nm，持續(xù)時(shí)間為100fs的激光脈沖聚焦到空氣中產(chǎn)生等離子體從而輻射太赫茲波，只是在聚焦透鏡后添加一塊了BBO晶體，其作用是用來(lái)倍頻。,42,裝置三,產(chǎn)生太赫茲波的主要機(jī)制是在空氣等離子體中混合的與2光束發(fā)生的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，即四波混頻過(guò)程。 太赫茲場(chǎng)的極性和強(qiáng)度完全由與2光束間的相對(duì)位相控制。 在四波混頻過(guò)程中，當(dāng)所有光波（、2及THz）的偏振態(tài)均相同時(shí)產(chǎn)生的太赫茲效果最佳。,43,輻射的主要機(jī)

12、制,四波混頻：兩個(gè)特定頻率的光波在非線性材料中交會(huì)時(shí)，有可能產(chǎn)生另外兩個(gè)頻率的電磁波，四種頻率的電磁波相互作用所引起的非線性光學(xué)效應(yīng)。 它起因于介質(zhì)的三階非線性極化。,44,四波混頻,頻率范圍 頻率0.1THz-10THz 功率范圍 納瓦到微瓦量級(jí),45,THz的指標(biāo)參數(shù),激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。,46,方法四：氣體激光器,除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過(guò)損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(lì)源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作物質(zhì)兩個(gè)部分。 激勵(lì)方式：光學(xué)激勵(lì)，氣體放電激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)，核能激

13、勵(lì)。 工作物質(zhì)：晶體和玻璃，氣體，溶液，半導(dǎo)體，在空間周期變化磁場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)的定向自由電子束。,47,基本概念,分類標(biāo)準(zhǔn)：工作物質(zhì)的不同 固體激光器 氣體激光器 液體激光器 半導(dǎo)體激光器 自由電子激光器,48,激光器的分類,利用一臺(tái)CO2 激光器輸出的遠(yuǎn)紅外光來(lái)泵浦一個(gè)充有甲烷（CH4）、氨氣（NH3）、氫化氰（HCN）或是甲醇（CH3OH）等物質(zhì)的低壓真空腔，由于這些氣體分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)間的躍遷頻率正好處于太赫茲頻段，所以可以形成太赫茲受激輻射，從而在光泵浦太赫茲激光器中直接輻射出太赫茲波。 甲醇分子氣體激光器是最常見(jiàn)的光泵浦太赫茲激光器之一。 它已經(jīng)在美國(guó)國(guó)家航空航天管理局（NASA）

14、所命名的“先兆”（AURA）衛(wèi)星上投入了實(shí)用。以此來(lái)觀測(cè)大氣。,49,太赫茲氣體激光器,泵浦源： CO2 激光器輸出的遠(yuǎn)紅外光。 工作物質(zhì)： 甲烷（CH4）、氨氣（NH3）、氫化氰（HCN）或是甲醇（CH3OH）等氣體物質(zhì)。 躍遷能級(jí)： 氣體分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)。,50,太赫茲氣體激光器,51,甲醇?xì)怏w激光器的工作原理,甲醇分子氣體激光器是由一個(gè)光柵調(diào)諧的CO2激光器泵浦源和太赫茲激光器單元組成的。 太赫茲激光器單元是由一個(gè)充滿甲醇分子氣體的低壓真空腔、光學(xué)反饋系統(tǒng)（腔鏡）、泵浦輸入系統(tǒng)，及輻射輸出系統(tǒng)組成。 甲醇分子氣體激光器利用甲醇分子的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射。,52,工作原理,當(dāng)泵浦源

15、所發(fā)出的紅外光（9-11m，31THz附近）的光子能量接近于甲醇分子從基態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)所需的能量時(shí)，這些紅外光子會(huì)被甲醇分子吸收；然后在一定的條件下形成轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)反轉(zhuǎn)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由此向外輻射出太赫茲（118.83m，約為2.5THz）。 高頻泵浦低頻的過(guò)程。,53,工作原理,頻率范圍 0.1-10THz范圍內(nèi)的單頻輸出 功率范圍 百毫瓦量級(jí),54,THz的指標(biāo)參數(shù),55,主要內(nèi)容,真空電子器件 半導(dǎo)體激光器,56,基于電子學(xué)的THz輻射源,真空電子器件是指借助電子在真空或者氣體中與電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，將一種形式電磁能量轉(zhuǎn)換為另一種形式電磁能量的器件。 具有真空密封管殼和若

16、干電極，管內(nèi)抽成真空，殘余氣體壓力為10-410-8帕。有些在抽出管內(nèi)氣體后，再充入所需成分和壓強(qiáng)的氣體。 廣泛用于廣播、通信、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、自動(dòng)控制、電子對(duì)抗、計(jì)算機(jī)終端顯示、醫(yī)學(xué)診斷治療等領(lǐng)域。,57,方法一：真空電子器件,靜電控制電子管：實(shí)現(xiàn)直流電能和電磁振蕩能量之間轉(zhuǎn)換； 微波電子管：將直流能量轉(zhuǎn)換成頻率為300MHz3000GHz電磁振蕩能量； 真空量子電子器件：以真空和氣體中粒子受激輻射為工作機(jī)理，將電磁波加以放大的器件； 電子束管：利用聚焦電子束實(shí)現(xiàn)光、電信號(hào)的記錄、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和顯示的； 光電管：利用光電子發(fā)射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換； X射線管：產(chǎn)生X射線； 充氣管：管內(nèi)充有氣體并

17、產(chǎn)生氣體放電。,58,真空電子器件的分類,工作于微波波段的真空電子器件。用來(lái)把直流能量轉(zhuǎn)換成頻率為300MHz到 3000GHz的電磁振蕩能量，包括M型返波管、直射速調(diào)管、反射速調(diào)管、O型返波管和回旋管等。 通常將微波氣體放電管也劃歸微波電子管一類。 微波電子管主要用于雷達(dá)、電視、微波通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙控遙測(cè)、工業(yè)加熱及粒子加速器等。,59,微波電子管,60,微波武器,微波武器又叫射頻武器或電磁脈沖武器，它是利用高能量的電磁波輻射去攻擊和毀傷目標(biāo)的。 微波武器一般由微波發(fā)生器、定向發(fā)射天線以及伺服控制系統(tǒng)等組成。微波發(fā)生器用于發(fā)射微波電磁脈沖，定向發(fā)射天線將微波能量幾乎全部聚集到某個(gè)方向

18、，伺服控制系統(tǒng)將天線指向某個(gè)需要的方向。 工作機(jī)理：是基于微波與被照射物之間的分子相互作用，將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。其特點(diǎn)是不需要傳熱過(guò)程，一下子就可讓被照射材料中的很多分子運(yùn)動(dòng)起來(lái)，使之內(nèi)外同時(shí)受熱，產(chǎn)生高溫?zé)龤Р牧稀?61,微波武器,以真空為其工作條件的量子電子器件。在這類器件中，受激粒子在與電磁波相互作用時(shí)，產(chǎn)生受激輻射，將電磁波加以放大。 主要包括自由電子微波激射器、分子微波激射器、量子頻率標(biāo)準(zhǔn)器件。,62,真空量子電子器件,行波管是靠連續(xù)調(diào)制電子注的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)放大功能的微波電子管。 1943年，美國(guó)物理學(xué)家R.康夫納在英國(guó)制出世界上第一只行波管。 1947年，美國(guó)物理學(xué)家J.皮爾斯發(fā)表對(duì)

19、行波管的理論分析。,63,行波管,在行波管中，電子注同慢波電路中行進(jìn)的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用在長(zhǎng)達(dá)640個(gè)波長(zhǎng)的慢波電路中電子注連續(xù)不斷地把動(dòng)能交給微波信號(hào)場(chǎng)從而使信號(hào)得到放大。,64,工作原理,包括電子槍慢波電路集中衰減器聚焦系統(tǒng)和收集極等部分。,65,結(jié)構(gòu),電子槍：形成符合設(shè)計(jì)要求的電子注。 慢波電路：電子注的直流速度決定于行波管的工作電壓。行波管工作電壓為2.5千伏時(shí)電子注直流速度約為自由空間電磁波速度(即光速)的10%工作電壓為50千伏時(shí)電子注直流速度約為自由空間電磁波速度的40%。為了使電子注同微波場(chǎng)產(chǎn)生有效的相互作用微波場(chǎng)的相速應(yīng)略低于上述電子注的直流速度。因此行波管中微波場(chǎng)的相速應(yīng)顯

20、著低于自由空間中電磁波傳播速度。慢波電路就是減小微波場(chǎng)相速的裝置。,66,系統(tǒng)各部分的作用,集中衰減器：輸入輸出能量耦合器與慢波電路之間和慢波電路各部分之間都應(yīng)有良好的阻抗匹配。若阻抗匹配不佳，會(huì)造成電磁波反射，反射波引起反饋，會(huì)導(dǎo)致行波管內(nèi)出現(xiàn)寄生振蕩。為避免振蕩需在慢波電路的一定位置上設(shè)置集中衰減器。集中衰減器由損耗涂層或損耗陶瓷片構(gòu)成。在集中衰減器處反射波被吸收可達(dá)到消除反饋抑制振湯的目的。 聚焦系統(tǒng)：使電子注保持所需形狀保證電子注順利穿過(guò)慢波電路并與微波場(chǎng)發(fā)生有效的相互作用最后由收集極接收電子注。 收集極：電子注在完成同微波場(chǎng)的相互作用后從慢波電路射出最后打在收集極上。,67,系統(tǒng)各部

21、分的作用,返波管是行波管的一種變體，它是一種利用電子注與慢波線中的返波相互作用產(chǎn)生振蕩的微波電子管。 行波管：電磁波傳播方向與電子流方向相同。 返波管：電磁波傳播方向與電子流方向相反。,68,返波管,頻率范圍 0.1THz-1.0THz范圍之內(nèi)的單頻輸出 功率范圍 千瓦量級(jí),69,THz的指標(biāo)參數(shù),自由電子激光器，是一種利用自由電子的受激輻射，把相對(duì)論電子束的能量轉(zhuǎn)換成相干輻射的激光器件-自由電子的動(dòng)能躍遷。 自由電子激光器，是一種特殊類型的新型激光器，工作物質(zhì)為在空間周期變化磁場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產(chǎn)生可調(diào)諧的相干電磁輻射。 優(yōu)點(diǎn)：具有高功率、高效率、高頻率和工作頻率可以覆蓋從微波到X 射