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第二章太赫兹波的产生电子科学与技术1

什么是太赫兹波？1THz=____Hz？THz波的基本性质有哪些？THz波光子能量比X射线光子能量小几个数量级？THz波对什么材料具有透视性？什么是太赫兹波的波粒二象性？2知识点回顾

太赫兹波是指频率处于0.1THz-10THz的电磁波,对应的波长范围是3mm-0.03mm。1THz=1012Hz。太赫兹波频率的数量级是1012,x射线频率的数量级是1017,依据e=hv,可以得到太赫兹波光子能量比x射线光子能量小5个数量级。太赫兹波具有瞬态性,宽带性,相干性,低能性,透视性,特殊光谱范围,成像分辨率高、景深大。3参考答案

太赫兹波对非极性材料具有透视性,而极性材料对太赫兹波具有强烈地吸收。太赫兹波的波粒二象性是指太赫兹波在传输过程中表现为波动性,在与物质相互作用时表现为粒子性。4参考答案

5主要内容THz辐射源概述THz辐射源的分类基于光学效应的THz辐射源基于电子学的THz辐射源

6主要内容THz辐射源概述THz辐射源的分类基于光学效应的THz辐射源基于电子学的THz辐射源

THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线）是从19世纪80年代中后期,才被正式命名的,在此以前科学家们将统称为远红外射线。之后的近百年时间,远红外技术取得了许多成果,并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少,主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制,因此这一波段也被称为THz间隙。THz辐射源是THz技术能否转化为现实生产力的关键环节。7THz辐射源

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THz源成为一种准常规技术,THz技术得以迅速发展,并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。但是,目前尚缺少高功率、低成本、便携式、常温工作条件下的THz辐射源,这已经成为21世纪THz领域迫切需要解决的实际问题。8THz辐射源

世界各国主要沿着三条途径开发太赫兹辐射源。其一是以太赫兹激光器为代表的激光光学技术,包括气体激光器、半导体激光器以及自由电子激光器等,这类技术来自于激光技术向长波方向的发展；其二是以微波元件为代表的真空电子技术,包括微波管、固体微波源以及耿氏二极管等,这类技术来自于微波技术向短波方向的发展；其三是超快激光技术,这类技术是从1THz向低频和高频两个方向同时发展。9发展历程

10发展历程真空电子技术短波方向

11发展历程激光光学技术长波方向

12发展历程超快激光技术从1THz向两边

13主要内容THz辐射源概述THz辐射源的分类基于光学效应的THz辐射源基于电子学的THz辐射源

14THz辐射源的分类

光学效应多普勒效应声光效应磁光效应电光效应弹光效应非线性效应等等电学效应电磁振荡电泵浦15THz辐射源的机理

基于光学效应的THz辐射源光电导天线光整流空气产生太赫兹气体激光器基于电子学的THz辐射源真空电子器件相对论性电子器件半导体激光器16THz辐射源的分类

17主要内容THz辐射源概述THz辐射源的分类基于光学效应的THz辐射源基于电子学的THz辐射源

光电导天线光整流空气产生太赫兹气体激光器18基于光学效应的THz辐射源

光电导天线的结构19方法一:光电导天线常用的半导体衬底:砷化镓(GaAs),磷化铟(InP)，用放射法制作的有缺陷的硅晶片。

20系统结构

光电导天线是目前众多THz产生技术中应用最广泛的方法之一；它是由美国贝尔实验室的Auston研究小组在1984年首先提出并初步试验成功；21研究历史

22工作原理当超快激光(光子的能量要大于或等于该种材料的能隙)打在两电极之间的光电导材料上时,会在其表面瞬间（10-14s量级）产生大量的电子－空穴对。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。这种快速随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。

23工作原理E入射光子THz脉冲电子-空穴对在电场中加速的载流子

24光导天线由高阻硅构成的球面聚焦透镜，作用主要有两个:一是准直THz波，二是消除衍射效应和截面反射。

25光导天线的变形

频率范围0.1THz-5THz功率范围纳瓦到微瓦量级26THz波的指标参数

这种太赫兹辐射系统的性能取决于三个因素:光导体、天线的几何结构和泵浦激光的脉冲宽度。光导体是产生太赫兹辐射的关键部件，对于性能良好的光导体来说，它应该具有载流子寿命极短、载流子迁移率高和介质耐击穿强度大等特点。27注意事项

光整流是产生太赫兹脉冲的一种常用机制,它是一种非线性效应,是电光效应的逆过程；这种模型是由S.L.Chuan