太赫茲波探測技術論文

　　太赫茲***Terahertz，THz***波是電磁波譜中頻率位於微波和紅外輻射之間，頻率在0.1-10THz***1THz=1012Hz***的電磁輻射，通常也被稱作亞毫米波、遠紅外等。下面是小編整理的，希望你能從中得到感悟!

　　篇一

　　太赫茲脈衝測量技術與其在計量中的應用研究

　　摘 要 隨著科技的快速發展，太赫茲脈衝測量技術越來越受到廣大行業的關注。本文綜述了國內外太赫茲脈衝測量技術的研究情況;闡述了太赫茲脈衝技術的產生原理以及太赫茲脈衝測量技術的型別;最後對太赫茲脈衝測量技術的三種應用進行了詳細的分析，並對這三種應用情況進行了對比研究。

　　關鍵詞 太赫茲脈衝;測量技術;應用研究

　　中圖分類號TB9 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708***2014***123-0201-02

　　Terahertz Pulse Measurement Technology and Application in Metrology

　　Abstract With the rapid development of technology， THz pulse measurement technology is more and more by the industry’s attention. This paper reviews the research situation both at home and abroad of terahertz pulse measurement technology; describes the terahertz pulse technology generation principle and types of terahertz pulse measurement technique; at the end of the three applications of terahertz pulse measurement technology are analyzed in detail， and the three application were studied.

　　Keywords Terahertz pulse;Measurement technology;Application Research

　　0 引言

　　大赫茲脈衝測量技術是大赫茲技術近年來發展的一種新技術，在各領域受到廣泛的關注。大赫茲的頻率範圍為0.1THz-10THz，波長範圍為0.03mm～3mm的電磁波。大赫茲脈衝是指其脈衝訊號寬度為0.1ps-10ps範圍之間的訊號。大赫茲脈衝測量技術由於有其獨特的優點，越來越受到大眾的廣泛認識，取得了一定的研究成果。

　　胡永生等學者對大赫茲技術的應用進行了相關的研究，研究結果表明，大赫茲技術近年來在物體成像、軍事、醫療、生物和環境方面應用廣泛[1]。Yamashita等學者對較大規模的積體電路進行成像分析，結果表明，成像時實現了3微米的解析度[2]。Eyal等學者利用直徑為1.7亞毫米的望遠鏡並採用1.25太赫茲-1.5太赫茲波段的太赫茲探測器對天文情況進行了觀察[3]。

　　因此，大赫茲技術已經受到國內外相關研究學者的重視，研究出了一定量的成果，其中包括了大赫茲脈衝測量技術方面的研究成果。本文首先主要介紹和分析了大赫茲脈衝測量技術主要的幾個方面，其次對大赫茲脈衝測量技術在計量中的幾種常見的應用進行了分析。

　　1 大赫茲脈衝技術的產生及測量技術

　　1.1 大赫茲脈衝技術的產生

　　大赫茲脈衝的基礎是飛秒脈衝鐳射器，通過瞬時態光產生一種電流或者是通過非線性介質產生一種非線性效應，以下主要對幾種常見的技術進行了詳細的闡述。

　　1***電光晶體產生技術

　　電光晶體產生技術是一種將極短鐳射脈衝作用線上性介質上而產生的一種電脈衝技術，該技術最早是S.L.Chuang等學者研究提出的。其示意圖如圖1所示。

　　圖1 電光晶體產生太赫茲脈衝示意圖

　　從圖1容易看出，當飛秒鐳射脈衝進入電光晶體介質後，在電光晶體介質內激發一種隨著時間變化而變化的電場，並隨之產生一種極化電流，其極化電流使電光晶體產生一種太赫茲脈衝。

　　電光晶體產生的太赫茲脈衝的寬度與其進入脈衝的寬度相關不多，因此，產生的太赫茲脈衝具有相對寬的頻率範圍和相對較高的時間解析度範圍。電光晶體產生的太赫茲脈衝能量主要來源是射入脈衝的能量，由於其輸出的功率不足，因此，它的能量不僅受鐳射脈衝的制約，同時也受不同介質的影響。由於有其上述的制約，太赫茲脈衝能量的轉換效率受到了兩個方面的因素影響，其一是材料的非線性係數，其二是太赫茲脈衝與介質材料對太赫茲脈衝的吸收之間的兩種相位匹配。

　　2***電離大氣產生技術

　　電離大氣產生技術是利用極短超強鐳射脈衝對空氣進行電離，從而產生空氣等離子體，在伴隨產生相應的等離子體的同時產生了太赫茲脈衝訊號。由於電離空氣產生技術的非線性交換介質為大氣，與其傳統的光學材料相比，有其獨特的特點，不易受到破壞，因此，該技術受到了研究者廣泛的關注。

　　1.2 大赫茲脈衝測量技術

　　在國內外研究學者的共同努力下，大赫茲脈衝測量技術越來越先進，其基本引數的測量也隨之有較快的發展。大赫茲脈衝測量技術的基礎是使太赫茲脈衝產生技術的逆過程，同時，該技術也結合等效取樣技術來測量。因此，太赫茲脈衝測量技術主要有兩種，一種是電光測量技術，一種是大氣電離測量技術。本文主要對該兩種測量技術進行了詳細的探討。

　　1***電光測量技術

　　電光測量技術最早由Kolner等研究學者最先提出，該技術是採用了一種電光晶體的電光效應對電場強度進行測量[4]。電光晶體測量技術的影響物理機制是通過電場作用電光晶體折射率。電光測量技術有以下幾個方面的優點：一是測量範圍廣;二是響應速度快;三是分辨時間能力強;四是動態範圍廣。現階段的電光測量技術已經發展到外電光測量技術，該技術的原理是利用微小探頭靠近需要測量器件的外表面，使微小探頭全部處於電場中，從而達到能測出電場。同時具有適應範圍廣、干擾訊號能力小等優點。 　　2***大氣電離測量技術

　　大氣電離測量技術的測量過程與電光晶體測量技術的測量相似，該技術主要是通過鐳射照射大氣等離子體三階非線性光學的反過程，從而對太赫茲脈衝進行測量的一種新技術。

　　2 太赫茲脈衝測量技術的應用

　　隨著電子高科技的高頻發展，大赫茲脈衝測量技術在計量中起到越來越重要的作用，以下對常見的幾種在計量中的應用進行詳細的闡述。

　　2.1飛秒脈衝發生器校驗

　　飛秒脈衝發生器在現在各領域有很廣泛的應用，不僅能直接單獨使用，而且也能便攜的量值傳遞工具。飛秒脈衝發生器校驗採用的原理是對飛秒脈衝訊號進行時域測量，從而會產生一種脈衝訊號的波形，通過分析脈衝訊號的波形來得到有關的波形引數，最終能實現對飛秒脈衝發生器的校驗。該校驗方法已經有了較快的發展，不僅能夠用於校驗飛秒脈衝發生器，同時也能校驗飛速誤碼儀的發射端等多種儀器的校驗。

　　2.2 寬頻取樣示波器校驗

　　隨著高頻和微波技術的快速發展，近年來，寬頻取樣示波器技術的極大的更新發展，其在測量方面的應用也更加廣泛了。因此，寬頻取樣示波器如何校驗，同時做到準確的校驗，如今顯得越來越重視。目前對寬頻取樣示波器校驗的主要大致方法有三類：一類是N-T-N方法，該方法利用三臺示波器，通過兩兩配對相互測量，最終得出各臺示波器的頻率。N-T-N方法對示波器校驗準確與否主要取決於方法的部分固有假設，而且只對固定的示波器有用。二類是掃頻校驗方法，該方法的主要優點是能夠精確的源頭功率計的校驗，主要缺點是它無法明確示波器響應中的相位有關的資訊。三類是標準脈衝檢驗法，該方法較為直接，主要是通過從測量結果中分離出來的一些標準脈衝資訊，從而通過標準脈衝資訊來確定示波器頻率的響應。此方法的主要缺點是需要足夠快、頻段高且能量充足的標準脈衝信源。

　　2.3飛速光電檢測器校驗

　　飛速光電檢測器所需的寬頻越來越大，為了對飛速光電檢測器的進行校驗，NIST利用EOS技術對飛速光電檢測器的校驗技術進行了相關的研究。該校驗方法主要是採用已校驗過的儀器***寬頻示波儀***進行測量，使其飛速光電檢測器發生一種飛速的脈衝，通過對所發出的脈衝響應波形進行分析。

　　2.4 三種儀器對比分析

　　通過對上式三種儀器的校驗進行詳細的闡述，結果表明，不同的檢測器所需要的脈衝或寬頻是有所不同的。為了對這三種檢測器進行深入的瞭解，以下對三種檢測器的相關係列資料進行分析。

　　型別 頻寬 最寬頻寬 脈衝半高全寬 階梯上升時間

　　飛秒脈衝發生器校驗 50GHz 100 GHz 15ps 10 ps

　　寬頻取樣示波器校驗 33 GHz 100 GHz 7.8 ps 6.5 ps

　　飛速光電檢測器校驗 60 GHz 310 GHz 20ps 11 ps

　　3 結論

　　本文通過對目前國內外的研究現狀進行了分析，得出國外對太赫茲脈衝測量技術明顯先於國外。對常見的幾種太赫茲脈衝測量技術進行了闡述，得出主要的測量技術主要有電光測量技術和大氣電離測量技術。最後對太赫茲脈衝測量技術的應用進行了分析，得出三種應用情況。

　　參與文獻

　　[1]胡永生，陳錢.大赫茲技術及其應用研究的進展[J]. 紅外，2006，27***1***：11-15.

　　[2]Masatsugu Yamashita，Kodo Kawase and Chiko Otani. Optical Society of America，2005，13：115-120.

　　[3]Eyal Gerecht，Sigfrid Yngcesson，et al.Trend a low noise terahertz receiver user instrument for AST/RO at the south pole. Millimeter and submillimeter detectors for astronomy[C]. proc. of SPIE. 2003， 4855：574-582.

　　[4]Kolner B H，Bloom D M，Cross P S. Electro optic sampling with picoseconds resolution.Electronics Letters，1983，19：574-576.

　　[5]馬吉，馬紅梅，龔鵬偉.太赫茲脈衝計量技術[J]. 宇航計測技術，2010，30***1***：24-27.

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