太赫茲波探測(cè)技術(shù)論文

　　太赫茲(Terahertz，THz)波是電磁波譜中頻率位于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(chēng)作亞毫米波、遠(yuǎn)紅外等。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理的太赫茲波探測(cè)技術(shù)論文，希望你能從中得到感悟!

　　太赫茲波探測(cè)技術(shù)論文篇一

　　太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)與其在計(jì)量中的應(yīng)用研究

　　摘 要 隨著科技的快速發(fā)展，太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)越來(lái)越受到廣大行業(yè)的關(guān)注。本文綜述了國(guó)內(nèi)外太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)的研究情況;闡述了太赫茲脈沖技術(shù)的產(chǎn)生原理以及太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)的類(lèi)型;最后對(duì)太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)的三種應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)這三種應(yīng)用情況進(jìn)行了對(duì)比研究。

　　關(guān)鍵詞 太赫茲脈沖;測(cè)量技術(shù);應(yīng)用研究

　　中圖分類(lèi)號(hào)TB9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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

　　大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)是大赫茲技術(shù)近年來(lái)發(fā)展的一種新技術(shù)，在各領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。大赫茲的頻率范圍為0.1THz-10THz，波長(zhǎng)范圍為0.03mm～3mm的電磁波。大赫茲脈沖是指其脈沖信號(hào)寬度為0.1ps-10ps范圍之間的信號(hào)。大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)由于有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到大眾的廣泛認(rèn)識(shí)，取得了一定的研究成果。

　　胡永生等學(xué)者對(duì)大赫茲技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究，研究結(jié)果表明，大赫茲技術(shù)近年來(lái)在物體成像、軍事、醫(yī)療、生物和環(huán)境方面應(yīng)用廣泛[1]。Yamashita等學(xué)者對(duì)較大規(guī)模的集成電路進(jìn)行成像分析，結(jié)果表明，成像時(shí)實(shí)現(xiàn)了3微米的分辨率[2]。Eyal等學(xué)者利用直徑為1.7亞毫米的望遠(yuǎn)鏡并采用1.25太赫茲-1.5太赫茲波段的太赫茲探測(cè)器對(duì)天文情況進(jìn)行了觀察[3]。

　　因此，大赫茲技術(shù)已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者的重視，研究出了一定量的成果，其中包括了大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)方面的研究成果。本文首先主要介紹和分析了大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)主要的幾個(gè)方面，其次對(duì)大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)在計(jì)量中的幾種常見(jiàn)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

　　1 大赫茲脈沖技術(shù)的產(chǎn)生及測(cè)量技術(shù)

　　1.1 大赫茲脈沖技術(shù)的產(chǎn)生

　　大赫茲脈沖的基礎(chǔ)是飛秒脈沖激光器，通過(guò)瞬時(shí)態(tài)光產(chǎn)生一種電流或者是通過(guò)非線(xiàn)性介質(zhì)產(chǎn)生一種非線(xiàn)性效應(yīng)，以下主要對(duì)幾種常見(jiàn)的技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

　　1)電光晶體產(chǎn)生技術(shù)

　　電光晶體產(chǎn)生技術(shù)是一種將極短激光脈沖作用在線(xiàn)性介質(zhì)上而產(chǎn)生的一種電脈沖技術(shù)，該技術(shù)最早是S.L.Chuang等學(xué)者研究提出的。其示意圖如圖1所示。

　　圖1 電光晶體產(chǎn)生太赫茲脈沖示意圖

　　從圖1容易看出，當(dāng)飛秒激光脈沖進(jìn)入電光晶體介質(zhì)后，在電光晶體介質(zhì)內(nèi)激發(fā)一種隨著時(shí)間變化而變化的電場(chǎng)，并隨之產(chǎn)生一種極化電流，其極化電流使電光晶體產(chǎn)生一種太赫茲脈沖。

　　電光晶體產(chǎn)生的太赫茲脈沖的寬度與其進(jìn)入脈沖的寬度相關(guān)不多，因此，產(chǎn)生的太赫茲脈沖具有相對(duì)寬的頻率范圍和相對(duì)較高的時(shí)間分辨率范圍。電光晶體產(chǎn)生的太赫茲脈沖能量主要來(lái)源是射入脈沖的能量，由于其輸出的功率不足，因此，它的能量不僅受激光脈沖的制約，同時(shí)也受不同介質(zhì)的影響。由于有其上述的制約，太赫茲脈沖能量的轉(zhuǎn)換效率受到了兩個(gè)方面的因素影響，其一是材料的非線(xiàn)性系數(shù)，其二是太赫茲脈沖與介質(zhì)材料對(duì)太赫茲脈沖的吸收之間的兩種相位匹配。

　　2)電離大氣產(chǎn)生技術(shù)

　　電離大氣產(chǎn)生技術(shù)是利用極短超強(qiáng)激光脈沖對(duì)空氣進(jìn)行電離，從而產(chǎn)生空氣等離子體，在伴隨產(chǎn)生相應(yīng)的等離子體的同時(shí)產(chǎn)生了太赫茲脈沖信號(hào)。由于電離空氣產(chǎn)生技術(shù)的非線(xiàn)性交換介質(zhì)為大氣，與其傳統(tǒng)的光學(xué)材料相比，有其獨(dú)特的特點(diǎn)，不易受到破壞，因此，該技術(shù)受到了研究者廣泛的關(guān)注。

　　1.2 大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)

　　在國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的共同努力下，大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，其基本參數(shù)的測(cè)量也隨之有較快的發(fā)展。大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)是使太赫茲脈沖產(chǎn)生技術(shù)的逆過(guò)程，同時(shí)，該技術(shù)也結(jié)合等效取樣技術(shù)來(lái)測(cè)量。因此，太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)主要有兩種，一種是電光測(cè)量技術(shù)，一種是大氣電離測(cè)量技術(shù)。本文主要對(duì)該兩種測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

　　1)電光測(cè)量技術(shù)

　　電光測(cè)量技術(shù)最早由Kolner等研究學(xué)者最先提出，該技術(shù)是采用了一種電光晶體的電光效應(yīng)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量[4]。電光晶體測(cè)量技術(shù)的影響物理機(jī)制是通過(guò)電場(chǎng)作用電光晶體折射率。電光測(cè)量技術(shù)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是測(cè)量范圍廣;二是響應(yīng)速度快;三是分辨時(shí)間能力強(qiáng);四是動(dòng)態(tài)范圍廣。現(xiàn)階段的電光測(cè)量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到外電光測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)的原理是利用微小探頭靠近需要測(cè)量器件的外表面，使微小探頭全部處于電場(chǎng)中，從而達(dá)到能測(cè)出電場(chǎng)。同時(shí)具有適應(yīng)范圍廣、干擾信號(hào)能力小等優(yōu)點(diǎn)。 　　2)大氣電離測(cè)量技術(shù)

　　大氣電離測(cè)量技術(shù)的測(cè)量過(guò)程與電光晶體測(cè)量技術(shù)的測(cè)量相似，該技術(shù)主要是通過(guò)激光照射大氣等離子體三階非線(xiàn)性光學(xué)的反過(guò)程，從而對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行測(cè)量的一種新技術(shù)。

　　2 太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

　　隨著電子高科技的高頻發(fā)展，大赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)在計(jì)量中起到越來(lái)越重要的作用，以下對(duì)常見(jiàn)的幾種在計(jì)量中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

　　2.1飛秒脈沖發(fā)生器校驗(yàn)

　　飛秒脈沖發(fā)生器在現(xiàn)在各領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，不僅能直接單獨(dú)使用，而且也能便攜的量值傳遞工具。飛秒脈沖發(fā)生器校驗(yàn)采用的原理是對(duì)飛秒脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)域測(cè)量，從而會(huì)產(chǎn)生一種脈沖信號(hào)的波形，通過(guò)分析脈沖信號(hào)的波形來(lái)得到有關(guān)的波形參數(shù)，最終能實(shí)現(xiàn)對(duì)飛秒脈沖發(fā)生器的校驗(yàn)。該校驗(yàn)方法已經(jīng)有了較快的發(fā)展，不僅能夠用于校驗(yàn)飛秒脈沖發(fā)生器，同時(shí)也能校驗(yàn)飛速誤碼儀的發(fā)射端等多種儀器的校驗(yàn)。

　　2.2 寬帶取樣示波器校驗(yàn)

　　隨著高頻和微波技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)，寬帶取樣示波器技術(shù)的極大的更新發(fā)展，其在測(cè)量方面的應(yīng)用也更加廣泛了。因此，寬帶取樣示波器如何校驗(yàn)，同時(shí)做到準(zhǔn)確的校驗(yàn)，如今顯得越來(lái)越重視。目前對(duì)寬帶取樣示波器校驗(yàn)的主要大致方法有三類(lèi)：一類(lèi)是N-T-N方法，該方法利用三臺(tái)示波器，通過(guò)兩兩配對(duì)相互測(cè)量，最終得出各臺(tái)示波器的頻率。N-T-N方法對(duì)示波器校驗(yàn)準(zhǔn)確與否主要取決于方法的部分固有假設(shè)，而且只對(duì)固定的示波器有用。二類(lèi)是掃頻校驗(yàn)方法，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠精確的源頭功率計(jì)的校驗(yàn)，主要缺點(diǎn)是它無(wú)法明確示波器響應(yīng)中的相位有關(guān)的信息。三類(lèi)是標(biāo)準(zhǔn)脈沖檢驗(yàn)法，該方法較為直接，主要是通過(guò)從測(cè)量結(jié)果中分離出來(lái)的一些標(biāo)準(zhǔn)脈沖信息，從而通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)脈沖信息來(lái)確定示波器頻率的響應(yīng)。此方法的主要缺點(diǎn)是需要足夠快、頻段高且能量充足的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信源。

　　2.3飛速光電檢測(cè)器校驗(yàn)

　　飛速光電檢測(cè)器所需的寬帶越來(lái)越大，為了對(duì)飛速光電檢測(cè)器的進(jìn)行校驗(yàn)，NIST利用EOS技術(shù)對(duì)飛速光電檢測(cè)器的校驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究。該校驗(yàn)方法主要是采用已校驗(yàn)過(guò)的儀器(寬帶示波儀)進(jìn)行測(cè)量，使其飛速光電檢測(cè)器發(fā)生一種飛速的脈沖，通過(guò)對(duì)所發(fā)出的脈沖響應(yīng)波形進(jìn)行分析。

　　2.4 三種儀器對(duì)比分析

　　通過(guò)對(duì)上式三種儀器的校驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，結(jié)果表明，不同的檢測(cè)器所需要的脈沖或?qū)拵怯兴煌摹榱藢?duì)這三種檢測(cè)器進(jìn)行深入的了解，以下對(duì)三種檢測(cè)器的相關(guān)系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　類(lèi)型 帶寬 最寬帶寬 脈沖半高全寬 階梯上升時(shí)間

　　飛秒脈沖發(fā)生器校驗(yàn) 50GHz 100 GHz 15ps 10 ps

　　寬帶取樣示波器校驗(yàn) 33 GHz 100 GHz 7.8 ps 6.5 ps

　　飛速光電檢測(cè)器校驗(yàn) 60 GHz 310 GHz 20ps 11 ps

　　3 結(jié)論

　　本文通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，得出國(guó)外對(duì)太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)明顯先于國(guó)外。對(duì)常見(jiàn)的幾種太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了闡述，得出主要的測(cè)量技術(shù)主要有電光測(cè)量技術(shù)和大氣電離測(cè)量技術(shù)。最后對(duì)太赫茲脈沖測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，得出三種應(yīng)用情況。

　　參與文獻(xiàn)

　　[1]胡永生，陳錢(qián).大赫茲技術(shù)及其應(yīng)用研究的進(jìn)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.太赫茲脈沖計(jì)量技術(shù)[J]. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30(1)：24-27.

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