太赫兹辐射物理及应用

    本书可作为相关专业高年级本科生、研究生、科研和工程技术人员深入了解太赫兹物理及应用的参考书。 

    本书涵盖了太赫兹辐射和应用的zui新进展。全书分为三个部分:太赫兹探测、太赫兹产生、太赫兹系统和应用。这三部分以完备的逻辑向读者介绍太赫兹辐射的产生和探测中的物理问题，由器件与元件构成的系统及其在不同领域的应用。如果需要，也可单独阅读本书的任一章节来加深对某一特定主题的理解。

Douglas J. Paul 美国格拉斯哥大学教授，爱丁堡皇家学会会士，物理研究所（Institute of Physics）特许物理学家（Chartered Physicist），IEEE高级会士，英国工程和自然科学研究委员会（EPSRA）高级会士，在剑桥大学卡文迪什实验室攻读博士学位期间负责所有的硅/锗硅研究项目。他是多家政府部门咨询委员会的顾问，如内政部、政府科学办公室、国防科学顾问办公室等，并于2004年至2008年期间担当北约海关与边境保护科学小组的英国代表。Paul教授在众多国际会议担当评委会成员，是物理研究所《半导体科学技术》杂志的编委会成员。他的研究兴趣包括硅/锗硅异质结构，互补金属氧化物半导体，量子级联激光器，量子设备，硅光子学，太赫兹系统，无极分子电子学和热点技术等，成绩突出，享有世界盛誉，是全球知名的光电专家。

刘劲松   华中科技大学二级教授，博士生导师。武汉光电国家实验室太赫兹光电子学研究中心负责人，兼任华中科技大学研究生院培养处处长。首届霍英东高校教师基金获得者，宝钢优秀教师奖获得者，全国工程专业学位研究生教指委委员，中国学位与研究生教育工科工作委员会委员，《应用光学》副主任委员，《激光技术》副主编，《电子器件术》副主编，湖北省光学学会常务理事，国家光电子技术标准化委员会委员。获国家ji教学成果二等奖1项，省级教学成果一等奖2项。主持国家自然科学基金7项，在Sci. Rep.，Phys. Rev. A &E, Opt. Lett.，App. Lett.等刊物上发表论文300余篇。主要研究领域为太赫兹光电子学、太赫兹无损检测以及太赫兹成像技术的基础研究和技术研发。

 

1.1光电导和光电二极管的基本原理/2

1.1.1探测器的性能参数/2

1.1.2太赫兹波段的相关问题/5

1.2半导体量子阱/5

1.2.1量子阱/6

1.2.2掺杂/8

1.3子带跃迁/9

1.3.1吸收谱线与选择定则/9

1.3.2多体效应/11

1.4多量子阱系统中的输运/12

1.4.1发射捕获模型/12

1.4.2动力学模型/14

1.4.3隧穿电流/15

1.5量子阱探测器/16

1.5.1优化设计/16

1.5.2光耦合/17

1.5.3工艺状况/18

1.5.4量子级联探测器/19

1.6量子点探测器/21

1.6.1量子点制备/21

1.6.2量子点中的跃迁/22

1.6.3量子点探测器/23

1.6.4太赫兹QDIP/25

参考文献/25

太赫兹辐射物理及应用

目录

第2章太赫兹测辐射热计 /32

2.1热辐射探测/32

2.1.1测辐射热计原理/33

2.1.2电热模型/34

2.1.3噪声源/39

2.1.4品质因数/41

2.1.5综合讨论/43

2.1.6测温计材料/45

2.2冷却型太赫兹测辐射热计/50

2.2.1通论/50

2.2.2冷却型测辐射热计实例/52

2.3非冷却型太赫兹测辐射热计/57

2.3.1标准热红外测辐射热计在太赫兹传感中的应用/57

2.3.2修改了电阻的吸收金属层的测辐射热计/62

2.3.3太赫兹天线耦合测辐射热计/63

2.4结论/70

参考文献/71

第3章太赫兹等离子体场效应晶体管/74

3.1简介/74

3.2场效应晶体管的太赫兹发射实验/75

3.3场效应晶体管的太赫兹探测实验/80

3.3.1高频模式/81

3.3.2低频模式/85

3.3.3非共振探测情况/85

3.3.4硅FET实现太赫兹探测/88

3.3.5室温成像/89

3.3.6外加磁场的影响/90

3.4双光栅栅极FET探测/91

3.5总结/93

参考文献/93

第4章量子级联激光器

/99

4.1背景/99

4.2量子阱和量子力学隧道效应/100

4.3QCL激光产生条件/103

4.4量子级联激光器中的增益/103

4.5有源区域设计/105

4.6波导设计和损耗/106

4.7实验激光器结果范例/110

4.8太赫兹量子级联激光器的未来需求/113

4.9总结/115

参考文献/116

第5章基于相对论电子的太赫兹源: 工作原理和ENEA实验/119

5.1电子和光子相互作用/119

5.2自由电子激光器机理/121

5.2.1自发辐射/122

5.2.2增益/124

5.3紧凑型FEL/127

5.4ENEA Frascati FEL设备/129

5.4.1契伦科夫FEL实验/130

5.4.2紧凑型波动器FEL实验/132

5.4.3SmithPurcell光栅实验/138

5.5紧凑型先进太赫兹源/140

参考文献/143

第6章太赫兹射线的物理机制与应用/146

6.1光参量放大中的腔内太赫兹产生/147

6.2非线性介质、模式匹配和调谐/149

6.3系统设计/151

6.4装置性能和太赫兹特性/153

6.5增益和阈值计算/155

6.6太赫兹输出特性/156

6.7太赫兹光束质量/157

6.8线宽压缩/159

6.9腔内太赫兹参量放大技术在远程谱中的应用/163

6.10ICTPO在远程太赫兹谱中的应用潜力/165

6.11基于OPO源的太赫兹光谱仪/167

6.12结论/168

参考文献/169

第7章太赫兹波的调控/173

7.1衍射光学/173

7.1.1设计透镜/174

7.1.2太赫兹衍射光学的实例/176

7.2偏振控制/177

7.2.1基本理论/177

7.2.2巴比涅补偿器/178

7.2.3人工电介质/178

7.2.4太赫兹波段的偏振控制实例/179

7.3太赫兹滤波器/181

7.3.1EBG的基本理论/182

7.3.2实现可调谐太赫兹滤波器/185

7.4超材料和表面等离子体共振/189

7.5总结/192

参考文献/193

第8章太赫兹时域光谱的原理和应用/197

8.1引言/197

8.2太赫兹时域光谱的原理/199

8.3短电磁脉冲的产生和探测/200

8.4TDS装置的特点/202

8.4.1带宽/202

8.4.2频率分辨率/203

8.4.3空间分辨率/204

8.4.4TDS装置的信噪比/204

8.4.5典型的信号和装置/206

8.5从太赫兹时域光谱测量中提取光学参数的原理/207

8.5.1时阈测量/208

8.5.2透射测量的光谱/209

8.5.3反射测量的光谱/210

8.6太赫兹时域光谱的应用实例/211

8.6.1亚波长（约λ / 100）薄膜分辨/211

8.6.2太赫兹域的超材料/215

8.7太赫兹时域光谱的不确定性和精度/218

8.8与FTIR测量的比较/221

8.9结论/222

参考文献/223

第9章太赫兹安检系统和安全性注意事项/227

9.1前言/227

9.2安全威胁和伦理问题/228

9.3物理原理/228

9.4对以往主题的回顾（2006—2010）/229

9.5接近市场可商用化系统的回顾/230

9.5.177 GHz相控阵雷达/230

9.5.2反射阵列/230

9.6新进展/230

9.6.1高频雷达/230

9.6.2量子级联激光器 /231

9.6.3冷却的测辐射热计/231

9.6.4光子的产生/231

9.6.5空气击穿相干探测/231

9.6.6CMOS/232

9.6.7硅锗/232

9.7太赫兹安全性/232

9.7.1简介/232

9.7.2主要实验数据/234

9.7.3太赫兹频段EMR与生物材料之间的相互影响机制/235

9.7.4曝光标准、支撑数据和实验局限/236

9.7.5DNA“解链”和Frhlich假设/238

9.7.6太赫兹EMR的安全性/240

9.8结论/241

参考文献/242

前言

《太赫兹辐射物理及应用》涵盖了太赫兹辐射和应用的zui新进展。本书分为三部分:太赫兹探测、太赫兹产生、太赫兹系统和应用。这三部分完整地向读者介绍了太赫兹辐射的产生和探测中的物理问题，由器件与元件构成的系统及其在不同领域的应用。如果需要，也可单独阅读本书的任一章节来加深对某一特定主题的理解，而无需阅读全书。

太赫兹探测这部分从三种物理机制出发来讲述探测器的zui新进展，包括：光子探测、热辐射探测和光整流。首先，从异质结物理入手介绍基于量子阱的光电探测器，这些器件已用作红外探测器，采用一些技术使其扩展到更低光子能量便能实现太赫兹波的探测。然后，从多个角度来介绍辐射热测试器，包括器件物理基础和具体特性，尤其是太赫兹探测所需的特性和连接方式。zui后，从基础物理出发介绍基于场效应晶体管的光整流器件，分为共振型和非共振型两类，对其特性进行了深入分析。

太赫兹产生这部分讲述了基于量子级联激光器、自由电子激光器和非线性光学三种方式的太赫兹辐射源，它们在器件尺度和工作原理上存在很大差异。以多量子阱结构为核心的量子级联激光器，有望发展成一种小型紧凑的太赫兹辐射源。自由电子激光器可以辐射太赫兹波，这需要从相对论电子物理的视角去理解。作为实际例子，介绍了Frascati自由电子激光实验及其在减小装置尺寸方面的努力。对基于非线性光学的太赫兹辐射器，重点介绍了紧凑调频源，包括基本原理和内腔OPO系统。

太赫兹系统和应用这一部分描述了从器件到设备的相关细节和要点，着重讲述在图像、频谱、安检等应用中如何控制太赫兹辐射。讲述了超材料的电磁特性及其对太赫兹辐射的控制。介绍了太赫兹频谱测量设备以及太赫兹谱在材料特性和质量改进方面的应用。安检是太赫兹技术zui有前景的应用领域，从需求出发详细描述了技术方案，并与毫米波段做了比较。zui后介绍了太赫兹波与活体生物组织相互作用的zui新研究结果，并讨论了一些安全方面仍存争议的话题。

译者序

太赫兹波指的是频率为0.1~10 THz的电磁波（1 THz=1012 Hz）。THz是英文Terahertz的简写，其中T代表Tera，Hz代表Hertz（赫兹）。Tera这个词头表示1012，中文译成太。所以，Terahertz就翻译成太赫兹。这样的例子很多，比如Terametre，简写成Tm，称太米，代表1012米，不过很少有人用。

对电磁波来说，不同谱段的命名与历史、习惯和行业紧密相关，缺乏严格的准则。光波是能被人类视觉感知的一段电磁波。以此为参照，将长波一端的叫红外，将短波一端的叫紫外。一个“外”字代表看不见，之后这些概念就逐渐延伸。红外向长波延伸，就出现了近红外、中红外、远红外、超远红外等；紫外向短波延伸，就出现了近紫外、中紫外、远紫外、极远紫外等。与此不同，X射线的命名并非源于与可见光的对比，而是因为发现它时不知道是什么，以X为代号，之后就以此命名了。无线电波是人们对电磁波有了深刻理解之后命名的，早期按波长的长短来加以区分，分为长波、中波、短波。这种方式后来就更准确了，所以有了米波、分米波、厘米波、毫米波的叫法。像太赫兹波这样，用频率来命名电磁波的，还是孤例。1 THz对应的波长是3丝米（1丝米=100微米），因此有人建议应该将太赫兹波称为丝米波。这似乎更加规范，因为这更符合在波的前面加一个波长对应的长度单位来表示一段电磁波的习惯。这本书的英文名称是《Physics and Applications of Terahertz Radiation》，书中也用到Terahertz wave。出于习惯，我们在译文中采用的是太赫兹辐射、太赫兹波这样的术语。不过，也有人将太赫兹波称为太赫兹射线（TRays），如这本书的第6章。可是，太赫兹波还是称波为好。这是因为，相比红外波、可见光、紫外线和X射线，太赫兹波拥有更加显著的波动性。但是，为了忠实于原著，第6章的译文还是采用了太赫兹射线的说法。

 

涵盖太赫兹辐射和应用zui新进展