太赫兹时域光谱技术研究及应用

论文摘要

太赫兹波是指频率在0.1 THz～10THz(1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射,在电磁波谱中位于红外线和微波之间。近几十年来,超快光电子技术和低尺度半导体技术迅速发展,为太赫兹波段提供了合适的光源和测试手段,使得太赫兹科学和技术得以飞速的发展。太赫兹脉冲具有低能性、瞬态性、宽带性、相干性、对非极性物质的穿透性等特点,使太赫兹光谱技术具有广泛的应用,深入人们生活的各个领域。论文的主要工作包括：1.分析了影响光导天线产生太赫兹辐射性能的因素,计算分析了泵浦脉冲脉宽、泵浦脉冲能量、偏置电场和载流子复合时间与大口径光导天线近场辐射和远场辐射的关系,探索了强电场作用对太赫兹辐射的影响。2.研究了用于探测太赫兹脉冲的电光采样方法。理论分析并数值计算了色散、吸收、反射和速度不匹配对太赫兹时域波形探测结果的影响,通过计算,分析了基于电光采样方法的太赫兹脉冲探测系统的优化方法,给出了晶体作为太赫兹探测器的最佳角度选择和最佳厚度选择。3.从波束形状保持和波束能量保持两个方面研究了太赫兹波在散射介质和色散介质中的传播情况。通过计算分析,证明了太赫兹技术在恶劣环境中应用的可行性。4.研究了太赫兹时域光谱系统的结构和工作过程,搭建了太赫兹时域光谱系统。分析并实验研究了影响系统太赫兹辐射强度、带宽、时间分辨率、频谱分辨率和信噪比的因素,并以此优化了光谱系统。5.进行了阿莫西林的太赫兹时域光谱测量。制备了阿莫西林药品压片,推导了太赫兹时域光谱实验结果的数据处理方法,得到了药品的透射谱和吸收系数曲线,证明了系统的可靠性,对影响吸收谱线的因素进行了分析。通过分析,发现1.32THz和1.52THz处的吸收峰可以作为阿莫西林的特征吸收峰,实现在一般条件下,甚至是恶劣条件下的样品识别。6.提出了太赫兹技术应用于老化炸药检测的思路。指出了现有老化炸药检测手段的缺点。分析论证了太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测的可行性、安全性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外的研究机构
• 1.2.2 太赫兹时域光谱技术研究现状
• 1.2.3 太赫兹技术应用进展
• 1.3 论文目标和内容
• 第二章 光导天线产生太赫兹脉冲辐射的研究
• 2.1 引言
• 2.2 光导天线产生太赫兹辐射的基本原理
• 2.2.1 光导天线结构与太赫兹辐射原理
• 2.2.2 太赫兹辐射系统性能影响因素及系统组成的选择
• 2.3 大口径光导天线近场太赫兹辐射
• 2.3.1 近场辐射理论推导
• 2.3.2 近场辐射数值计算
• 2.4 大口径光导天线远场太赫兹辐射
• 2.5 载流子影响分析
• 2.6 其它可能的辐射机制
• 2.6.1 表面电场
• 2.6.2 光致丹倍效应
• 2.7 砷化镓的强电场效应
• 2.7.1 不同电场强度下的载流子输运特性
• 2.7.2 偶极畴
• 2.7.3 实验研究
• 2.8 本章小结
• 第三章 探测太赫兹脉冲的电光采样方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 电光采样方法探测太赫兹脉冲的基本原理
• 3.2.1 太赫兹波改变晶体折射率的理论计算
• 3.2.2 电光采样技术检测太赫兹脉冲时域波形
• 3.3 探测结果的影响因素
• 3.4 非线性晶体的选择
• 3.4.1 晶体角度选择
• 3.4.2 晶体厚度选择
• 3.5 本章小结
• 第四章 太赫兹波在介质中的传播
• 4.1 引言
• 4.2 连续太赫兹波在散射介质中传播的FDTD模拟
• 4.3 太赫兹脉冲在色散介质中传播的FDTD模拟
• 4.4 本章小结
• 第五章 太赫兹时域光谱系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 太赫兹时域光谱系统
• 5.2.1 太赫兹时域光谱系统原理
• 5.2.2 本文搭建的太赫兹时域光谱系统
• 5.3 系统性能分析
• 5.3.1 太赫兹辐射强度
• 5.3.2 谱宽
• 5.3.3 时间分辨率
• 5.3.4 频谱分辨率
• 5.3.5 信噪比
• 5.4 本章小结
• 第六章 药品的太赫兹时域光谱测量
• 6.1 引言
• 6.2 实验样品制备及其太赫兹时域光谱探测
• 6.2.1 实验样品简介及制备方法
• 6.2.2 样品探测结果
• 6.3 数据处理方法
• 6.4 实验结果分析
• 6.4.1 药品谱线
• 6.4.2 吸收谱线分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 太赫兹技术用于炸药老化检测分析
• 7.1 引言
• 7.2 现有老化炸药检测方法
• 7.3 炸药老化理论计算与能谱分析
• 7.4 太赫兹时域光谱技术用于炸药老化检测的可行性论证
• 7.5 讨论
• 7.6 本章小结
• 第八章 总结
• 8.1 论文主要工作总结
• 8.2 论文创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文情况