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第一部分 太赫兹成像、传感及通信技术基础2

第1章 用于太赫兹波产生及检测的光电技术2

1.1 引言2

1.1.1 太赫兹源技术2

1.1.2 光电太赫兹源3

1.2 太赫兹探测器技术4

1.2.1 零差探测器4

1.2.2 外差探测器4

1.2.3 光电探测器5

1.3 太赫兹光导天线产生太赫兹信号5

1.3.1 连续波模式6

1.3.2 脉冲模式8

1.3.3 库仑屏蔽效应和辐射屏蔽效应9

1.4 太赫兹光导天线探测太赫兹信号9

1.4.1 连续波模式9

1.4.2 脉冲模式10

1.4.3 连续波模式与脉冲模式的对比10

1.5 非线性晶体中的参量互作用11

1.6 非线性晶体中的差频混频12

1.7 结论14

1.8 参考文献14

第2章 太赫兹波在塑料波导中的传输与传播20

2.1 引言20

2.2 基于塑料的太赫兹光纤光学的主要挑战20

2.2.1 损耗21

2.2.2 色散24

2.2.3 亚波长光纤的封装25

2.3 基于亚波长光纤的器件27

2.3.1 基于光纤的太赫兹成像28

2.3.2 定向耦合器和无损切断技术28

2.4 空芯光纤31

2.4.1 反谐振反射光纤31

2.4.2 布拉格光纤32

2.5 太赫兹复合材料36

2.6 太赫兹波导的实验表征38

2.7 结论39

2.8 致谢41

2.9 参考文献41

第3章 太赫兹表面等离激元基础45

3.1 引言45

3.2 Drude模型46

3.3 平面上的表面等离激元48

3.3.1 色散48

3.3.2 表面等离激元的特征长度：波长、传播长度及衰减长度51

3.4 多层结构54

3.4.1 薄层中的长程及短程表面等离激元54

3.5 太赫兹等离激元的新趋势57

3.5.1 穿孔金属上设计的表面等离激元58

3.5.2 局域表面等离激元58

3.6 致谢59

3.7 参考文献59

第4章 太赫兹近场成像及传感基础66

4.1 引言66

4.1.1 近场和远场66

4.1.2 感生电偶极矩和感生磁偶极矩的辐射67

4.2 太赫兹近场测量68

4.3 不同亚波长孔的近场71

4.3.1 圆孔近场成像71

4.3.2 圆孔的有效偶极矩72

4.3.3 方孔近场成像74

4.3.4 矩形孔近场成像74

4.3.5 矩形孔（纳米级宽度）近场成像77

4.4 基尔霍夫近场估算公式78

4.4.1 基尔霍夫公式和近场与远场间关系78

4.4.2 纳米狭缝和纳米天线的近场估算79

4.5 结论82

4.6 参考文献83

第5章 太赫兹场效应管88

5.1 引言88

5.2 低维结构中的等离子体波88

5.2.1 体等离子体波89

5.2.2 二维（2D）电子气89

5.2.3 栅控2D电子气90

5.2.4 线中的等离子体波90

5.3 直流场效应晶体管稳态的不稳定性91

5.3.1 倾斜模式和边缘发射92

5.4 FET检测太赫兹辐射93

5.4.1 高频体制93

5.4.2 低频体制94

5.4.3 特征长度94

5.4.4 非线性机制95

5.4.5 简化理论95

5.4.6 现象学方法96

5.5 FET的太赫兹辐射研究97

5.5.1 回旋共振光谱仪97

5.5.2 傅里叶变换光谱仪98

5.5.3 太赫兹发射阈值98

5.5.4 边缘发射98

5.5.5 可调发射99

5.5.6 讨论100

5.6 FET太赫兹检测的实验研究101

5.6.1 实验装置101

5.6.2 光响应建模101

5.6.3 栅极漏电流102

5.6.4 温度依赖性102

5.6.5 负载效应103

5.6.6 最优长度选择103

5.6.7 硅FET太赫兹检测104

5.6.8 室温成像105

5.6.9 谐振检测105

5.6.10 谐振谱线展宽107

5.6.11 沟道窄化107

5.6.12 电流窄化107

5.6.13 强磁场研究108

5.7 结论109

5.8 致谢109

5.9 参考文献109

第6章 太赫兹无线通信113

6.1 引言113

6.2 太赫兹无线通信的发展动因113

6.3 通信中的大气传输115

6.3.1 太赫兹辐射的方向性115

6.3.2 闪烁对链路的恶化116

6.3.3 包括雾、雨及雪在内的大气和自由空间衰减117

6.4 太赫兹通信信道建模119

6.4.1 室内119

6.4.2 卫星-卫星／卫星-地面121

6.4.3 隐蔽战场124

6.5 太赫兹通信硬件：源和检测器126

6.5.1 光电126

6.5.2 微波倍频器129

6.5.3 量子级联激光器130

6.5.4 太赫兹集成电路131

6.6 太赫兹调制器132

6.6.1 决定于太赫兹发生器的调制方式132

6.6.2 肖特基二极管混频系统132

6.6.3 独立于太赫兹发生器的调制方式134

6.6.4 用于太赫兹波束整形和控制的调制器134

6.7 太赫兹信号调制格式136

6.8 太赫兹通信系统实例136

6.8.1 太赫兹光电通信系统137

6.8.2 MMIC集成电路系统140

6.8.3 量子级联激光器系统141

6.8.4 微波倍频系统141

6.9 太赫兹通信链路上的雨、雾和大气闪烁的实验表征142

6.10 未来趋势147

6.11 更多参考信息148

6.12 致谢148

6.13 参考文献148

第二部分 太赫兹技术最新进展157

第7章 太赫兹生物传感技术157

7.1 引言157

7.2 太赫兹传感水动力学157

7.3 蛋白质传感158

7.4 依赖结合态的传感160

7.5 太赫兹频段的生物分子特征谐振161

7.6 水介导太赫兹分子成像163

7.7 结论163

7.8 致谢163

7.9 参考文献164

第8章 太赫兹阵列成像仪：基于等离子体波的硅基MOSFET检测器实现太赫兹相机167

8.1 引言167

8.2 阻性混频——准静态分析168

8.3 等离子体混频——流体动力学分析169

8.3.1 器件模型170

8.3.2 阻性混频机制170

8.3.3 分布式阻性自混频体制171

8.3.4 等离子体混频体制173

8.4 互补型金属氧化物半导体（CMOS）场效应管用作太赫兹探测器的相关技术、设计及实现175

8.4.1 互补型金属氧化物半导体（CMOS）技术在太赫兹焦平面的应用175

8.4.2 CMOS天线的集成176

8.4.3 探测器设计和实现177

8.5 场效应管探测器的表征和优化178

8.5.1 电学和光学响应率179

8.5.2 噪声等效功率（Noise-Equivalent Power,NEP）180

8.5.3 响应时间181

8.5.4 阻抗匹配和调谐的局限181

8.5.5 一种器件表征方法182

8.5.6 MOSFET太赫兹探测器结果182

8.5.7 电流偏置响应率的增强184

8.6 太赫兹相机的发展185

8.6.1 一个50像素的阵列185

8.6.2 10千像素虚拟相机的直接实时成像仿真186

8.6.3 使用10千像素虚拟相机仿真的实时相干成像187

8.7 太赫兹成像的其他焦平面技术概述189

8.8 致谢190

8.9 参考文献190

第9章 亚波长等离子体结构中的太赫兹谐振场增强194

9.1 引言194

9.2 太赫兹频率下表面等离激元的基本原理195

9.3 太赫兹波通过金属孔阵列的异常传输195

9.3.1 通过光学薄金属孔径阵列的谐振传输特性196

9.3.2 与金属介电常数相关的表面波传输特性198

9.3.3 表面等离子体传感器：介质层对金属孔径阵列的影响200

9.4 太赫兹表面等离激元的有源控制202

9.4.1 硅光子晶体到金属孔径阵列的有源变换202

9.4.2 具有超材料属性的混合等离子开关器件205

9.4.3 超导等离子体206

9.5 结论209

9.6 参考文献209

第10章 光纤耦合太赫兹时域光谱系统212

10.1 引言212

10.2 光纤导波215

10.3 实验布局及系统特征217

10.3.1 非线性效应221

10.3.2 组件，测量头和系统222

10.3.3 系统表征223

10.4 基于光纤的太赫兹系统测量结果224

10.4.1 角度相关性测试224

10.4.2 在脉冲磁场下的回旋共振的高速测量226

10.4.3 光纤耦合单片集成电路衰减全反射（ATR）传感器227

10.5 光纤耦合太赫兹时域光谱与其他系统及技术的对比229

10.5.1 基于光纤的脉冲系统——Picometrix Inc229

10.5.2 1.5 μm泵浦波长下的脉冲系统230

10.5.3 光纤连续波（CW）系统232

10.6 未来趋势及结论233

10.7 参考文献233

第11章 最新的太赫兹连续波光混频系统236

11.1 引言236

11.2 连续波发射机和探测器技术237

11.2.1 砷化镓器件238

11.2.2 InGaAs/InP器件243

11.3 相干信号检测247

11.3.1 光电调制器的相位变化249

11.3.2 在光纤拉伸器中的相位变化249

11.3.3 在控制频率步长相位变化250

11.4 激光源251

11.4.1 小节双分布反馈激光器（DFB）251

11.4.2 双模和多模激光二极管253

11.4.3 双波长光学参量振荡器255

11.5 光混频连续波太赫兹系统选定的应用256

11.5.1 痕量气体检测256

11.5.2 固体的频谱分析257

11.5.3 成像258

11.6 结论260

11.7 致谢260

11.8 参考文献260

第12章 太赫兹近场成像及传感的新技术270

12.1 引言270

12.2 最新太赫兹近场方法271

12.3 新型微加工太赫兹近场探针272

12.4 纳米光子学二阶非线性光波导的太赫兹近场探测分析275

12.5 基于太赫兹时域反射测量法的集成电子学结构失效分析277

12.6 用于光伏材料检测的自由载流子浓度高分辨成像281

12.7 结论及未来趋势284

12.8 参考文献284

第13章 太赫兹纳米器件与纳米系统290

13.1 引言290

13.2 纳米级太赫兹探测器290

13.2.1 超导体与半导体291

13.2.2 碳纳米管291

13.3 太赫兹近场成像仪296

13.3.1 太赫兹近场成像296

13.3.2 集成太赫兹近场成像仪298

13.4 结论301

13.5 致谢301

13.6 参考文献301

第14章 太赫兹集成器件与系统305

14.1 太赫兹集成生物传感器芯片305

14.1.1 传输线传感器305

14.1.2 传输线传感器的结构与设计306

14.1.3 太赫兹生物传感芯片的实验与结果307

14.2 集成贴片天线的太赫兹振荡器309

14.2.1 太赫兹半导体振荡器309

14.2.2 RTD振荡器设计309

14.3 共振隧穿二极管结果与讨论310

14.4 参考文献312

第15章 基于频率梳技术的太赫兹频率计量315

15.1 引言315

15.2 频率梳相干频率链接316

15.3 太赫兹梳参考频谱分析仪317

15.3.1 工作原理318

15.3.2 实验装置319

15.3.3 测试结果320

15.4 光频梳参考太赫兹频率综合器322

15.4.1 工作原理323

15.4.2 实验装置324

15.4.3 实验结果326

15.5 太赫兹梳参考频谱测量仪328

15.5.1 工作原理329

15.5.2 实验装置330

15.5.3 测试结果330

15.6 结论及未来趋势332

15.7 参考文献332

第16章 太赫兹应用半导体材料的发展335

16.1 引言335

16.1.1 太赫兹辐射335

16.2 宽带脉冲太赫兹辐射的产生与探测336

16.3 光混频技术产生连续太赫兹辐射338

16.4 半导体光导材料339

16.4.1 低温GaAs339

16.4.2 ErAs：GaAs超晶格343

16.4.3 LT-In0.5 3Ga0.4 7As-In0.5 2Al0.4 8As344

16.4.4 ErAs：In0.5 3Ga0.4 7As-In0.5 2Al0.4 8As348

16.5 结论348

16.6 致谢349

16.7 参考文献349

第三部分 太赫兹技术的应用354

第17章 太赫兹技术在层析成像和材料光谱分析中的应用：综述354

17.1 引言354

17.2 层析成像技术的应用355

17.2.1 计算机辅助层析成像技术355

17.2.2 飞行时间层析成像技术357

17.3 粉末状化学制品的定量分析360

17.4 结论364

17.5 参考文献365

第18章 太赫兹技术在航空航天工业中的应用366

18.1 引言366

18.2 基于透射式太赫兹时域光谱技术的飞机复合材料无损检测367

18.2.1 理论与实验368

18.2.2 结果与讨论369

18.3 基于反射式太赫兹时域光谱技术的飞机复合材料无损检测372

18.3.1 理论与实验373

18.3.2 结果与讨论374

18.4 航空应用中的太赫兹连续波无损成像381

18.4.1 理论与实验381

18.4.2 结果与讨论383

18.5 玻璃纤维强化塑料无损成像对比385

18.5.1 实验过程385

18.5.2 比较388

18.6 结论389

18.7 参考文献390

第19章 太赫兹技术在木制品行业中的应用392

19.1 引言392

19.2 概述393

19.3 木材的结构和形态395

19.3.1 软木395

19.3.2 硬木395

19.3.3 木材的化学成分396

19.4 木材的远红外特性397

19.5 太赫兹频段木材特性检测404

19.6 定向刨花板行业中的太赫兹传感405

19.6.1 OSB工艺405

19.6.2 OSB工业的挑战406

19.6.3 太赫兹方法406

19.6.4 结论408

19.7 未来趋势409

19.8 参考文献410

第20章 太赫兹技术在医药行业中的应用413

20.1 引言413

20.2 太赫兹时域光谱技术：光谱装置与分析414

20.2.1 光谱装置414

20.2.2 样品制备和数据分析416

20.3 太赫兹时域光谱技术：识别、量化及分析418

20.3.1 多晶型和水合物的识别和量化419

20.3.2 固态相变分析420

20.4 太赫兹时域成像技术：成像装置与分析422

20.4.1 成像装置422

20.4.2 数据分析和解释423

20.4.3 药片和包衣的性能分析424

20.5 太赫兹时域成像技术：过程监控、光谱成像及化学映射426

20.5.1 制药过程监控426

20.5.2 光谱成像和化学映射428

20.6 结论及未来趋势430

20.7 致谢431

20.8 参考文献431

第21章 太赫兹技术在艺术品保护中的应用437

21.1 引言437

21.1.1 文物科学中的太赫兹空隙437

21.1.2 太赫兹波的优点438

21.2 太赫兹波用于材料分析438

21.2.1 谱数据库438

21.2.2 实物的太赫兹光谱学439

21.2.3 案例研究440

21.3 太赫兹波用于艺术品内部结构观测440

21.3.1 利用太赫兹时域光谱学（THz-TDS）系统进行无损截面观测440

21.3.2 THz-TDS系统应用案例440

21.4 太赫兹技术的未来发展：一种文物科学研究工具441

21.5 参考文献442

第22章 太赫兹技术在半导体行业中的应用443

22.1 引言443

22.1.1 电-光太赫兹脉冲反射仪（EOTPR）原理444

22.2 电-光太赫兹脉冲反射仪特性446

22.2.1 分辨率447

22.2.2 上升时间447

22.2.3 信噪比（SNR）447

22.2.4 测量范围447

22.2.5 波形解读448

22.3 电-光太赫兹脉冲反射仪用于故障分析的实例449

22.3.1 凸点连接错位449

22.3.2 介质破裂所致断路故障450

22.3.3 non-wet凸点451

22.3.4 基底短路／泄漏故障451

22.4 结论及未来趋势452

22.5 参考文献453