在人类所了解的电磁波谱中，太赫兹波介于微波与红外光之间，其频率范围通常为0.1～10 THz，对应波长3～0.03 mm。作为非电离电磁波，太赫兹辐射处于宏观经典理论向微观量子理论的频域过渡区，兼备电子学和光子学的双重特征。近三十年来，太赫兹科学与技术蓬勃发展，无疑是一个非常活跃的研究领域。一方面，太赫兹波是重要的科学研究前沿，在信息科学、物理学、材料学、天文学、生物学、化学等基础学科研究中展现出诱人的前景；另一方面，太赫兹波已经成为涉及公共安全、****和国民经济等国家核心利益的前沿技术，在国土安全、空间探索、无线通信和经济发展等国家重大战略中有着十分重要的应用前景。可以说，太赫兹科学技术正呈现出太赫兹基础科学、太赫兹先进技术和太赫兹产业化三方面多元化快速发展的新局面，前景十分看好，令人期待。

太赫兹波驱动的动态核极化核磁共振波谱技术能将信号灵敏度提高几个数量级,太赫兹回旋管可实现高功率输出,并有一定的频率调谐范围,符合核磁共振波谱系统对太赫兹辐射源的需求。介绍了应用于核磁共振波谱系统的频率可调太赫兹回旋管的发展,研究了多段式腔体结构以及频率可调太赫兹回旋管中工作电压和磁场与电子注质量的关系。在应用于动态核极化核磁共振的太赫兹频率可调回旋管工作时,多段式腔体结构明显优于传统三段式谐振腔。在设计太赫兹频率可调回旋管时,不仅要考虑改变工作电压或磁场导致的电子横纵速度比的变化,而且还要考虑改变工作电压或磁场导致的电子速度离散和引导中心半径离散的变化。

提出了两种有效混合物成分的定性与定量分析算法。针对混合物中每种成分太赫兹光谱已知的情况,提出了已知混合物成分光谱分析法,该方法具有步骤简单、样本需求量少的优点。而针对成分过多或部分成分光谱无法有效获得的情况,提出了未知混合物成分光谱分析法,该方法适用于多成分混合物,具有精度较高的优点,样本需求量多于已知混合物成分光谱分析法,但计算量相比传统算法大幅缩减。相关工作为生物医学领域中关键物质的识别和测量提供了新的思路和方法。

太赫兹技术在安检成像等领域具有重要的应用前景,然而当前太赫兹技术应用面临高灵敏度太赫兹探测器缺乏的困难,因此开发检测灵敏度高、响应速度快、可室温工作、便于集成超大规模阵列的探测芯片具有重要科学意义和实际应用价值。太赫兹波段的微测热辐射计(microbolometer)阵列芯片和红外相机读出电路兼容,是最先实现太赫兹相机的芯片,成为研制太赫兹相机的主流。我们研制的Nb₅N₆ microbolometer阵列器件,由于可常温工作、工艺简单、检测灵敏度高、响应速度快、便于集成超大规模阵列,受到了国际科学界和工业界的关注。就Nb₅N₆ microbolometer太赫兹阵列探测芯片在设计制备过程中遇到的一些关键技术问题,如衬底干涉效应、高效耦合结构设计、低噪声读出电路设计、及焦平面阵列与读出电路的封装集成等,进行介绍和总结,为大规模太赫兹阵列探测芯片的设计与制备提供参考。

光电表征技术是太赫兹应用技术的重要基础,涵盖了太赫兹频段光电器件表征、光谱测量、光束改善以及通信和成像应用等多个方面,在太赫兹应用领域中发挥着重要作用。介绍了太赫兹频段两种半导体量子器件的工作原理和最新进展,综述了二者在太赫兹脉冲功率测量、探测器响应率标定等光电表征技术中的应用及其在太赫兹快速调制与探测、太赫兹扫描成像系统中的应用,最后介绍了太赫兹光电表征技术的改善,包括激光源光束质量改善和探测器有效探测面积的提高方法等,并给出了器件及表征技术的潜在应用。

太赫兹人工电磁超材料一直存在损耗大、性能不佳和不可灵活调控等问题。超导材料的损耗极低,是太赫兹波段高性能功能器件的优选材料之一。介绍了太赫兹超导人工电磁超材料的发展,并详细总结了其低损耗的特性以及灵活调控的方法。结合太赫兹波段高性能功能器件的应用需求,分析了太赫兹功能器件的发展趋势、存在的问题以及所面临的关键科学问题。

介绍了不同液晶材料在太赫兹(THz)波段的光学各向异性和外场调制特性。在此基础上,综述了几种基于液晶与人工电磁微结构相结合的THz功能器件,该器件可实现对THz波的调谐滤波、电磁诱导透明、相位调制以及偏振控制功能等;系统地分析了液晶与人工电磁微结构的相互作用机理、THz波长尺度下液晶的外场调控规律与表面相互作用。此外,还对THz液晶光子器件的研究发展趋势进行了展望。

太赫兹特殊光束具有独特的光场分布和衍射特性,在粒子操控、光学成像和光通信等众多领域都有着明显的发展优势。综述了近年来本课题组和其他科研团队在太赫兹特殊光束方面展开的部分研究,包括太赫兹贝塞尔光束、涡旋光束、艾里光束、瓶子光束和径向偏振光束,系统地阐述了这些光束的光场分布特征、衍射特性及其潜在应用前景,旨在探讨太赫兹特殊光束对未来太赫兹技术的推动作用。

国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究计划、北京航空航天大学卓越和青年拔尖人才支持计划;

随着大功率激光技术的发展,由其驱动产生的太赫兹辐射受到了广泛关注。然而,大功率激光装置的重复频率低,测量其产生的太赫兹辐射的难度较大。采用时域光谱单发探测技术可以克服这一探测难点,通过单次测量就能得到太赫兹辐射的电场波形信息。回顾了太赫兹辐射时域光谱单发探测的相关研究工作进展。根据频率-时间编码和空间-时间编码两种不同的原理,详细介绍了啁啾脉冲光谱编码探测和空间-时间编码探测等测量技术,并对各个测量技术的特点和参数进行了对比,最后对太赫兹辐射的单发探测作了总结和展望。

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种使用相干探测的频谱分析手段。THz-TDS系统集太赫兹波发射器与探测器于一体,通过相干探测,可以同时获取太赫兹脉冲的电场强度和相位信息,广泛用于生物、材料、安检等领域。超快激光成丝产生太赫兹波是当前产生宽频谱、高强度太赫兹辐射的一个重要途径。文章详细介绍了超快激光成丝辐射太赫兹波的主流物理机制以及增强、调控太赫兹波的主要方法,阐述了基于激光成丝的THz-TDS系统的探测原理和探测手段。

石墨烯在太赫兹波段的优异性质,使其在太赫兹源、太赫兹探测和太赫兹调控三个方面都具备广阔的应用前景。主要对石墨烯在太赫兹波段的性质及石墨烯基太赫兹器件的相关研究进行了综述,并对石墨烯在太赫兹波段的应用前景进行了展望。在石墨烯太赫兹波段性质方面,主要介绍了石墨烯的电导模型、静态和超快光谱响应特性,以及表面太赫兹波辐射特性。在石墨烯基太赫兹器件方面,主要综述了基于光、电、磁调控的太赫兹主动器件,石墨烯基超材料的太赫兹调制器,基于阻抗匹配的减反射调控器件,以及可调太赫兹源器件的最新研究进展。

有机光电材料具有制备成本低、加工难度小、易于工业化生产等特点,已经广泛应用于平板显示、照明、光伏电池等工业领域,近年来也广泛应用于太赫兹波动态调制的研究中。本研究主要综述了基于有机光电材料的太赫兹波调制器件的研究进展,分析了光调制及电调制两种调制方法的原理和优缺点,介绍了近几年来将有机光电材料应用于太赫兹波调制所取得的一系列科研成果。有机光电材料可以为实现太赫兹调制器件提供新的研究思路。

从成纤维细胞、上皮细胞、神经细胞、干细胞、淋巴细胞及生殖细胞几种常见的细胞系入手,详细阐述了太赫兹辐射对不同细胞的功能、蛋白表达及基因毒性等的影响。围绕辐照条件和响应机制,基于现有的细胞学研究成果,提出了针对太赫兹生物学研究及具体应用的建议。随着太赫兹理论在生物医学领域的不断发展和成熟,太赫兹技术必将对开创新型诊疗技术具有重要的意义。

提出了基于等效阵列概念的弧形多收多发(MIMO)阵列的设计方法,依照该方法设计了一种50发60收的弧形MIMO阵列,并在太赫兹波段进行仿真分析。结果表明,所设计的弧形MIMO阵列的成像分辨率接近于理论极限;该弧形MIMO阵列与包含3000个收发同置天线的等效阵列相比,点扩展函数的主瓣宽度一致、旁瓣波峰波谷的位置一一对应,其等效性得到了验证;与传统直线MIMO阵列相比,弧形MIMO阵列的成像范围较大,其旁栅伪影得到明显抑制,这有利于获得更好的曲面目标侧面成像效果。

利用基于柔性衬底的谐振器透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统,对不同体积分数的乙醇-水混合液进行检测。随着乙醇体积分数增加,谐振频率出现蓝移,第二谐振峰的偏移量大于第一谐振峰的偏移量,最大偏移量达到52 GHz,灵敏度约为100 GHz/RIU。由于谐振器的柔性和极低的样品消耗(约20 μL),这种方法使THz-TDS和太赫兹谐振器在生物领域的应用成为可能。

设计并制备了基于人工超表面/离子凝胶/石墨烯复合结构的太赫兹调幅器件,并对其调制效果进行了模拟仿真和实验验证。该器件以嵌在石墨烯和超表面之间的离子凝胶为电解质,以石墨烯为主动材料,用超表面实现太赫兹波与石墨烯相互作用的增强。通过外加偏压调节石墨烯的电导率,进而达到对太赫兹波的主动控制。结果表明:该器件在较小的外加偏压下就可以在谐振频率处实现73%的调制深度,并且在调制过程中谐振频率几乎保持不变。该器件为小电压下的大幅度太赫兹调制提供了一种新手段。

利用空气等离子体太赫兹时域光谱系统,获得了0.5~14.5 THz范围内左旋多巴(L-DOPA)的特征指纹谱,并研究了吸收光谱随温度的变化效应。利用密度泛函理论计算L-DOPA的晶胞结构,并对太赫兹振动光谱进行了分析。结果表明:L-DOPA在太赫兹波段的吸收峰对应于不同的集体振动和分子局域振动,其中分子的集体振动在整个太赫兹波段分布较广,且苯环和分子侧链表现出不同的振动特点,这些结构振动特异性与分子构象以及分子间氢键的相互作用密切相关。

基于透射式太赫兹时域光谱系统,对熔石英在不同能量激光诱导损伤与未损伤区域进行检测,获得其时域光谱及0.8~1.25 THz频谱图,分析了峰峰值、振幅、透射谱、折射率及吸收系数,结果表明,损伤区域与未损伤区域相比,其峰峰值、振幅、透射谱、折射率明显减小,且随着激光诱导能量的增加,损伤面积增大,这些参数也逐渐减小;吸收系数呈相反的变化趋势。因此,可利用熔石英太赫兹波段光学特性的变化,对其激光诱导损伤和损伤程度进行识别,为太赫兹时域光谱技术在激光诱导损伤识别分析中的应用做良好的铺垫。

采用光纤飞秒激光器与光纤耦合型太赫兹光电导天线相结合的方案,设计并研制了光纤型太赫兹时域光谱系统。通过实验研究了激光偏振态对太赫兹时域波形、强度以及光谱特性的影响,通过对飞秒激光偏振态的精确控制与优化,消除了时域脉冲分裂现象,获得了高信噪比的单脉冲太赫兹时域波形。

为了对宽频段高吸收率太赫兹辐射计的特性进行表征,研究了吸收涂层材料的特性;对常见的吸波材料在太赫兹波段的吸收率进行仿真,探寻在太赫兹波段具有高吸收率的材料;将碳化硅与3M黑漆进行混合,以进一步提高涂层的吸收率,并通过仿真调整涂层内碳化硅颗粒的尺寸;根据仿真结果制备混合涂层,利用太赫兹时域光谱仪对混合涂层样品进行测量。结果表明:该混合涂层样品的光谱吸收率大于0.99,与仿真结果基本吻合。

基于飞秒激光光丝阵列,从实验上实现了太赫兹(THz)辐射的增强。结果表明,使用阶跃型相位板产生光丝阵列,在相同飞秒脉冲能量下,相比于单光丝情况,光丝阵列辐射THz信号强度被增强,且THz信号强度与光丝数目成正比。当入射能量为5.8 mJ时,8根光丝时辐射的THz能量为31.73 nJ,辐射效率为5.47×10 ^-6。所提方法有望解决飞秒激光辐射THz过程中的能量饱和问题。

基于反向串联型砷化镓平面肖特基容性二极管,采用平衡式二倍频结构,研制出了一种190 GHz大功率输出二倍频器。使用三维电磁场与非线性谐波平衡联合的方法进行了仿真,并根据仿真结果完成了倍频器的加工、装配和测试。倍频器在182~196 GHz输出频率范围内的倍频效率可达8%以上;当输出频率为187 GHz时,倍频效率和输出功率可分别达到15.4%和85 mW。

提出了一种复合结构三频带太赫兹超材料吸收器,其对特定频率的入射太赫兹波呈现出完全吸收的特性。设计的超材料吸收器在入射角度达到50°时仍能保持良好的吸收特性。利用干涉理论分析了完美吸收发生的条件以及介质层介电常数对吸收频率的影响。进一步利用传输线理论结合干涉理论,分析了耶路撒冷十字短边长度对吸收特性的影响,结果表明:随着短边长度增加,吸收峰发生红移。实验结果与仿真、干涉理论、传输线理论中得到的结果吻合得较好,为今后超材料吸收器的设计提供了指导。

提出一种轴棱锥-透镜-轴棱锥的相位透镜组结构,对该结构进行理论分析和模拟仿真计算,并采用快速三维打印技术制备的轴棱锥进行实验验证,获得无衍射长度接近1000 mm的太赫兹贝塞尔波束。该波束的无衍射区域不再紧贴轴棱锥,而是具有约100 mm的投送距离。该研究结果可促进太赫兹贝塞尔波束在大景深成像方面的应用。

对常用的4种三维(3D)打印材料进行了太赫兹光谱检测与分析。实验结果表明:4种3D打印材料在0.20~2.60 THz范围内差异明显,其中3D打印聚碳酸酯材料对太赫兹光的透过率最高;4种材料的折射率在1.45~1.65之间,光敏树脂的折射率最大,在1.62左右;4种材料的介电常数实部在2.20~2.75之间,虚部在0.05~0.35之间;从吸收谱上看,4种材料都没有吸收峰并且吸收较小。该研究为利用3D打印材料制作太赫兹器件的材料选取提供了重要的参考。

使用涡旋光束代替高斯光束作为产生光源,研究了涡旋光束产生太赫兹波的过程。探究了具有不同拓扑荷数的涡旋光束在产生太赫兹波时的差异,相位奇点的位置对产生太赫兹波的影响,不同脉冲强度和激光波长下涡旋光束产生的太赫兹波能量、频谱和偏振的变化。结果表明,产生的太赫兹波强度会随涡旋光束拓扑荷数的变化而变化,并且与涡旋中心的位置密切相关。涡旋光束所产生的太赫兹波随脉冲强度和激光波长的变化趋势与高斯光束一致。高斯光束与涡旋光束产生的太赫兹波在频谱和偏振上的变化趋势一致。

使用磷酸钛氧钾(KTiOPO₄,KTP)晶体,采用斯托克斯参量振荡器与太赫兹波表面垂直出射的斯托克斯参量放大器相结合的实验方案,获得了大能量的太赫兹波输出。抽运源是调Q脉冲激光器,输出波长为1064.2 nm,脉宽为7.5 ns,脉冲重复频率为1 Hz。斯托克斯光波长为1086.2 nm,抽运光与斯托克斯光的夹角为4.4°,太赫兹波频率为5.7 THz。抽运光路上的延时装置可以保证抽运光脉冲与待放大斯托克斯光脉冲有很好的时间重合性。当抽运光脉冲能量为770 mJ、待放大斯托克斯光脉冲能量为16.8 mJ时,放大后斯托克斯光脉冲能量为185.4 mJ,太赫兹波脉冲能量最大为6.4 μJ。

太赫兹单次测量技术可以对一些超快不可逆过程进行快速测量,在蛋白质变性、核爆模拟分析等领域具有广阔的应用前景。从飞秒激光放大器发出的光脉冲分成两束并分别经过两块光栅产生波前倾斜,一束作为抽运光激发铌酸锂晶体,基于光整流效应产生高功率太赫兹波;另一束作为探测光,采用正交平衡探测法探测。利用该光路产生太赫兹脉冲并对其进行单次测量,系统的时间窗口为16.8 ps,频谱范围覆盖0.1~1.6 THz。

采用0.3 THz辐射源和线阵探测器,搭建了太赫兹线阵扫描成像系统。该成像系统完成100 mm×100 mm区域的测量仅需1 min,成像分辨率可达1.5 mm,可以准确识别聚乙烯样品和水管中预埋的缺陷,高精度定位隐藏在信封内的剪刀和小刀。研究结果表明,该成像技术可以快速检测隐蔽物,在无损探伤和安全检查领域具有一定的实用价值。

设计了一种双波段太赫兹超材料增透膜结构,该增透膜采用层叠结构,即由两层金属-聚合物构成。通过数值计算得到了两层金属-聚合物结构金属表面的电场分布,分析了两波段超低反射产生的机理,并通过优化聚合物层的厚度与金属单元结构的尺寸,实现了在0.471 THz和1.560 THz两个频点处的超低反射,反射率最低分别为0.0028和0.0025,反射率在10%以内的带宽分别为0.26 THz和0.21 THz。研究结果为实现多波段太赫兹超材料增透膜应用提供了参考。

将全极化信息引入站开式全息成像系统中,设计了一种频率为0.14 GHz的全极化宽带雷达,并基于该系统完成了隐藏目标检测的太赫兹波站开式全极化全息成像实验。利用极化目标分解方法,分析了隐藏目标的低熵极化散射,研究了在不同角度照射下的平均极化散射机制。实验结果表明:在0.14 THz频段下,典型衣物材料的遮挡会改变背景杂波的散斑样式,但对强散射回波目标的极化散射影响很小;人造目标的极化散射熵较背景杂波更小;模型手枪的主要散射机理为光滑表面对应的低熵表面散射,其中套筒上的斜纹包含了低熵多次散射,这是该目标交叉极化回波的主要来源。

提出了一种基于狄拉克半金属超材料的双开口环结构的宽带偏振器,研究了狄拉克半金属费米能级以及中间介质厚度对偏振转换性能的影响。结果表明:当中间介质厚度为22 μm,费米能级为70 meV时,在1.44 THz和1.95 THz两个谐振频率处,偏振转换效率为100%;当中间介质厚度为22 μm时,随着狄拉克半金属费米能级从64 meV增加到70 meV,高低两个谐振峰均产生蓝移;当狄拉克半金属费米能级为70 meV时,随着基底介质厚度从19 μm增加到22 μm,低频处的谐振峰未移动,高频率点处的谐振峰红移。

提出了一种基于双复合结构层(CSLs)的宽带太赫兹超材料吸收体,其中复合结构层I由4个不同的圆环金属结构组成,复合结构层II由4个不同的方形金属结构组成。采用时域有限差分法详细研究和讨论了吸收体的吸收谱线、磁场能量分布、表面电流分布,以及偏振角度和入射角度对吸收的影响。结果表明:该吸收体能够有效抑制高阶共振峰,特别是当太赫兹波正入射时,吸收率大于90%的吸收带宽可达0.722 THz,中心频率为2.041 THz。

通过单片集成的方法,将工作于太赫兹频段(430 GHz)的三倍频器的各个功能电路集成在厚度为12 μm的砷化镓薄膜单片上,设计、制造太赫兹三倍频集成电路单片。单片结构采用一对反向并联连接的肖特基二极管,构成串联平衡式电路,电路不需要外加偏置电压。平衡式电路只产生奇数次谐波,简化了电路分析和优化过程。电路设计采用三维电磁仿真软件与谐波非线性仿真软件联合仿真场路的方法,准确模拟单片电路的射频特性。将单片电路安装在中间剖开的波导腔体内制成三倍频器进行测试,在430 GHz处测得输出功率为215.7 μW,效率为4.3%。

基于光学干涉理论,提出了一种超分辨太赫兹波频谱仪系统。干涉系统采用的是自主研制的宽带氮化镓阵列探测器,用于信号的多点同时探测。所提出的太赫兹波频谱仪具有较高的精度,可实现超分辨。利用阵列探测器得到的二维强度分布,可以测定待测光源的光束质量。利用倍频链发射源产生的470~720 GHz连续太赫兹波对频谱仪进行验证。在75 mm探测距离下,频谱仪的频谱分辨率为100 MHz,测量精度为0.1%,该精度是相同探测距离下分辨极限及精度的20倍。

利用共面波导的S参数建立了一种计算亚太赫兹频率下材料介电常数实部和虚部的模型,并给出了该模型的详细推导过程和应用实例。基于该模型,利用测试得到的共面波导的S参数计算了200 GHz下衬底材料的介电常数,计算值与理论结果相符。建立的模型可广泛应用于各类材料在亚太赫兹频段介电性能的表征。

设计了一种新型的微流控-超材料集成多带太赫兹传感器。模拟了该传感器在探测不同摩尔分数乙醇水溶液时的反射谱。结果表明,随着乙醇摩尔分数的升高,反射谱中四个共振峰的反射率逐渐减小,而峰位逐渐蓝移。分析了传感器共振峰的频率和反射率与乙醇摩尔分数的定量关系,并将其应用于乙醇水溶液的摩尔分数检测中。利用高频处的三个共振峰进行摩尔分数预测,其预测结果误差小于1%。以上结果有助于促进太赫兹时域光谱技术在快速、微量和实时的物质鉴定和生物传感中的应用。

针对有机化合物的太赫兹时域光谱数据,提出了一种基于差分-主成分分析(PCA)-支持向量机(SVM)的有机化合物识别方法。基于物质样本的太赫兹时域信号计算得到太赫兹吸收光谱,对0.2~2.5 THz频率区间内的数据进行特征提取。在特征提取中,提出了基于差分数据的样本容量扩充方法,并结合PCA进行了特征的提取。利用SVM建立了提取的特征与物质类别对应关系的数学模型,并根据建立的模型对未知样本进行了识别研究。利用所提方法对15种有机化合物的太赫兹光谱数据进行了识别,正确识别率为93.33%。将所提方法与线性判别分析法及吸收峰频率-幅值法进行了对比,结果表明基于差分-PCA-SVM的有机化合物识别方法的正确识别率最高。