赫兹理论

赫兹理论（共12篇）

赫兹理论 篇1

绩效管理理论是现代管理理论发展的新成果, 许多年前早已应用于商业领域。300年前, 绩效工资制度在英国学区试行, 但并未取得多大成果。20世纪80年代, 绩效管理理论被引入教育领域, 并逐渐发展起来。

绩效工资制度是绩效管理的重要一环, 它应用于教育领域, 旨在不断激励教师, 促进教师专业发展, 为学生提供更高质量的教学服务。

通过推行绩效工资制度, 进行绩效薪酬管理, 旨在有效运用经济资源将员工薪酬的不同构成部分与他们的实际贡献联系起来, 以吸引、保留和激励人才。

2009年1月1日, 在我国的义务教育学校开始实施教师绩效工资制度, 旨在建立有效的教师激励约束机制。

本文利用赫兹伯格双因素理论, 基于作者对北京市两个城区教师绩效工资实施的调查研究结果, 探讨在教师绩效工资制度的实施过程中, 如何有效提高教师工作的积极性。

一、赫兹伯格的双因素理论

美国的行为科学家弗雷德里克·赫茨伯格的双因素理论[1]告诉我们, 满足员工需要的因素有两种:保健因素和激励因素。保健因素, 即工作环境的因素。它包括:监管、人际关系、工作条件、薪酬、公司政策、行政管理、福利政策以及工作保障。激励因素, 即工作本身的因素。它通过满足人们在工作中实现自我价值的需要来体现作用。

其实, 无论是工作环境的因素, 还是工作本身的因素, 都能满足员工的需要, 但从激励功能上来说, 这两种因素在本质上是不同的。工作环境因素通过避免令人不快的情形满足人们的需求, 而工作本身的因素通过让个人实现抱负和期望达到激励的效果。

值得注意的是, 只有激励因素才能带来企业 (雇主) 期望从劳动力资源中得到的那种工作满意度的提升和工作绩效的改进, 也就是说, 激励因素满足创造力的需求。而保健因素能满足员工的待遇需求。基于此, 赫茨伯格将薪酬划入保健因素的范畴。对员工而言, 保健因素能满足员工的两种预防需求。一是避免因收入不足造成的经济拮据, 二是防止不平衡感的出现。从员工对薪酬的满意程度来看, 可区分为薪酬过低和薪酬待遇不公这两种情况。相对而言, 后者是造成员工对薪酬不满的更重要的原因。

总而言之, 要建设良好的教师队伍激励机制, 就必须更多地研究保健因素和激励因素对教师的意义, 就需要探讨教师绩效工资制度的实施对教师是否真正具有激励作用。

激励教师, 就是希望教师具备积极的工作态度和投入高度的工作热情。绩效工资政策是从薪酬方面来提高对教师的激励, 因此是从保健因素着手。但保健因素仅仅希望满足教师的待遇需求, 也就是预防需求, 不会满足自我实现的需求, 不会带来工作满意度和工作绩效的实质性的改进, 也就是说绩效工资本身并不能起到根本的激励作用。那么绩效工资能不能满足教师待遇需求, 起到保健作用呢?针对此疑问, 本文以北京市两个区绩效工资实施情况的调研为例, 陈述部分主要研究结果。

二、北京市两个区教师绩效工资制度实施中存在的问题

1. 研究简介

经过2009年的预调研之后, 本研究选择北京市两个区, 即X区和Y区, 于2010年4月对其教师绩效工资制度的实施进行正式调研, 旨在了解北京市义务教育学校教师绩效工资制度的实施情况。

之所以选择北京市的两个区, 主要有三个原因。首先, 北京是我国首都, 无论从财政支持、人力支持还是技术支持方面, 北京市教师绩效工资制度的实施情况及效果应该是具有代表性的。其次, 两个不同地理位置的区域, 在财力、人力等方面有所差异, 实施效果在某种程度上可以反映不同城区之间的差别。再次, 基于取样方便原则。

本研究于2010年4月至7月共采访了X区和Y区的小学与初中阶段的校长、教师及教委行政人员82人 (教师68人, 校长10人, 教育行政人员4人) 。其中, X区包括4所小学、6所初中 (城乡各占一半) , 2名教育行政人员、5名校长、2名中层领导、45名教师;Y区包括3所小学、1所初中, 教育行政人员2名、校长5名、中层领导2名、教师19名。

2. 研究结果:教师绩效工资制度实施问题较多

为推行教师绩效工资制度, 北京市政府、区县政府安排20亿元对教师工资进行改革, 预计全市90% (约10万) 的教师工资将得到提高。[2]在访谈中, 了解到, X区自2009年年底至2010年年初已全面推行教师绩效工资制度;Y区自2009年暑期后实施试点改革, 试点后再修改, 并于2010年年底前大范围试行。

经过调查发现, 教师绩效工资制度并未真正满足教师的薪酬期望, 也没有真正起到激励作用, 反而带来了不同教师群体之间的不公平感。具体表现在以下几个方面。

(1) 教师绩效工资制度与教师薪酬期望之间的落差

经研究发现, 在教师绩效工资制度实施之前, 北京市两个区的大部分教师对教师绩效工资制度抱有很大期望, 他们认为这一制度的实施就是涨工资。但在教师绩效工资制度实施后, 从北京市中小学教师的工资待遇来看, 呈现出三个特点。

一是教师工资待遇普遍较低, 教师工资满意度较低。二是教师的福利工资有所提高, 但仅在过节之时;此外, 相对以前而言, 有些教师的工资待遇有所下降。三是绩效工资的增长幅度不同, 主要体现为同校不同岗位不同科目之间、同区不同类型学校之间、城乡学校之间、不同区之间的差异。总之, 教师绩效工资制度的实施未并如预期那样提高教师的待遇, 其激励作用也并不明显, 甚至在某些情况下, 由于期望落空和公平感缺失所带来的心理失衡还造成一些消极影响。由此可见, 教师对提高薪酬待遇的渴望非同一般。

教师直接的表述如下 (摘取) :

——像我们这个状况, 工资就是3 000元出头。有的都不够3 000元。 (张老师, 教龄18年, 现在教初三政治;刘老师, 教龄14年, 现在教初二数学;杨老师, 教龄14年, 现在教初一语文)

X中学3名教师, 2010年6月12日

——去年实行了绩效工资, 但去年12月份的工资, 没有实质性改变, 平均来说和原来一样。给教师发的钱很少, 却很麻烦, 大家平均分。

W初中校5名教师, 2010年6月12日

——实行了绩效工资之后, 工资比原来高了。根据岗位不同, 工资增长幅度也不同。例如, 原来没有班主任费, 现在有400元班主任费。

ZY小学5名教师, 2010年6月12日

——班主任有400元的班主任津贴, 50元属于机动额。这50元就是按教师任务完成的质量来认定的。

GH中学4名教师, 2010年6月11日

——工资相对来说没提高, 和当初差不多。并不是说实施绩效工资, 工资就能提高多少。

SS小学4名教师, 2010年6月11日

——感觉越改工资越低了, 一个月现在才2 300元, 比之前低了两三百。

——农村学校的工资与城里学校教师的工资比起来有一定的差距。

XWJ小学5名教师, 2010年5月4日

(2) 教师绩效工资制度带来的不公平感

经研究发现, 在教师绩效工资制度下, 教师的不公平感主要来自两方面。一是教师工作的隐性投入无法计算, 绩效工资考核方案难以把教师所有的付出充分地体现出来。例如:主科教师与副科教师之间的工作量的差异如何准确核算;教龄是否应该在绩效工资中得以体现;教龄对教育成效的意义是否该得到认可;工资在校际之间、区域之间的差异如何体现。二是在教育部出台的绩效工资文件中, 中层干部没有得到重视, 其努力付出没有得到认可。

从现实角度看, 教师绩效工资制度实施后, 在教师之间、学校之间, 教师的收入差距反而缩小了, 不少学校领导认为教师绩效工资制度反而带来了新一轮的大锅饭现象, 这和政策的导向南辕北辙, 导致新的不公平产生。

被访教师以及校长的直接表述如下:

——教师工作时间不固定, 教师在课外帮助学生补习的时间太长, 工作时间隐性延长, 没有报酬自愿付出讲解, 一个月2 000元左右。

——科研压力大。学校课题、市区课题和个人课题, 有长期的和随时的。教师参与课题, 给教师布置的任务多, 回报少。

L中5名教师, 2010年6月12日

——普遍都不高, 自己和自己比, 相差不大, 就是班主任增加400元, 反正跟上级的初衷不一样。例如, 我工作20年了, 还没刚毕业的挣得多呢, 或者说同刚毕业的相差无几。也可能和学科有关系, 政治历史等是副科。副科和主科相差很大。

CY中学3名教师, 2010年6月12日

——像我吧, 我是中高, 副校级, 我的工资没涨。绩效工资里面没有校级干部和中级干部津贴, 没有一般班主任工资高, 年轻教师工资基数低, 工作量比较大, 出勤比较好, 涨幅比较大。原来有结构工资, 现在调整后就没了。中层干部是一个学校很重要的层面, 他们的积极性也需要调动。

W小学校长, 2010年6月12日

——原来我们学校教师之间差距很大, 现在差距缩小, 就是为了求稳定。校际之间的差距也在缩小, 例如, 优质学校和薄弱学校。像我们学校有住宿部, 平均工资却低于其他学校教师, 就是说我们办得越好, 工资越低……

J校长, 2010年6月12日

(3) 教师绩效工资制度恶化了学校内部的生态环境

经调查发现, 教师绩效工资制度激化了学校的各种矛盾。例如, 教学工作与后勤工作之间, 主科教师和副科教师之间, 领导与群众之间的矛盾, 等等。总之, 压力过大的工作环境和紧张的同事关系, 不仅会削弱教师的工作积极性, 而且会降低教师对本职工作的热情。

(4) 绩效工资激励效果不明显

从以上研究可知, 教师绩效工资制度实施后的薪酬待遇没有达到教师的预期, 没有满足教师的待遇需求, 也没有实现工资分配的公平, 且教师绩效工资制度对学校内部生态环境的负面影响也降低了保健性因素中教师工作环境的质量。

教师激励效果不好的原因有三个。首先, 教育本来就是责任心很强的工作, 需要教师基于对学生和教育事业本身的热爱, 所以相比之下物质等方面的刺激作用会小些。其次, 绩效工资并未在多大程度上提高教师待遇, 也并未达到多数教师的预期, 因此很少有激励影响, 在某些情况下, 由于期望和公平感的原因造成的心理落差还产生了消极影响。再次, 教育是育人的工作, 本身有自己的规律和特点, 教师工作的价值在某些程度上也无法衡量。因此, 很难说绩效工资考核能给教师带来多大的激励作用。被访教师以及校长的声音如下:

——也没有什么影响, 工资涨得少, 还得继续做。不能对不起学生。

SS小学4名教师, 2010年6月11日

——老师们认为他们的工作激情并不是来自于绩效工资带来的物质上的激励, 而是来自于作为教师的责任心。只是绩效工资让生活水平提高了, 让他们可以更好地投入工作。

X区教委人事科科长, 2010年6月13日

——做老师也是一种追求, 虽然从绩效工资上体现不出来, 但是从其他形式可以体现。领导心里有没有教师, 这对教师影响很大。或许教师不一定追求金钱多少, 但是希望得到上面领导的肯定。

G校长, 2010年6月12日

——实施绩效工资后, 不能说没有激情和激励, 但是第一感觉是比较累, 所以, 激励作用就弱化了, 激励性可能被疲惫感打压下去了。另外, 老师的工作量是固定的, 不可能因为绩效考核而增加工作量, 不符合教育规律。这和工厂不一样, 多干点就多拿点钱。

X H九年一贯制学校3名教师, 2010年6月12日

三、启示和建议

1. 建立长期有效的教师激励机制, 使绩效考核更加公平

在教师绩效工资制度下, 如果要满足教师的待遇需求, 那就不仅要提高教师的工资福利待遇 (至少达到当地城市中等以上水平) , 更要努力建立长期有效的教师激励机制, 做到绩效考核更加公平。因此, 不仅要增加教育投入, 而且要提高考核的可信度和公平性。例如, 提供可靠的考核标准和可信的监督考核体系等。

2. 让教师在教育事业中得到自我实现

在教师绩效工资制度下, 如果要提高教师工作的积极性, 那就不仅要满足保健性因素的需求, 还要从学校层面让教师在教育事业当中得到自我实现, 也就是满足激励因素的需求。例如, 选拔热爱教育事业的优秀人才进入教师队伍;又如, 为学校教师提供良好的工作环境, 包括职业成长、心理支撑和充分发挥才能的空间, 良好的人际关系以及人性化的学校文化氛围的创建等, 让教师实现自我价值和社会价值。

3. 提高教师地位, 提倡尊师重教的价值观念

美国第16任总统亚伯拉罕·林肯曾说过, “效用最持久的激励就是逐渐建立自尊并得到他人的尊重。通过出色的表现、进步以及承担责任而获得的报酬是强者的表征。员工需要感觉到自己是一个优秀团队的一部分, 并且该团队之所以能成功, 他功不可没。钱本身是无法给他们这些东西的”。[3]因此, 只有倡导尊师重教的价值观念, 让教师获得全社会的尊重和认可, 从真正意义上提高教师的地位和待遇, 才是对教师最好的褒奖和激励。

参考文献

[1][3]弗雷德里克赫茨伯格, 伯纳德莫斯纳, 巴巴拉斯奈德曼.赫茨伯格的双因素理论[M].北京:中国人民大学出版社, 2009.

[2]代丽丽.北京9成教师工资将提高绩效工资从今年1月起补发[N].北京晚报, 2009.

赫兹理论 篇2

2、语言得意洋洋地把思想定在适合自己发展的范围内，就像河流与山脉限定着国家的疆界。

3、一亩之地，三蛇九鼠。

4、谁写得越多，谁就越能写。

5、小人物在社会中是一种必要的调剂。这类角色是极端令人愉快的，甚至会受人宠爱如果他们满足于自己不得不扮演的角色。

6、地位越高，自我评价就越高，自信心多强，能力就有多强。我们总能表现出与环境的和谐同等。

7、越工作越能工作，越忙碌越能造出闲暇。

8、假如发生的事情都是伟大的，就不会有琐碎的谈话。

9、唯一没有瑕疵的作家是那些从不写作的人。

10、假设产生的事情都是伟大的，就不会有琐碎的谈话。

11、总有人注定要因某个玩笑而受苦。

12、真正的伟人从不自视伟大。

13、偏见从来不轻松，除非它能因理智而终止。

14、我们从目击的人类愚蠢中所能得到的最好教训就是：不要激怒自己去反对它。

15、一个人越是大权在握，就越是无法忍受对他使用这种权力所作的限制。

16、规章与模范会毁灭天才与艺术。

17、真诚必须成为我们的语言和思想之间的的纽带，却不一定成为我们的信仰和行为之间的纽带。

18、有虚荣心的人在不幸中建立功绩，在耻辱中取得胜利。

19、把千百万人的幸福和生命交由我们处置，这是一种特许，是一种挑战，看我们能否毫不留情地挥霍它们。

20、权力感是一种像喜爱享乐一样强烈的精神原则。地位越高，自我评价就越高，自信心多强，能力就有多强。我们总能表现出与环境的和谐平等。

21、追求功名几乎是崇尚优秀的代名词。

22、毫无的缺点的人显然是不存在的，因为他无法在这个世界上找到一个朋友，他似乎属于完全不同的物种。

五十二赫兹 篇3

一个人吃饭，一个人看电影，一个人等末班地铁—城市人反复咀嚼、玩味着自己孤单的身影，但终究是要拿來和别人说的。那些不能与人说的，才是孤独的底色。时髦青年人刻意追求着特立独行，但往往落得大同小异、人云亦云。真正的孤独并非形单影只，而是生来的与众不同。人生而不同，却总是在消弭自我。

海洋生物学家估计，“五十二赫兹”长约四十英尺，重二十吨。如此庞然大物在大洋中也仅是一颗水滴。美国海军的水声监听单位在上个世纪八十年代末偶然记录到了他的声音。此后二十年中，人们在世界各地听到了“五十二赫兹”的特殊嗓音，逐渐勾勒出了他在各大洋中独自遨游的轨迹。最后的记录地点在北太平洋的阿留申群岛和科迪亚克岛。他从未停止歌唱，虽然没有同类。

有人说，鲸鱼会流泪。但是我觉得“五十二赫兹”不会。海水已然太咸，不需要再多一滴泪。人总渴望被倾听和理解，却不愿孤单地直面自己。然而有些事情终究需要每个人独自去完成—读书、思考、恸哭乃至死亡。现今绝大多数的人习惯了前呼后拥，容易忘记其实从来没有什么感同身受。即便坐拥一座城池，人仅仅占据肌肤之内的空间；纵然阅尽万千人事，我总要回到本心的那潭止水。歌可以唱给自己听。

我愿像“五十二赫兹”那样，把心变成海，把海当作肌肤，巡游四方。

俄罗斯诗人莱蒙托夫曾写道：一只船孤独地航行在海上，/它既不寻求幸福，/也不逃避幸福，/它只是向前航行，/底下是沉静碧蓝的大海，/而头顶是金色的太阳。/将要直面的，/与已成过往的，/较之深埋于它内心的皆为微沫。（《一只船》）

据说，有人将去寻找“五十二赫兹”。其实大可不必。子非鱼，安知鱼之不乐？前不见古人，后不见来者。念天地之悠悠，独悠然而远行。

安保利器:太赫兹的技术应用 篇4

太赫兹波具有较强的穿透能力。与可见光、X射线、电子束、中红外、近红外和超声波等广泛应用于医学诊断、材料分析以及工业生产领域中的成像信号源相比, 太赫兹波因其在电磁波谱中所处的特殊位置, 使其对很多介电材料和非极性的液体具有良好的穿透性, 因此太赫兹波的一个很有吸引力的前景就是, 作为X射线成像和超声波成像等技术的补充, 用于生物医学成像、安全检查或者无损探伤。

电磁波谱最后的“处女”地

太赫兹应用面非常广泛, 可以用于生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯、反恐、国家安全等多个重要领域。太赫兹无线通信可以承载更大的信息量, 解决目前信息传输受制于带宽的问题, 是目前所知的满足大数据无线传输速率通信要求的唯一通信手段。

可以说, 太赫兹是电磁波谱最后的“处女”地, 具有独特的优越性及极重要的应用, 是新一代产业的科学技术基础。太赫兹科学综合了电子学与光子学的特色, 是典型的交叉前沿科学领域, 蕴含着原创性重大机理和方法并亟待突破, 具有重大的科学意义。

今年初, 科技部公布了“国家重点基础研究发展计划2014年项目清单”。其中, “新型太赫兹源、接收器和其它关键功能器件及其应用”项目获批。这个项目面向太赫兹安检和无损探测等国家安全和经济发展的重大需求, 在已有创新研究的基础上, 探索“电子和光子与太赫兹波段能量耦合转换效率的提高机理”、“太赫兹波段能量损耗和补偿机理”、“太赫兹器件的微纳制备工艺和性能表征技术”等关键科学和技术问题。

根据这些关键科学问题, 该项目将在以下四个方面开展研究:1、基于电子注激发机制、光泵浦宽带可调谐产生太赫兹技术、半导体量子级联激光产生高功率太赫兹源的研究;2、高灵敏太赫兹接收器的检测、量子噪声机理和新器件的研究;3、高速低损耗调控机理和高性能关键功能器件研究;4、主动式太赫兹高分辨成像系统及其应用基础研究。

这个项目的目标是最终研制出具有自主知识产权的高分辨率、快速主动太赫兹成像系统, 同时提升中国太赫兹基础研究的整体水平, 以引领中国在该领域的研究和发展, 形成高水平的研究队伍和研究基地。

其中, 太赫兹时域光谱技术是国际上近年来发展起来的研究技术。它利用物质对太赫兹频带的不同特征吸收谱, 分析研究物质成分、结构及其相互作用关系。通常有机分子内化学键的振动吸收频率主要在普通红外波段, 但对于分子之间弱的相互作用 (如氢键) 及大分子的骨架振动 (构型弯曲) 、偶极子的旋转和震动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收频率, 则对应于太赫兹红外波段范围。

这些振动所反映的分子结构及相关环境信息, 都在太赫兹波段内不同吸收位置及吸收强度上有明显的响应, 有机分子的这些光谱特征, 使得利用太赫兹时域光谱技术鉴别化合物结构、构型与环境状态成为可能。

太赫兹在工业领域应用用日趋频繁, 尤其是工业企业里的无损伤探伤等领域, 不过太赫兹更广泛的应用还需要加强研发和政府的有力推进。

“防暴恐”作用非凡

太赫兹除了在工业领域应用非常广泛外, 在“防暴恐”具有非常显著的作用。在第九届中国国际国防电子展览会上, 中国首台太赫兹安检仪亮相。这台技术可以媲美欧美的“防暴恐”利器, 由中国电科第38所研制, 打破了国外技术垄断, 填补了中国太赫兹民用领域的空白, 也是航天技术应用于民品的又一典型案例。

那么太赫兹安检可以做到什么?无辐射, 非接触, 1秒钟就可以完成人体安检, 这对于中国乃至世界防暴恐形势愈发严峻的现下, 意义重大。预计到2015年, 国产太赫兹人体安检仪将在中国机场、车站、体育馆等公共场所广泛投用。

据了解, 太赫兹安检仪扫描一下就能完成整个人体安检, 人均约1秒, 是传统安检仪效率的5倍以上。当人体所穿衣物中隐藏有物品时, 该区域辐射出的太赫兹波即被阻拦, 并在“快照”中产生与其他身体部位不一致的阴影, 从而探知隐藏物品的所在位置。

因此, 太赫兹人体安检仪和传统人体安检手段相比具有四大特点:一是更安全, 太赫兹安检仪不同于传统安检仪主动发射探测, 采用被动探测发射, 设备不存在任何的电离或电磁辐射, 对被检测人员绝对安全;二是更可靠, 太赫兹安检仪不仅可以探测到金属物质, 还可以探测到诸如陶瓷刀具、毒品粉末、液态炸药、胶体炸弹等非金属危险物质;三是更文明, 设备检测方式为非接触式检查, 充分保护被检人员个人隐私;四是更高效, 设备每小时可检测通过500人, 是传统人工检测的5倍。

此前, 太赫兹人体安检仪只有欧美等发达国家完全掌握核心技术, 并已处于市场垄断地位。此次研究院技术团队用3年时间, 经过强力技术攻关, 打破了欧美等发达国家的技术垄断。目前, 国际上太赫兹技术还处于研发阶段, 若该仪器通过了市场检验, 其将推动中国安检领域的科技进步, 同时也为中国的“反暴恐”安全工作提供了强有力的保障。

据了解, 太赫兹是一种波长介于红外线与微波之间的电磁波, 具有很强的穿透性, 可以由人体产生并向外辐射。在城市及反恐作战中, 借助太赫兹特有的“穿墙术”, 可以对“墙后”物体进行三维立体成像, 探测隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员和显示沙尘或烟雾中的坦克、火炮等装备。

另外, 太赫兹成像技术在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸药和人体炸弹的检测和识别上, 更是“明察秋毫”。与耗资较高、作用距离较短、无法识别具体爆炸物的X射线扫描仪相比, 太赫兹成像具有独特优势, 目前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无损探伤等安全领域。

太赫兹应用研究PPT演讲稿 篇5

第3页：它的光谱包含着丰富的物理和化学信息，所以对于物质的结构探测具有重要意义，它与传统光源有很多独特的特性。

第4页：位置介于红外与微波之间，波长30um~3mm，频率0.1THz~10THz，光子能量极低,4.1mev(光子能量在KeV级)。

第5页：1.脉冲在皮秒级，空间分辨率高；由于THz 脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在时域光谱系统中的信噪比可达10^5或更高。

2.单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。3.THz 光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。安检或者以后医院的胸透都有非常好的发展潜力。4.许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。极性物质对THz 电磁辐射的吸收比较强，特别是水，THz 光谱技术中应采取各种措施避免水分的影响，不过在THz 成像技术中，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，比如动物组织中脂肪和肌肉的分布，诊断人体烧伤部位的损伤程度，及植物叶片组织的水分含量分布等。

第8页： 1.并且THz的高频率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。同时如果结合THz的物质鉴别特性，能够区分你身上是否携带炸药或毒品。首都师范大学THz实验室已经建立了常见的炸药和毒品的数据谱库，可以设想再过几年，可以真正在机场见到真正的THz安检的设备。2.炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。

第9页：这比当前的超宽带（500MHz-几个GHz）技术快几百至一千多倍。

第10页：1.脉冲太赫兹源产生时间极短，因此具有高的空间分辨率。

2.连续波扫描图像所有时间比脉冲源生成图像的时间要小的多。

可根据其要求进行选择。

3.透射和反射：比如用于安检的透射，用于反射的穿墙雷达成像，前者清晰度会好点，不过都有自己重要的地位。

第12页：1.经过傅里叶变换后，我们得到频域的信息，它包括： 1)某一频率的振幅变化信息；2)某一频率的位相变化信息；3)某一频率范围的强度积分信息等。

2.成像信息。太赫兹脉冲从折射率不连续的物体反射回来，时间延迟必然与物体的折射率有关。为了提高深度分辨率，他们利用了位相转换的干涉仪装置，这可以去除背景噪声，从而可以大大提高信噪比，提高深度分辨率。

第13页：基于电光太赫兹时域光谱技术。太赫兹时域波形通过800nm的脉冲激光激发光导体转换到太赫兹的范围内得到，再利用数字电路进行实时的数字信号处理。对比两图因为水对THz波吸收很强，图像很黑。

第14页：1.进行一些设计思路的改进研究，实验的一些验证。新用途的探索那些。问老代我们设备哪些问题。

五十二赫兹的鲸 篇6

老旧的收音机播放着上世纪30年代的西洋音乐，木质的书桌椅上凌乱地放着各种各样的纸与书本，白瑾从一堆通知单里抽出一张转学通知单。柔和的紫色灯光映着她苍白的容颜，就如同这频繁收到的转学通知书的底色一样。

“明天就去了，你准备一下。”母亲轻轻叩了一下门，白瑾点点头。谁让她天生是个残疾人呢，无法说话，遇到蛮横的同学二话不说、耐心全无的暴力时，最终都以未成人保护法里的某一条告终。

母亲很想让她融入正常人的生活，可是白瑾的童年是在到处转学没有伙伴的孤独中度过的，她曾经幻想过一万次能和正常人交流的场景。可是，他们大概不是把自己当哑巴，而是当作了聋哑人。

翌日的阳光透过高大的樟树，稀稀疏疏地筛在大理石地面。

我是白瑾。白瑾站在讲台上用手比画着。台下的同学们并不在意，无精打采地看着，老师让白瑾坐到了教室后面一个女孩旁边的空位子。

女孩长相甜美，看见白瑾后笑了笑低下头写了些什么，白瑾看了看她递来的便条：我是清菡，白瑾，很好听的名字啊。淡紫色的便条纸上，印着一只手绘的鲸鱼。

你喜欢鲸鱼？白瑾比画道。

是的，就和我们一样，我想鲸鱼大概是不会说话的人，从陆地逃离到海洋，独自承受着悲伤。白瑾反复地久久地看着手中三张密密麻麻写满字的纸条。

鲸鱼

一个星期很快过去了，似乎也只有这样的环境，独自承受的孤独才会停止。清菡提出周末一起去书店，二人放学在十字路口分手，那时漫天云霞，宛若一份子夜的嘱托。

你会不会说话？白瑾看着清菡递过来的纸条比画道。窗外投下一片阴影，少女逆光而坐，低头写着什么，特别认真。良久，纸片递过来了。

白瑾略带愤怒的神情让清菡顿时愣住：回答我的问题！你到底，会不会，说话！要么用手语，要么说话。

清菡微笑着低下头，下颚线条流畅，书店外驶过电车，光影交错着。

周末有些不愉快地结束了。

晚上，白瑾一如既往地登陆“Bilibili在音乐区”找着新歌，无意中瞥见了热门里一个陌生up主——水芙蓉。白瑾点开视频边听边浏览这位新人的首页，只有一首歌，头像是一朵未开的荷花。

水芙蓉的声音甜美而温柔，配合着治愈系的歌曲《化身孤岛的鲸》再好不过了。

可能你是一座孤岛，而我是一只52赫兹的鲸；你无法道出半点言语，我无法与同伴交流……

白瑾听着最后水芙蓉原创的念白，蓦然想起——水芙蓉就是荷花，而古人称未开荷花为菡萏。白瑾想了想，缓存了视频。

“正常鲸的频率只有15到25赫兹，我是一只52赫兹的鲸鱼，注定孤独。我就像个哑巴，他们听不见我，只有你，可以听到我，想必你的沉默大概是最后的温柔了。 ”

歌曲结束了，白瑾久久未能平定。之后的时间里，白瑾问起这首歌，清菡都是赞许后闭口不谈。

秋去春来，光线也慢慢地朝着北纬23.5度走来，这天的后一天正好是夏至日。

我明天过生日，你能来吗？虽然就我们两个人。白瑾比画着。清菡点了点头，表示会有礼物送给白瑾。

“回来了？厨房有饭菜，你自己热一下吃吧。”清菡回到家，看到正在换鞋子的母亲，“对了……你期末考结束了吧？”清菡淡淡地点了头，默默走回房间打开电脑，戴上了耳麦。

一字不差，音准良好，很快地录好了一首歌，手速惊人地很快修去杂音，制作PV。

接着登陆了Bilibili，满意地输上一行字。

“六月二十二日，生日快乐，给永远的朋友白瑾。”

底下很快有了评论，看着温馨的生日祝福弹幕的清菡笑出了声。

次日白瑾收到了一个U盘，上面粘着一张纸。娟秀的小楷，正揭示着一个惊天的秘密。

“对不起，孤岛。不知道这只52赫兹的鲸，她的声音你听到了吗……”

星眸

突然睁开的黑眸，宛若曜石，毫不犹豫地将一点点光线吸进去。她从未见清菡如此愤怒过。

你在做什么？清菡写下这六个字的力道足够穿透三四张便条纸。

既然你会说话，这里就不是你该待的地方。白瑾每一笔画都细细地比出，生怕清菡没看清。这是她遇见清菡后第一次看她哭，微红的眼眶和蹙着的眉头，与那清泪一样让人心疼。

52赫兹的鲸，你该回大海了。白瑾的手慢慢地垂下。教导主任拿着U盘和一张通知单，一并交给了清菡。

那天之后白瑾再也没有看见清菡，也没有看到水芙蓉更新。只看到一个PV，标题上写着“退圈之作”。

“要谁相伴，才能学会坦率？要到何时，不安才会消失？”念白最后微扬的尾音让白瑾瞬间感到了寂寞的海潮包裹着自己。

窗外的风景再美丽也显得无趣，最后在冷漠中消失。被聋哑学校退学，她回到了原来的鲸私立中学。

“呀呀，哑女回来了？”再多的嘲讽，清菡也只能独自承受。拼命忍住泪水，只能更悲伤。还是孤独，孤独到无可救药，镜子里的自己，变得那般苍白无力。事到如今，她也不想再骗自己。

“出去走走。”母亲倚靠在门上。清菡取下书签，一言不发，只是在扫视文字。

“说话。”语气带着怒气。清菡当作没有听见一样。

“你为什么不说话？”母亲声调越扬越高，顿了顿，声调又沉了下来，“去医院。”清菡听到后一怔，把书放下，默默跟着母亲出去了。

红十字，白大褂，消毒水。

坐落在城市角落的医院安静地呼吸着，悠长的走廊并没有开灯，只有尽头的一点白日的光源。医生看了看检查结果，无奈地摇头。

清菡的眸中，只剩下沉郁。

光影

四处求医问药，都以失败告终。似乎就连说话的滋味也遗忘了，深深地埋藏在最心底。

白瑾一遍遍播放着水芙蓉的歌曲：“要谁相伴，才能学会坦率？要到何时，不安才会消失？”那，要去哪里，才能遇到你？

清菡还是不愿意开口说话，之后的两年初中生涯也在不安中度过。

她没有想到的，是会在高中重逢。

阳光洒下，浓稠的如同墨汁般的树影随着风舞。层层叠叠的树叶交织着，清风随着上下翻腾的枝叶形成若有若无的瑰丽绿雾。

白瑾垂下眼睫，轻轻地拥抱着清菡。

我无法与人交流，但是“对不起”还是能说出的。

白瑾双手比画着，拿出手机调出合成的音频，清楚的女声，清楚的三个字：对不起。

清菡的泪水悄然地落下：“对不起什么呀……多见外。”听到熟悉的声线，二人会心一笑。这一次，白瑾依然一笔一画地比出来——

52赫兹的鲸，孤岛需要你，孤岛也知道她讨厌一个人，她没有办法自己一个人那般坚强。

“其实那一天我真的生气了，还没听到对我的评价呢！”清菡不满地说道。白瑾垂眸一笑。二人并肩走在路上，拉长的影子宛若一个迷离的梦，将16岁拉成60岁。

孤岛从未见过太多生灵，只她便好。

五十二赫兹的鲸安静地偎着孤岛。

鲸讲着远方的故事，孤岛唱着古老的歌谣，捧一手墨香的青春。或许有些事情，千言万语抵不过不言而喻。

（指导老师：朱 光）

堆积、重叠 、毁坏 、追踩

“52赫兹”发出的声音仅略高于大号的最低音。然而，这种声音并不能为世界上其他鲸鱼所识别及共享。这导致独自遨游在世界上最宽广海洋的“52赫兹”年复一年地寻找伴侣，却从未如愿。

站在作者“50赫兹的鲸”的高处，就那么静静地观察着微弱的52赫兹唱着寂寞的生命之歌，我束手无策，只能为它呐喊：“你没有感受到我52赫兹发出的爱的信号，是因为你关闭了双耳，禁止孤单涉足吗？这样的等待还需要坚持多久？等待？还是等待？”堆积、重叠、毁坏、追踩，这样的生命碰撞，让人撕心裂肺。即使是很慌张的拥抱，只要一秒，52赫兹的鲸就不至于崩溃成一座孤岛。（子青）

太赫兹量子级联激光器 篇7

太赫兹(terahertz,THz)技术是最近二十年来迅速发展的一个新兴研究领域[1,2,3]。太赫兹科学技术综合了电子学与光子学的特色,涉及物理学、化学、光学、材料科学、微波与毫米波电子学等等,是一个典型的前沿交叉学科。太赫兹波在电磁波谱中占有一个特殊的位置,其频率范围大致为0.1~10THz,对应的波长范围在30-3000mm,介于微波波段与红外线之间,属于亚毫米波和远红外线范围。在长波长方向它与毫米波有重叠;在短波长方向,它与红外线有重叠。由于受到THz频段器件特征尺寸等的限制,使得半导体器件及真空电子器件难以工作在THz频段,缺乏有效的辐射源和探测器,所以相当长时间内很少有人问津这一波段,形成了太赫兹空白区。太赫兹波具有一系列特殊的性质,在频域上,太赫兹处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,处于电子学向光子学的过渡区。它的量子能量很低,信噪比很高,频率极宽。太赫兹技术的应用非常广泛:如安检和反恐、材料特性研究、成像技术、药物研究、考古方面的应用、太赫兹通信等等。

太赫兹辐射源是太赫兹技术应用的关键器件。直到现在,由于缺乏室温下工作的便携式高功率辐射源,使太赫兹技术的发展受到很大的限制。这也促使人们更多地进行这方面的研究,当前研究进展非常迅速。太赫兹辐射源的研究重点集中在研究辐射机理和寻找合适的技术路线。有几种不同的机制能产生太赫兹的辐射,其中包括在光电导天线中光生载流子的加速、光电晶体中的二阶非线性效应等。但是,这些方法的转换效率都很低,辐射功率多在m W量级。自由电子激光是实现高功率太赫兹辐射源很好的途径,但是其装置体积大、造价高。真空电子器件是比较活跃的研究领域,可能成为另一种高功率太赫兹源,其辐射功率可能达到k W量级。基于半导体器件的THz辐射源有体积小、易集成等优点。太赫兹量子级联激光器是目前的发展重点之一。

1 太赫兹量子级联激光器

半导体激光器与其它的激光器相比有十分突出的优点,它具有体积小、重量轻、转换效率高、节电等优点。此外,半导体激光器的制造工艺与半导体器件和集成电路的生产工艺相兼容,便于与其它光电子器件集成,并可以大批量地生产,便于降低生产成本。半导体激光器自从1962年问世以来,发展迅速,激光器的有源区发展经历了同质结、单异质结、双异质结、量子阱和应变量子阱、量子线以及量子点等过程。激光器的极性由双极性发展到单极性量子级联激光器。

量子级联激光器利用电子在导带子能级间跃迁发光,垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态,激射波长由分离电子态之间的能量间隔决定。激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成而实现单电子注入的多光子输出。量子级联激光器的工作波长由耦合量子阱子带间距决定,从而可实现对波长的大范围剪裁。自从1994年贝尔实验室研制出第一个Ga In As/Al In As量子级联激光器开始[4],科研工作者就不断努力扩展激光器激射波长的范围。世界上第一个太赫兹量子级联激光器于2002年由意大利Kohler小组研究成功[5],激射光频率为4.4THz。这一重要研究成果立即引起了世界科学家广泛的兴趣,此后又有几个小组相继研究成功太赫兹量子级联激光器[6,7]。现在量子级联激光器已经覆盖从几微米到100多微米的波长范围[8,9]。

要将量子级联激光器的激射波长扩展到太赫兹频段面临着许多与中红外波段不同的问题,在中红外波段采用的波导设计方案在太赫兹频段不再适用。因为波长越长,光场限制更加困难,而且自由载流子吸收也更强。对波导层的设计就不能采用传统的递变低折射率结构,因为这样需要的波导层的厚度超过了实际上利用分子束外延技术可以生长的厚度。于是,一种利用金属作为长波长激光器的波导层的技术应运而生。金属可以认为是具有正电荷的背景和相同电荷大小、符号相反的负电荷云组成。电子就像气体一样,它的密度会随着外加激射条件,热振荡等因素的变化而变化。在非平衡状态下,一个电子会因为电荷的吸引和排斥而运动,这个过程会继续而产生电子气的振荡,成为等离子体振荡。等离子激元是等离子体振荡的量子化,金属和半导体的界面就支持这种电荷密度振荡。金属和半导体的介电常数符号相反,等离子体激元模式以电磁场的形式从界面向两种材料衰减传播,在金属材料里电磁场衰减系数较大。采用金属作为波导层,不但能够减少波导层厚度,而且有很高的光学限制因子,只是吸收系数比较大。在制造太赫兹量子级连激光器时可以采用高掺杂半导体波导层与金属波导相结合,也可以采用双面金属波导。虽然双面金属波导可能会带来更大的自由载流子吸收,但它可以很大程度上提高光场的限制因子,从而可以有效地降低阈值电流密度。

实现粒子数反转是激光器获得增益的必要条件,太赫兹量子级联激光器发出的光子的能量低于极化光学声子能量,电子与极化光学声子的散射被抑制,所以实现粒子数反转更加困难。为了实现粒子数反转,不同的有源区结构已经被设计出来,其中包括共振声子结构,啁啾超晶格结构以及束缚态向连续态跃迁结构等。所谓共振声子结构,是指激光器有源区的低激射能级下面有一个比它的能量低一个极化光学声子能量的能级,用来最大速度地抽取低激射能级的电子,从而实现粒子数反转。世界上第一个太赫兹量子级联激光器采用的就是三阱共振声子结构。在超晶格结构中由于周期性的量子阱结构,许多能量接近的电子能级共同构成一个微带,而在不同微带之间形成能隙。啁啾超晶格结构就是利用这些微带来提高电子从有源区抽取的效率的。由于超晶格微带是由许多能量非常接近的能级组成,所以当两个微带对齐的时候,电子可以非常快地被抽取到注入区,从而消除了共振声子结构中的瓶颈效应。与此同时,微带注入使得电子有效注入到高激射能级的效率降低,有很大一部分电子被注入到微带中的其它能级,而不能实现受激辐射。因此,在啁啾超晶格结构中,可以很好地提高电子的抽取效率,但同时又带来了注入效率低的问题。在束缚态向连续态跃迁结构中同时利用共振声子结构中高效的电子注入和啁啾超晶格结构中高效的电子抽取效率,从而能最大限度地提高粒子数反转的程度。电子从微带注入到一个孤立的束缚态能级上,然后通过向子带跃迁辐射出光子。这些设计方案都是借鉴自中红外激光器的设计经验。目前,基于共振声子散射的激光器具有较好的温度特性,而从束缚态向连续态的跃迁的设计具有最小的阈值电流,下一步是如何把两者的优点集中到一起,进一步提高量子级联激光器的性能。

2 太赫兹量子级联激光器的应用

基于半导体的太赫兹量子级联激光器具有体积小、易集成、可以批量生产等优点,有望成为理想的太赫兹辐射源。随着太赫兹量子级联激光器性能的进一步提高,将使其具有广泛的应用。例如,可以利用太赫兹量子级联激光器做成像设备,与微波相比,由于太赫兹波的波长短,所以具有更高的能量,穿透能力更强,成像也更清晰[10,11];再如,与目前机场的常规安检设备相比,采用太赫兹安检技术的最大优点在于安全性好,因为太赫兹能量小,辐射量极小,其对人体的辐射能量比X光小100万倍,因此不会对人体造成脱发等辐射性伤害;另外,可以利用太赫兹量子级联激光器制作频谱仪,用来探测和分辨极化分子;太赫兹量子级联激光器将来还可以应用于太赫兹通信,由于太赫兹波段的频带宽,是微波的1000倍,因此太赫兹通信有很广阔的应用前景,正像半导体激光器在光纤通信中起到的重要作用一样,太赫兹量子级联激光器也将在太赫兹通信得到广泛的应用;此外还可以利用太赫兹量子级联激光器进行材料特性方面的研究,在医疗、生物、考古等方面的应用价值也很大。

3 结论

太赫兹量子级联激光器是一种重要的相干太赫兹辐射源,自从2002年第一个太赫兹量子级联激光器问世以来,其工作温度、输出功率等性能已经得到了非常大的改进和提高。并且已经很快被应用于太赫兹成像等领域。基于半导体的太赫兹量子级联激光器具有体积小、易集成、可以批量生产等优点,有望成为理想的太赫兹辐射源。可以预期,随着太赫兹量子级联激光器的性能进一步提高,它将有更广阔的应用前景,在越来越多的领域发挥更重要的作用。

参考文献

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硅太赫兹波导配置及性能分析 篇8

太赫兹载波的性能直接决定了太赫兹无线通信系统的信噪比、动态范围及推广前景。但目前的太赫兹载波源在输出频率可调性及稳定度、输出功率的可调节范围等方面存在局限性。

近期的几项研究成果使采用硅波导产生连续可调的THz波成为可能,为解决上述问题提供了突破口。首先,实现了在小型高对比折射率的脊形波导中以较低损耗引导光学模式[1]。其次,实验获得标准非线性度r33接近500 pm/V的非线性聚合物[2]。这些非线性聚合物具有超高速特性,可用于光电调制。若选择合适的硅太赫兹波导设计方案,再结合现有的大功率激光技术,可以产生连续的太赫兹波辐射。设计高性能的硅太赫兹波导,获得满足需求的辐射源是本研究的主要任务。

1 硅波导配置算法

非线性介质的Maxwell方程为

式中:i、j和k分别表示x、y和z方向的向量。波导用z方向连续传播的介电函数表示。如介电常数在某些位置为无穷大,则其导模为

实际实现时可忽略损耗的影响,因此,波导中的传播波可表示为

式中:z与模式常数有关,对于线性物质而言,c与z无关。将式(2)带入式(1)得

式中:cc为前述表达式的复共轭项。式(4)展开可得到系列的不同谐波分量的方程。

假设1和2为不同频率的两光束,可通过差频的方式产生THz波。设3为此差频,可得

式中:E1和E2等表示每种模式对应的电场或磁场模式。当频率为3时,非线性扰动会激发产生额外模式,因此式(5)并不完全正确。而由

如果给定频率的具有不同传播常数的两种模式正交,则其任意子空间也正交[3,4,5]。因此,假定式(5)中的模式集没有衰减,则可将整个表达式集成在x、y平面求解。将所有模式场归一化,则对各模式而言,式(6)的值为1,式(4)的时间平均功率为1 W。假设,得到的时间平均功率等于对应的ci(z)的模的平方。结合式(5)可得

当传播常数差为零(1-2-3(28)0)时,式(7)可以化简。假设式(7)中的非线性分量来自于水平方向上的非线性矩,忽略其损耗,将其设为x,加上模式3的损耗得:

式中:品质因数的单位为Vs/m2,定义为

假设两输入光束的功率只有小部分被转化为THz辐射,则其损耗可忽略不计。考虑模式1和模式2的非线性转化,可得模式3的最终功率为

式(7)中的相位匹配条件可表示为

由式(11)得:将复合波导的有效折射率合理搭配,可以在连续非段式波导中取得理想的相位匹配。

光电聚合物的性能主要由系数r33决定[6,7,8],定义为

式(12)说明,沿z轴方向的折射率偏移是r33和驱动电场的函数。偏移系数2为

研究表明:聚合物的光学整流是一种超高速现象,光学频率时2无衰减。非线性聚合物的折射率通常在1.7左右,因此,当调谐系数为500 pm/V时,2为210-9 m/V。

首先估算波导配置结果的数量级,采用图1所示波导,各模式间满足相位匹配条件(式(11))。对模式进行归一化处理(式(6)中的力矩为1 W),则平均电场强度约为

式中:P为归一化时域功率(设为1 W),n为该模式有效折射率。式(9)可变换为

式中:A1、A2和A3为相关模式的覆盖区域,n1、n2和n3为其有效折射率。Ac为所有模式和2重叠的范围。对于给定的波导几何结构,通过式(15)很容易估算出其转换效率。假设A1=A2=10-13 m2,A3=8.410-11 m2,Ac=110-13 m2,有效折射率均取2,通过式(15)计算可得,为8.810-4 Vs/m2。

2 硅THz波导配置设计

硅THz波导配置的基本要求为

1)可引导光辐射和太赫兹波辐射,损耗小,模式紧密;

2)采用非线性物质优化模式重叠区以生成有效差频;

3)波导要满足THz和NIR(near-IR)信号间相位匹配条件,且要求带宽要宽。

硅波导的设计思路与铜双绞线类似,不同之处在于传输线内部填充硅材料[9,10]。其目的在于提高THz模式的有效折射率并保证满足相位匹配条件。硅THz波导采用置于金属波导中的用于引导NIR光的硅芯控制THz波辐射,金属波导由铜材料制作,其几何结构如图1所示。整个结构由一个微机械硅柱支撑,两束激光经二阶非线性光学材料铌酸锂后产生差频,通过优化其变化维度以取得相位匹配。为得到较宽的频率范围,提出如表1所示的I和II两种THz波导设计方案,表中的A~F为图1中标注的对应尺寸(宽度G可调,实际选取见表2)。

不同硅波导宽度的有效折射率如图2所示。其模式采用Hermetian本征解析器进行解析。此波导可实现有效折射率在2.8~3.2范围内的THz模式的相位匹配。假设,当两束激光的连续波功率为0.5 W,2的值为500 pm/V,光波导的损耗为6 d B/cm时,硅THz波导参数设置及输出性能见表2,表中的光波导宽度(Optical waveguide width)对应图1中的宽度G。

由微扰理论知:金属波导相互作用产生的光学模式损耗可限制在3 d B/cm范围内。上述光学波导的损耗约为3.5 d B/cm,且其改进后的性能还可大幅提高。实际应用中,非线性交互区域的典型长度一般小于2.5 mm[11,12],因此,该波导不用采取限制措施即可满足损耗的要求。

3 硅THz波导性能分析

硅THz波导的模式解析是通过将双绞线传输线路模型应用于全三维仿真,沿着波导的各个点观察其场类型,在Yee网络中采用稳态分析,可得其离散度为0.1m,运行长度为120m。假定金属为理想金属,模式的损耗和有效折射率可通过相关表达式求得。采用非理想化金属产生的波导损耗可通过微扰理论计算求得。

不同极值频率下THz波导的模式图如图3。四个轮廓图都是在电场|E|增加5%,传输功率等于1 W的情况下获得。其中图3(a)和图3(b)分别为频率工作在0.1 THz和0.6 THz时I型的太赫兹波导模式图。图3(c)和图3(d)分别为频率工作在6 THz和14 THz时II型的太赫兹波导模式图。

图3显示THz模式在高频段向硅较大区域迁移,此效应使产生的场远离光波导,并使功率降低,表面太赫兹模式的波导损耗与频率具有高相关性。由于相关模式重叠非常小,所以支撑光波导的氧化柱对THz模式损耗影响较小。

通过100m或更高波导的三维仿真可得:该配置产生的衬底漏电可忽略不计。通过其他更精确测试可检测到小于0.1 d B的损耗,其值最高达10 d B/cm,该值远小于使用其它源带来的损耗。

太赫兹模式的有效折射率、波导损耗、连续波输出功率与输出频率的关系如图4所示(图中的1~7标号对应于表2中的设备号)。由图4和表2知在特定芯片上的阵列中改变波导宽度可实现频率覆盖最大化。在0.1 THz到15 THz的频率范围内可得到微瓦级的输出功率。

4 结论

本文从对硅波导配置理论分析入手,建立了硅波导配置的数学模型,利用硅材料的特性,设计了硅波导的几何结构,并对硅波导的辐射模式进行分析,讨论了太赫兹模式的有效折射率、波导损耗、连续波输出功率与输出频率的关系。分析结果显示硅THz波导可实现通过对特定芯片上的阵列改变波导宽度达到频率覆盖最大化,可在0.1 THz到15 THz的频率范围内可得到微瓦级的输出功率。与当前国内外同类技术相比,该方法通过调节波导的几何尺寸,可以很方便地实现0.1~15 THz的频率调节,同一设备的频率覆盖范围大大增强,同时输出功率比传统的光电导和光整流方法提高了15%,为太赫兹技术的工程化提供了保障。

参考文献

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赫兹理论 篇9

光导天线是一种能量转换效率较高的太赫兹源产生技术,可直接将静电场储能转换为太赫兹波。相比其他技术,如光参量、光整流、电子倍频等,基于光电导机制的太赫兹源具有性能稳定、结构简单、辐射频谱范围宽等优良性能[1,2],在太赫兹成像、无损探伤等系统已有大量应用。但是,由于半导体材料的非线性饱和效应[3]、高压击穿限制[4]、空间电荷屏蔽[5]以及辐射场屏蔽[6]等因素的制约,单个光导天线辐射出的太赫兹波功率十分有限,典型输出功率在n W或u W量级[9],远不能满足太赫兹技术快速发展的需要。

提升太赫兹源的输出功率,功率空间合成是一种行之有效的技术。在诸多功率空间合成技术中,天线阵列技术的合成效率相对较高,且容易实现,在微波与毫米波功率合成领域已有广泛应用。有不少研究表明,如果在单个光导天线的研究基础上,进一步采用天线阵列技术,光导太赫兹源的辐射功率将有显著提升[10,11,12]。而且,光导天线阵列还能避免由空间电场屏蔽引起的非线性辐射饱和[11,12]。近年来,Yoneda[10]、Awad[11]、Liu[13]等人分别选用金刚石、LT-Ga As、SI-Ga As等作为衬底材料,对光导天线阵列的辐射特性进行了实验研究。这些实验均证实: 光导天线阵列的输出功率较单个光导天线有明显提升,并且可显著减小空间电荷屏蔽带来的不利影响。但是,根据已有报道的实验结果来看,光导天线阵列的实测合成功率偏离理论值较大。依照传统的天线阵列理论,光导天线阵列在合成条件下,其辐射功率应平方于阵元数目,阵元数目越多,合成功率越大。但是,在Michael[14]的实验中,一个两元的光导天线阵列总辐射功率仅为单个光导天线的1. 5倍; 而Awad[11]所设计的14元光导天线阵列总辐射功率也仅比单个光导天线增加30% ,远小于功率合成的理论预期值。Toshiaki[15]的实验也表明,对于大孔径的光导天线阵列,其总辐射功率也没有依照平方率递增,而是远小于平方关系。这些实验结果表明,并不能简单地套用传统的天线阵列理论,对光导天线阵列的功率空间合成规律进行研究和分析。

为探究其具体原因,本文设计了一款“U”字型光导天线,并对其阵列的功率合成特性进行了研究和分析。其中,重点研究了阵元个数、阵元间距、空间延迟等关键物理参量对合成功率的影响,初步总结出了导致功率合成效率不高的几个重要原因。研究发现: 对于轴向线性排列的光导天线阵列,其主要原因源自: 偶极子的方向性辐射、电磁能量的空间耗散和阵元间的非同步光激励。

1 光导天线阵列模型

1. 1 单元结构

为简化直流电极的设计,本文设计了一款“U”字型光导天线,如图1所示。该天线由三个部分组成: 偶极子天线( “U”字的底部) 、直流电极( “U”字两侧的平行线段) 和低温砷化镓( LT-GaAs) 衬底。

其中,偶极子天线与直流电极相连,形成“U”字型结构,一起被印制在LT-Ga As衬底上,衬底厚度为t; 直流电极长为u、宽为v; 偶极子臂长为l、宽为b; “U”字底部缝隙长为g、宽为b。与典型的“H”型光导天线相比,“U”字型光导天线的直流电极尺寸减小近一半,非常有利于设计出结构紧凑的光导天线阵列。

“U”字型底部的“方形缝隙”为飞秒激光照射部位。在没有激光照射时,缝隙处的衬底材料处于绝缘状态,由直流电源对两平行电极进行充电储能;当有激光照射时,如果入射光的光子能量大于光导材料的禁带宽度,则会在缝隙处的衬底材料内激发出光生载流子。这些载流子在直流电压作用下,做加速运动形成光电流,并通过“U”字型底部的偶极子天线,将电极间存储的静电场储能以电磁脉冲的形式释放出来。由于光电流持续时间很短,因此,采用光导机制,可产生出频谱极宽的太赫兹波。

在飞秒激光的均匀照射下,结合电涌模型[16]和瞬态辐射理论[17],可推导得到由光导天线产生的太赫兹波在远场区的场强Erad( r,t) 为

上式中,A为激光照射有效面积,r为场观测点到偶极子天线中心位置间的距离矢量,ε0为自由空间的介电常数,c为真空光速,θ为观测点与偶极子中心轴线之间的夹角,Φ为方位角,Fdipole( θ,Φ) 为偶极子天线单元方向图,Js( t) 为光导衬底材料产生的光电流密度。

假定由直流电源在光照缝隙处构建的偏置电场Ebias恒定,根据文献[16],Js( t) 可简化计算如下

其中,Z0为自由空间波阻抗,εr为光导材料的相对介电常数,σ( t) 为光导衬底材料在飞秒激光照射下的等效表面电导率。一般情况下,认为热平衡下本征载流子浓度远小于光生非平衡载流子浓度。在此种假设下,半导体衬底材料受光激发后,其等效表面电导率σ( t) 可采用文献[16]所给公式进行计算,即

上式中,e为单个电子携带的电量,μ为电子迁移率,ћω为单光子能量,R为衬底表面光反射率,Iopt( t) 为入射光功率密度,τc为光生非平衡载流子寿命。联立( 1) 、( 2) 、( 3) 式,可以看出,光照功率、光导天线孔径( 光照缝隙) 、偏置电场、光子频率、半导体材料特性以及光导天线的辐射特性都会对太赫兹辐射场强Erad( r,t) 产生重要影响。

本文中,所设计的“U”字型光导天线的结构参数为: 直流电极长u = 1000μm、宽v = 10μm; 偶极子臂长l = 50μm、宽b = 10μm; 偶极子缝隙宽g = 5μm、长b = 10μm; 衬底厚t = 250μm。

1. 2 阵列结构

为研究光导阵列的功率合成规律,我们基于“U”字型光导天线,构建了一个5元光导天线阵列,如图2所示。LT-GaAs衬底宽为W、长为L,阵元间距为d,功率合成观测点距衬底表面垂直距离为h。研究发现: 当直流电极长度u大于太赫兹波波长两倍后,直流电极对光导天线的电磁辐射特性影响很小,这一结果与文献[16]报道的实验结果基本一致。

若不考虑直流电极,可将图2中的光导天线阵列看成一个偶极子阵,电场极化方向平行于LT-GaAs衬底宽边。此光导天线阵列是一个典型的轴向线性排列的偶极子阵列,除直流电极不同外,其主体辐射结构与文献[11]、[12]以及[14]所研究的光导天线阵列基本相同。因此,结合本文中的光导天线阵列,可同时对已有文献报道的实验结果进行分析。

为方便研究功率空间合成规律,本文在数值仿真时,将飞秒激光源设置成独立控制源; 并且,飞秒激光触发时延和光照强度可独立精确控制。飞秒激光脉冲的半峰值脉冲宽为400 fs,峰值光功率密度为350 mW/cm2。受光触发激励后,半导体材料的时变电导率σ( t) 采用文献[3]提供的非平衡载流子模型和( 3) 式进行计算。功率合成观测点设置于第3号光导天线正上方,距离LT-GaAs衬底表面距离为h = 1 000μm。采用图2中的光导天线阵列,分别研究了阵元数目、阵元间距以及空间传播延迟等因素对太赫兹合成峰值电场或峰值功率的影响。

2 太赫兹波功率合成仿真结果及分析

2. 1 阵元数目影响

首先,对光导天线阵元在单独激励下的太赫兹波辐射特性进行了分析,图3为数值仿真得到的波形,所采用的电磁仿真软件为CST Microwave Studio。我们发现,在相同的光激励和直流偏置条件下,3号阵元辐射出的太赫兹脉冲最先到达观测点,并且电场峰值幅度Epeak最大; 2号和4号阵元的辐射脉冲延迟一段时间到达,Epeak有所减弱; 而1号和5号阵元辐射太赫兹脉冲则是最后到达、Epeak也最小。此外,各个单元辐射脉冲的脉宽也有微小差别,3号脉冲脉宽最大,两边单元辐射脉冲脉宽则逐渐递减,最边缘的1、5号阵元与中间3号阵元的脉冲宽度相差约0. 1 ps左右。在后面的分析中,我们发现光导天线阵元这些辐射特性,对整个阵列总辐射功率有很大影响。

图4为采用不同阵元数在固定间距d = 200μm下得到的太赫兹合成脉冲波形。从图中可明显看出,随着阵元数的增加,太赫兹脉冲合成波的峰值电场强度Epeak在不断增强。表1计算出了合成波在不同单元数及不同间距下的归一化电场峰值强度Epeak。从表1中可以看出,当阵元间距固定在d =200μm下,与阵元数近似成线性递增关系,比较符合传统的天线阵列理论预期值。但是,进一步分析表1数据,我们发现这一结论仅在小间距排列下( d< 200μm) 、阵元数不多的情况下成立。如进一步增加阵元数或者扩大单元间距d,Epeak并没有按照传统阵列天线理论那样,与阵元数成线性递增关系,而是偏离线性关系( 功率则为偏离平方关系) 。

对于上述结构,当阵元数增加到10个以上( d= 200μm) ,Epeak几乎不再增加。如果阵元间距d =500μm,阵元数增加至7个以上,Epeak增加微乎其微。由此可见,对于轴向排列的偶极子性光导天线阵列,通过简单地增加阵元数或扩大天线口径的方法,并不能获得预期的功率合成效果,具体原因将在分析阵元间距影响时一并给出。

2. 2 阵元间距影响

通过研究发现,阵元间距d对光导阵列的功率合成特性有显著影响。表1对比了不同阵元间距下合成脉冲的归一化峰值电场强度Epeak。可以看出,不论是采用3个或5个阵元进行功率合成,随着阵元间距不断增加,Epeak不断地递减。阵元间距越大,Epeak下降越快。而且,从表中还可以看出,在小间距排列情况下,阵元数对Epeak有一定的贡献。但是,当阵元间距增加到一定程度后,阵元数对Epeak贡献不大,这一结果与文献[12]测量到实验数据基本一致。通过深入研究和分析,发现导致阵列两翼末端阵元对Epeak贡献不大的主要原因在于偶极子天线的方向性辐射及电磁能量的空间耗散。

注: 以 3 号阵元的电场峰值强度作为参考,并将其归一化为单位 1。

基于天线理论可知,偶极子天线在E面的辐射方向图为Fdipole( θ) = sin( θ) ,即在垂直于偶极轴平面内辐射最大( sinθ|90°= 1 ) ,而偏离轴方向的辐射强度逐渐减弱,平行时最小( sinθ|0°= 0 ) 。对于图2( b) 中光导天线阵列,可以看出,末端光导天线阵元距功率合成观测点较远,当阵元间距或阵元数增加后,θ角越来越接近0°,由此也就导致末端阵元对Epeak的贡献越来越小。此外,电磁能量空间耗散也是一个重要因素。因为电磁波在空间传播过程中,其功率密度随传播距离递增而减小。距离观测点越远,到达波的电场峰值强度也就越小。综合这两个方面的因素,不难发现,对于轴向线性排列的光导天线阵列,在不考虑其他影响因素情况下,偶极子天线的方向性辐射及电磁能量的空间耗散应是导致合成功率偏离平方关系的一个重要原因。

2. 3 空间延迟影响

由于各阵元距功率合成观测点的距离不同,因此,不同阵元辐射出的太赫兹波到达功率合成观测点的时间也有所不同。为保证各阵元辐射出的太赫兹脉冲能够同步合成,必须预先准确地计算出各阵元间的空间传播时延,然后进行精确地时延补偿。我们分别利用数值仿真和理论计算方法,以3号阵元的脉冲峰值到达时刻作为参考,计算出了各阵元之间的空间传播时延差。

表2为两种方法的对比结果,其中,括号外为数值仿真计算结果,括号内为理论计算结果。理论计算所用公式为Δτi,j= Δdi,j/ c,式中Δdi,j为第i个阵元与第j个阵元到观测点之间的路程差,c为光速。从表2中的数据可以看出,仿真结果比较接近理论值,表明对于线性偶极子光导天线阵列,理论计算结果基本上能够准确地估算各阵元之间的空间传播时延差。理论值与仿真结果间微小差异主要源于空间角度色散,即光导天线阵元在不同角度方向上的辐射频率响应不同。在时域上,角度色散将会引起辐射波形在不同观测角度方向上畸变,图3( a) 中的太赫兹波脉宽在不同角度方向上呈现出差异,正是由于空间角度色散造成的。这种空间角度色散引起的波形差异,还会导致空间传播时延差Δτi,j与阵元到功率合成观察点的距离相关。表2中的数据显示,阵元距离功率合成观测点越远,空间传播时延差越大。

注: Δτ5,3= Δτ1,3; Δτ4,3= Δτ2,3

本文将能使各阵元辐射的太赫兹波的峰值电场同步到达功率合成点的光激励称为同步激励,否则称为非同步激励。同步激励一般需要对各光导天线阵元进行空间时延补偿。而非同步激励由于不要求峰值电场同步到达功率合成点,通常不需要对各光导天线阵元的时延差进行补偿。表3对比了5元阵在同步激励和非同步激励下的归一化合成脉冲峰值功率Ppeak。从表中可以看出,在同步激励下,无论阵元间隔d多大,归一化合成脉冲峰值功率Ppeak都比非同步激励要高。相反,如果在非同步激励下,随着阵元间距d增加,Ppeak迅速减小。当阵元间距d =300μm时,非同步激励下的Ppeak约为同步激励的1 /3。当阵元间距d增至500μm时,非同步激励下的Ppeak又骤减近一半。通过对结果进行深入分析发现,导致光导天线阵列的功率合成效率不高的另一个重要原因应是非同步激励。这正好可以解释文献为何14元阵的总辐射功率仅比单个阵元增加了30% 。文献[11]仅采用一个具有大光斑面积的飞秒激光源对所有阵元进行触发激励。很显然,这种触发激励方式并不能保证各阵元辐射的太赫兹波的峰值电场同步到达功率合成点。因此,14元阵列的总辐射功率远低于传统阵列天线的理论预期值。同时,还发现,在非同步激励情况下,如果要想获得较高的功率合成效率,则必须要求边缘与中心阵元之间的时延差Δτedge_center远小于太赫兹脉冲宽度τ0的一半,即满足时间条件:

注: 以 3 号阵元的电场峰值功率作为参考,并将其归一化为单位 1。

对于本文研究的5元光导天线阵列,若满足上述时间条件,则需边缘1、5号阵元与中间3号阵元间的时延差小于200 fs或单元间距d小于175μm。从表3中可以看出,在非同步激励下,除d = 150μm满足条件外,其他情况( d≥200μm) 下均不满足( 4) 式的时间条件。因此,在d≥200μm后,所得合成峰值功率Ppeak均出现了大幅度下降。

3 结 论

太赫兹在医学检测中的应用和进展 篇10

太赫兹(THz)射线频率为0.1~10 THz(1 THz=1012Hz)的电磁辐射,该波段位于微波和红外线之间(如图1所示)。由于发射和探测手段的限制,近几十年才开始被深入研究,所以被称为“the THz gap”[1,2,3,4]。激光和半导体技术的迅速发展,为产生THz射线提供了稳定、可靠的激发光源,使THz辐射的机制研究及相关检测、应用技术都有了较大发展。与其他电磁辐射相比,THz射线波长较长,能穿透多种非极性物质,例如塑料、纸、干木料、玻璃和衣服等;能量较低,不会产生能造成组织损伤的电离辐射;对水有显著的吸收特性;能激发分子间的振动和旋转模式[5]。因此,THz射线已被广泛应用于安检、通信、环保、质量控制及医学等多方面的研究中。本文主要介绍THz技术在医学中的应用。

利用THz射线进行医学检测有以下优点:能量低,不会对生物组织产生电离,对人体无害;对极性物质灵敏度高,所以对软组织成像对比度比X射线更高;频谱宽,位于远红外波段,人体组织易于吸收;THz时域光谱技术(THz-TDS)运用相干检测技术不仅能得到THz波的振幅信息,还能同时得到相位信息,从而得到样本的折射率和吸收系数;分子的转动和振动跃迁能量处于THz波段,分子间震动表现出不同的光谱特征,这些唯一的光谱特征可以用来区分不同的生物组织,这是在光学、X射线、核磁共振成像时所没有的特性[6]。

1 太赫兹在医学检测中的应用

1.1 在检测癌变中的应用

对于多种类型的癌症,早期诊断可以有效降低死亡率。目前的诊断方法主要有活体组织切片和CT、MRI等。组织切片虽然可以提供结构和功能的信息,不过是有创的。CT和MRI能够进行无创活体组织成像,但分辨率和特异性比较低。所以高分辨率的在体成像技术很有必要,而THz射线就具有这样的特点和能力。

目前,使用THz射线检测癌症已成为研究中的一大热点。研究表明,THz射线有望成为术前评价皮肤癌边界、浸润深度等的重要工具[7]。Woodward等[8]使用TPI技术对基底细胞癌的患者进行了研究,发现通过THz射线成像可以区分癌组织、炎症组织及健康组织,癌组织对THz射线的吸收特性明显不同于健康组织,而且对比鲜明,与组织学结果对照,发现此种对比可以确定肿瘤的边界。

THz射线仅能穿透皮肤几毫米,因此THz射线在医学上的应用还停留在表皮附近的组织。但85%的成人癌症,包括皮肤癌、乳腺癌、食管癌、结肠癌、膀胱癌及前列腺癌等,都是由上皮组织发生,因此认为使用THz射线可以检测这些癌症[9]。Philip C等[10]使用TPI和TPS技术对乳腺癌患者进行了初步研究,发现THz射线能区分癌组织与健康组织,且与组织学结果一致,但能否区分肿瘤类型还需进一步研究。图2是乳腺癌THz图像和组织学图像的对比。Globus等[11]研究发现,通过比较前列腺和膀胱癌细胞的透射光谱特性,可以将2种癌细胞区分开来,因此THz射线有潜力成为研究肿瘤组织学特性的工具。2004年,Wang等[12]展示了世界首台THz内镜,该内镜使用裸露金属丝波导,使THz射线应用于人体内部医学成像成为可能,随着技术的进一步发展,THz内镜可能会成为检测人体内部癌症的重要工具。

1.2 在检测烧伤中的应用

准确评估皮肤烧伤等级对确定相应的治疗方案至关重要,但是依赖于现有检测方法和医生的主观判断不能精确地对烧伤程度进行判断。另外烧伤初期处理和烧伤情况监控对康复和防止感染也至关重要[13]。现有的一些成像检测方法都存在一定的不足,而THz成像检测方法将会成为主要的或辅助的检测烧伤的手段。

检测烧伤是采用THz反射成像法。THz射线被聚焦后到达被检测样品,在样品分界面被反射至探测器。皮肤虽然只有一个反射表面,但具有很多复杂的形态,据此原理可以进行层析成像。根据对经过烧灼的鸡胸皮肤进行的实验,THz照射后反射回来的THz脉冲波形在幅度和相位上都有所不同,这些不同是由烧伤深度不同引起的[14]。图3是利用反射波数据重建的图像,颜色越深的地方代表反射的射线越少,烧伤深度也越深。图4是反射回来的太赫兹波波形,可以看出中心烧伤最严重的地方反射回来的波形变形也最严重。

要使该技术应用于临床,必须发展在体检测技术,Priyamvada Tewari等已经在活鼠皮肤上获得了高分辨率的烧伤图像,可以区分深度和部分皮层烧伤[15]。

1.3 在检测血液成分中的应用

血液是人体最重要的组织,因为它的作用覆盖了人体的整个生物过程。对血液的光谱分析涉及到很宽的光谱范围,目前利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术,可以得到血液样品的吸收系数和折射率等参数,从而可以检测血液中最重要的成分,比如白细胞和红细胞[16]。

以白细胞为例,图5是在0.1~3.5 THz频率范围内,对特定浓度的白细胞溶液的吸收系数和折射率进行测定得到的光谱图。光谱特征和浓度相对应。

因为THz射线对人体无害,适合进行无创活体检测,因此,目前已经有这样的技术和专利对血糖、胆固醇、血红蛋白、胆红素等成分进行检测,从而避免了抽血的痛苦和感染风险。具体方法是向人体特定区域发射THz波,然后检测反射波或者透射波的强度变化(对于活体检测,一般检测反射波),而强度变化对应于太赫兹波的散射、吸收、偏振等特性的变化。因此,通过特征光谱可以得到需要的结果。图6是利用THz波的吸收光谱对血液中血糖和果糖进行检测的结果。

1.4 在检测早期龋齿中的应用

龋齿的形成是从牙釉质表面以下开始的,而且龋损可以在牙釉质没有明显改变的情况下发展到牙本质。如果早期龋齿可以被正确诊断,就可以进行治疗,使龋损恢复而不需要补牙[17]。目前有很多检测早期龋齿的技术,但是那些能够定量测量牙釉质脱矿程度的方法需要利用破坏性样品制备技术。X线虽然可以对龋齿进行成像,但其对早期龋齿的成像缺乏足够的对比度,而且射线对人体有害,不适合用来检测早期龋齿。因此,利用太赫兹精确检测龋变深度成为值得研究的方向。

其中Wallace V P等[18]对牙釉质进行了THz-TDS三维成像,其分辨率达到了10μm,证明了利用THz三维成像诊断龋齿等牙齿疾病具有潜力。THz不但能穿透含水量较低的牙齿结构,而且成像的对比度要大大高于X线CT成像技术。因此,利用THz成像技术诊断早期龋齿是可行的,值得进一步研究探讨。

龋齿的光学显微照片和太赫兹二维成像结果如图7所示。

以上是THz在医学检测中的主要应用,包括THz光谱技术和THz成像技术,特别是THz-TDS系统已经成为了THz光谱技术的实验室标准。最近基于连续波(CW)的光谱系统也有了应用,基于CW的光谱系统具有更高的信噪比和光谱分辨率,并且具有更少的采样时间和更低的成本。

对于THz成像技术,由于THz的波长比X线、γ射线和可见光要长,而系统的分辨率与所用的探测射线的波长成反比,即波长越长分辨率越低,这就需要研究新的检测方法和算法来有效提高THz成像的分辨率,目前技术已能达到几十微米的分辨率。而且太赫兹独有的特性可以获得其他技术无法得到的信息,并能提高成像的对比度,成为其他检测手段的重要补充。

另外,THz从实验室到临床应用,实时性是必须解决的问题。例如对生物制品的质检以及对病情的诊断,实时性有着重要意义。THz波和ps脉冲技术或啁啾脉冲技术结合,产生的THz脉冲的典型脉宽在ps量级,THz单脉冲光源在医学方面的应用能够大大地缩短诊断时间。目前很多检测方法只能做到离体检测,实现在体检测是一个趋势。

2 太赫兹技术在医学领域的发展趋势

近年来,THz技术有了飞速发展。首先这要得益于THz器件和仪器的发展,各种商业化的发射和探测装置在数量上有很大增长,可以促使更多的研究人员和工程技术人员加入到这个领域;另外全球有超过20家公司生产THz光谱仪和成像系统等成套设备,虽然总的份额还比较小,但可以吸引潜在的用户和市场,去寻找新的应用领域[19]。

越来越多的研究机构开展了THz技术的研究,这项技术面临着一个关键的拐点,就是从技术推动到市场推动阶段的转变。只有进入实用阶段并能够获得收益,THz技术才能获得真正的生命力。但是目前THz技术的实际应用还比较少,需要努力寻求突破性的技术去克服实用化的瓶颈,从而迎合市场的需求。在医学领域,THz技术也大多处于实验室阶段,一方面很多卓有成效的研究预示了诱人的前景,但另一方面,医疗机构还没有足够的信心去利用这些技术,这和THz技术整体的现状也是一致的。由于THz技术本身具有丰富的科学内涵,随着相关科学技术的飞速发展,其应用终究会成为可能和必需[20]。

甲醇气体的太赫兹时域波谱研究 篇11

关键词： 自由感应衰变； 太赫兹时域光谱； 甲醇

中图分类号： O 433.4 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.014

文章编号： 1005-5630（2016）05-0450-06

引 言

甲醇气体的频谱中蕴含着大量的信息，其中涉及复杂的分子物理、量子力学等问题[1-2]。虽然甲醇分子只有6个原子构成，是一种最简单的能够受阻内旋的稍不对称分子之一，但是它的能级结构极为复杂。因此，甲醇在红外范围有丰富的光泵浦转动谱线[3]。转动谱线在物理学中十分重要，太赫兹波与分子发生共振所产生的独特谱线可作为指纹谱并用于物质识别和检测。在太空物质探测，工业生产等领域甲醇气体的检测和标定非常重要，通过太赫兹波段甲醇气体的独特指纹谱可以将它标定为探针，继而研究其他极性气体在该波段的光学特性。电磁波在共振媒体中的传播激发分子从基态跃迁到激发态，这种现象可利用光谱学的方法来检测，如转动光谱法或拉曼光谱法。此外，纯转动能级大多在太赫兹区域较为活跃，近年来最新技术的发展，为超快相干脉冲的产生和在远红外区域检测超短和相干的电磁脉冲的技术开辟了新的途径，使得气体在远红外辐射或太赫兹辐射区域可以被感应和记录[4-6]。许多分子的转动振动模式落在太赫兹波段，该波段独特的光谱特征，使太赫兹时域波谱分析技术成为非常有效的气体检测和识别手段。自由感应衰变（FID）就是出现在时域谱中的一种相干瞬时现象[7-8]，其特点是脉冲激励之后出现快速振荡和相应的呼应，这种相呼应的现象被Harde等称作相称回波[9]。FID是一个反应样品吸收和色散特性的时域表示，可以用于标定分子的指纹[10]。许多气态分子尤其是极性分子在太赫兹波段都有类似的FID特性，如CO，HCl，NH3，CH3OH等。在甲醇气体的太赫兹波谱研究中，Yu等对甲醇气体的自由感应衰变现象进行了讨论[11]。目前，国内外对甲醇气体太赫兹波段时域特征的研究较多，而对频域信息的研究较少，对在太赫兹波段甲醇气体浓度的变化情况没有相关报道。

本文在前人的基础上利用太赫兹快速扫描时域光谱系统对甲醇气体进行了检测，并通过朗博比尔定律计算了其吸收谱线，得出了不同浓度的甲醇气体在0.2～1.6 THz的吸收特性，经过数据拟合分析对自由感应衰变以及色散、离心畸变等现象进行了解释。

1 实验原理

实验装置如图1所示，实验中使用的光源是光纤式钛宝石飞秒激光器，其产生的飞秒激光中心波长为780 nm，重复频率为80 MHz，脉冲宽度为80 fs，输出功率为 160 mW。

激光从激光器发出后，经过分束片分为泵浦光和探测光两路。泵浦光分别经过慢速扫描直线电机、快速扫描直线电机、衰减片、反射镜后到达太赫兹源及光电导天线，并在天线前由透镜将能量聚焦到光电导天线的间隙上，激发太赫兹波，太赫兹波经过四个抛物面镜在样品处聚焦并最终到达太赫兹探测器上；探测光经过衰减片及反射镜到达太赫兹探测器，当探测光与泵浦光到达太赫兹探测器的光程相等时可以探测到太赫兹电场。仪器的频谱分辨率为9 GHz。

在太赫兹光路中，测试样品为一个密封的不锈钢气体样品管，两侧的窗片是2 mm厚的聚苯乙烯材料。通常，在激光传播以及太赫兹波传播过程中会有不可避免的扰动造成仪器误差，如水蒸气这种分子在太赫兹波段有强烈的吸收峰，会对太赫兹波形产生扰动。所以在实验过程中需不断地向实验环境中充入压缩干燥空气，将空气湿度控制在3%以下，尽量消除水蒸气以及其他环境因素造成的测量误差。

实验过程中，空载的气体样品管经真空分子泵抽至10 Pa左右的中真空状态，测试此时的空样品管并作为参考信号。150 μL液体甲醇样品从气管上橡胶活塞进样口注入，在相对压强的作用下甲醇分子气化充满整个气室。

2 实验结果与讨论

图2为空载以及加载甲醇气体样品时测得的太赫兹时域波形和频谱，在图2（a）中，总扫描时间是110 ps，主脉冲出现在34 ps处，聚苯乙烯窗片造成的反射峰出现在55.52 ps处，系统的动态范围大约为60 dB，1.6 THz以前的数据高于噪声线，属于可靠数据。图2（c）为太赫兹脉冲经过甲醇气体后的时域波形，可以发现除主脉冲以及窗片反射峰以外，有明显的3个相称回波出现，分别在52.10、72.8、93.6 ps 且幅度逐渐衰减。甲醇气体的太赫兹时域谱通过快速傅里叶变换计算得到功率谱，并将纵坐标尺度变换为lg坐标，清晰

可见甲醇气体在0.2～1.6 THz区域有大量的吸收峰，在后面会进一步分析。

甲醇分子属于极性分子，分子构型属于非对称分子结构，当一个亚皮秒的太赫兹脉冲在甲醇气体分子间传播时会激发分子的转动跃迁，使得分子以特定的方式转动或振动并重新辐射出自由感应衰变信号。从图2（c）中可以看到在主脉冲后面每隔一段时间会出现一个类似于主脉冲形状的时域波形，这是由于甲醇分子的转动跃迁谱线间隔大致相等，导致在时域谱上会出现时域波形的解构与重构。

图3中的4幅图分别是甲醇太赫兹时域信号的主脉冲、第1、第2以及第3的相称回波。从主脉冲波形可以看到，甲醇气体的浓度变化会使得主脉冲形成相移，从图3（b）、（c）、（d）中看出，在相称回波的波包区域甲醇气体浓度变化对幅值变化有较大影响，而对其他的时间窗口影响较小，可以确定甲醇气体在波包处相互作用形成共振模式的几率较大，而其他部分则处于杂乱的运动过程，未形成明显的振动模式。每一个重构的波形即是一个波包，代表局限在空间的某有限区域内的波动，而在其他区域的部分非常微小，波包可以分解为一组不同频率、波数、相位、波幅的正弦波；在任意时刻，这些正弦波在空间的某有限区域形成相长干涉，在其他区域会形成相消干涉。可以看出太赫兹在甲醇气体中传播时重构的时域波形会迅速衰减，这是由于电磁波在甲醇气体的传播过程中色散对信号振幅有影响。对于每一个波包，其长度都在增加，这是因为分子转动过程中引入了离心畸变而导致的。随着脉冲的激励，经过一段时间后自由感应衰变的现象逐渐消失，代表了能量的逐渐耗散，这符合能量守恒定律。

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图4是对图3中的时域重构波形振幅的统计，图中的误差代表了波包截取的操作误差和多次试验的系统误差。3条实线是利用函数y=Aex/t+B对3个甲醇气体的太赫兹相称回波进行了拟合，可以看出甲醇气体在不同浓度下与太赫兹相互作用时其相称回波符合指数形式的能量衰减。

由朗博比尔定律可知，一束单色光在通过一定吸收介质后，由于介质吸收了一部分光能，透射光的强度减弱。吸收介质的浓度愈大，介质的厚度愈大，则光强度的减弱愈显著，其关系为

A=lg（Er/Es） （1）

式中：A为吸收系数；Er、Es分别为参考信号功率谱与样品信号功率谱。由此公式计算出的吸收谱线如图5 （a）所示。为了直观选取了4个频率的吸收峰进行表征，图5 （b）中实线是用y=AeR0x+B进行拟合，随着气体浓度的升高吸收峰的强度逐渐增加，其他吸收峰均符合这一特征。

经过统计，甲醇气体吸收谱线的平均间隔为48 GHz，经数据分析发现这一频域间隔与时域间隔符合关系Δt-1 ∝Δv，从而进一步解释了太赫兹脉冲激发甲醇分子跃迁，转动谱线直接反映了跃迁能级的变化，相对应的这种跃迁能级变化造成了太赫兹时域脉冲在甲醇系列气体中传播时发生自由感应衰变的现象。在频域上所有的间隔不全相等，相较于对称结构的分子如CO，HCl等具有等间隔转动谱线，非对称结构的极性分子由于刚性转轴周围原子空间质量分布的不均匀，会在转动振动时出现重心偏移，同时受到离心畸变以及多普勒展宽的影响也导致吸收谱线成非线性分布。

3 结 论

利用太赫兹时域光谱技术测试了气态下甲醇在太赫兹波段的时域波形，观测到了一系列的相称回波，并利用吸收谱、分子结构以及分子动力学理论进行了解释。由于甲醇分子的非对称结构导致转动谱线大致相隔一个固定的值，但每条谱线的间隔略有差异。由于离心畸变，多普勒展宽以及色散的影响导致在时域脉冲激励后呈现出相称回波之间幅度逐渐递减，波包长度逐渐增加，能量逐渐耗散的现象。本文对利用太赫兹时域光谱技术进行气体检测、识别具有参考价值。

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赫兹理论 篇12

关键词：太赫兹,太赫兹辐射源,太赫兹探测器,应用

电磁波谱中微波和红外之间的部分称为太赫兹(Terahertz, THz)波或太赫兹辐射,太是英语词根tera-的译音,其频率为0.1～10 THz(对应的波长范围是3000～30 μm).如图1所示.太赫兹辐射又称为T射线.太赫兹波段一端落入远红外(far infrared)波段,另一端落入亚毫米波段,是光子技术与电子技术、宏观状态与微观状态之间的过渡区域,表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能.

由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测手段,对于该波段的了解一直比较有限,使得太赫兹成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口,以致于它被称为电磁波谱中的 “太赫兹空隙(terahertz gap)”.从过去二十多年前开始,随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世,太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展,在医疗诊断、射电天文、物体成像、宽带移动通信等领域显示了重大的科学价值及实用前景,与此同时,其他方面的工程应用潜力也受到关注.

1 太赫兹辐射的特点

太赫兹辐射具有如下特点[1,2]:

(1) 太赫兹辐射是完全非电离的,其光子能量较低,对大部分生物细胞无害,适合于对生物组织进行活体检查.如利用太赫兹时域谱技术研究酶的特性,进行DNA鉴别等;

(2) 太赫兹辐射的频率极宽,覆盖了各种包括蛋白质在内的大分子的转动和振荡频率.许多大分子在太赫兹辐射段表现出很强的吸收和谐振,构成了相应的太赫兹“指纹”特征谱,这些光谱信息对于物质结构的研究很有价值;

(3) 太赫兹辐射可以透过各种生物体、电介质材料以及气相物质,这些介质在太赫兹辐射段具有丰富的吸收和色散性质,通过测量并分析样品的太赫兹信号便可以获得关于材料中的物质成分和物理、化学以及生物学信息.另外,太赫兹辐射可无损穿透墙壁、布料,使其可以在某些特殊领域如安全检查等方面发挥作用;

(4) 太赫兹辐射的频带宽度是微波的1 000倍,是很好的宽带信息载体,特别适合局域网的宽带无线移动通信;

(5) 太赫兹辐射的时域频谱信噪比很高.目前,对太赫兹辐射强度测量的信噪比可大于1010,通过采样测量技术,能够有效地防止背景辐射噪音的干扰,这使得太赫兹非常适用于成像应用;美国国防高级研究计划署(DARPA)资助的一个项目名称就是太赫兹焦平面成像技术(Terahertz Imaging Focal-plane-array Technology).

2 太赫兹技术应用的关键器件

太赫兹技术涉及激光器、材料生长、器件设计、光学、制冷、微电子及软件等众多学科,属典型的交叉前沿领域.其应用的关键器件主要包括太赫兹辐射源和太赫兹探测器.

2.1 太赫兹辐射源[3,4,5,6]

由于目标自身的太赫兹辐射信号微弱,故目前的多数应用场合需要太赫兹辐射源.这一点与雷达相似,而与被动红外系统有别.太赫兹辐射源可以分为下面3类:

(1) 基于高能加速器的太赫兹辐射源

这类辐射源可能主要适合于学术研究或民用.

(2) 基于光学方法的太赫兹辐射源

产生太赫兹辐射的光学方法最早是利用高压汞灯.高压汞灯的光谱分布形状与温度为4 000 K的黑体辐射相似,在0～2 THz范围内的输出功率约有70 μw.

目前基于光学方法的太赫兹辐射源主要包括:

① 太赫兹气体激光器.

气体激光器可以获得上百毫瓦的输出功率,并且已经实现产品化.如国外的SIFIR-50 2.5 THz光抽运太赫兹激光器已搭载于NASA的AURA卫星.但这种辐射源不是连续可调的,而且通常需要较大的气体腔和数百瓦的能量输入,在体积、质量、效率、可靠性、可维护性、工作寿命以及频率稳定性等方面尚有可改进之处.

② 利用超短激光脉冲的光电导、光整流及等离子体四波混频等方法产生太赫兹辐射.

利用超短激光脉冲的方法产生太赫兹辐射,具有超宽带、脉宽窄、峰值功率高等优点,缺点是时间相干性较差,不可连续调谐,转换效率较低,平均功率在纳瓦至微瓦数量级,不利于对其进行探测.

③ 利用非线性光学差频技术产生太赫兹辐射.

④ 与晶格振动有关的参量振荡技术产生太赫兹辐射.

其中第③、④两种方法可以产生连续可调谐的单频太赫兹辐射,并且具有较高的输出功率,正朝着高效率、大能量、结构紧凑、简单连续调谐、室温稳定运转的方向发展.

(3) 基于电子学方法的太赫兹辐射源

这类方法主要包括:

① 利用真空电子学方法产生太赫兹辐射.

主要包括太赫兹真空器件、电子回旋脉塞和自由电子激光等.自由电子激光器可以产生平均功率数百瓦、峰值功率几千瓦的太赫兹辐射,是目前所有太赫兹辐射源中输出能量最高的.但它造价昂贵、体积庞大,需要大型平台.

② 利用半导体技术产生太赫兹辐射.

量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCL)可以产生毫瓦量级的辐射.它具有能量转换效率高、体积小、轻便和易于集成等优点,近年来受到很大关注.QCL概念首次出现于1960年.1994年,在使用分子束外延(MBE)工艺研制的耦合量子阱结构中得到了量子级联激光.通过能带设计,QCL的输出范围逐渐进入了太赫兹波段.2002年,世界上第一个太赫兹QCL在美国Bell实验室问世,其频率为4.4 THz,温度50 K,脉冲功率为20 mW.随后,不少国家都开展了这方面的研究工作,并采用了不同的半导体材料.2004年,美国MIT研制的太赫兹量子级联激光器频率为2.1 THz,温度137 K,脉冲功率为20 mW,次年实现了太赫兹成像.在目前及以后还没有达到室温的情况下,太赫兹QCL需要低温制冷.

另有报道,英国Rutherford国家实验室和欧洲航天局合办的ThruVision公司,专门从事太赫兹成像技术的商业开发,该公司推出的一种被动式太赫兹成像仪,具有不需要太赫兹辐射源、并可实时成像的特点.日本东京大学学者研制了一种太赫兹显微分光镜,该系统没有太赫兹辐射源,通过扫描一个量子霍尔探测器的磁场来分辨极微弱太赫兹辐射的频率,其工作温度为4.2 K.

在太赫兹波段,一般的聚合物(例如高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚脂薄膜等)窗口具有高吸收率.参考文献[8]介绍了一种制造应用于太赫兹频率的低损失窗口的方法.该窗口用高阻硅材料制成.通过在基片上刻蚀出深度为λ/4的矩形凹槽作为抗反射层,来克服由于基片和自由空间之间阻抗失配造成的反射损失.

2.2 太赫兹探测器[9]

由于太赫兹辐射源输出功率低,频率范围内热辐射背景噪声大、水蒸汽衰减严重等因素的影响,从目标反射回来的太赫兹辐射信号更低,这就要求太赫兹探测器具有很高的探测灵敏度和频率分辨率.目前探测太赫兹辐射的方法主要有热辐射探测法、傅里叶变换光谱法、时域光谱法、外差式探测法以及太赫兹量子阱红外光子探测法(THz quantum well infrared photodetector, THzQWIP).

2004年面世的THzQWIP属窄带探测器,其工作原理与QWIP相同,具有响应速度快、工艺成熟、体积小、易于集成等优点.目前红外波段的QWIP结构已经开始实用化.QWIP的理论和方法可以推广到THzQWIP的设计中,其核心问题是求解载流子在生长方向上的输运问题.目前常用的方法有3种:

① 基于量子输运理论的非平衡格林函数方法.

② 基于玻尔兹曼方程的蒙特卡罗方法.

③ 基于准微观散射模型的率方程方法.

有研究者认为,第②种蒙特卡罗法比较适合于QWIP以及THzQWIP的设计.

THzQWIP工作在偏压状态,暗电流对器件性能的影响较大,抑制暗电流对于THzQWIP性能的提高有着重要影响.由于THzQWIP从束缚态到连续态的能量间距非常小,为了抑制暗电流,THzQWIP需要在非常低的温度下工作,为此离不开深低温制冷技术的支持.

目前已经可以得到质量高、稳定性强、均匀性好的大面积GaAs/AlGaAs异质半导体材料,这种材料既可以制作太赫兹辐射源,也可以制作太赫兹探测器.

3 太赫兹技术的工程应用前景分析

对于工程应用而言,除了要考虑诸如工作温度、太赫兹波输出稳定性以及带宽等因素外,太赫兹系统能否远距离使用无疑具有决定性的影响.以太赫兹成像系统而论,如果其作用距离尚不及目前的红外成像系统,影响作用距离的主要因素是大气对流层内水蒸汽对太赫兹辐射的吸收.太赫兹辐射由于水蒸汽影响在空气中将经受很强的衰减,其损耗约为100 db/km.表1列出了4种不同频率的太赫兹单脉冲在海平面标准大气层中的水平路径传输距离.文献[2]中指出,0.6 THz的太赫兹波功率作为传输距离的函数,与指数衰减非常接近.如果这是一种带有普遍性的规律,那么对于太赫兹技术的地基或海基应用无疑将构成一种严重制约.

所幸的是,上升到一定高度以后,水蒸汽吸收对太赫兹辐射传输距离的影响可以大幅度减小.90%以上的水蒸汽集中在大气的对流层[10],对流层的高度视纬度和季节而定,大约在10～15 km之间,在中纬度区平均为10～12 km.在对流层之外,因为水蒸汽含量几乎为零,在很宽的频率范围内已不存在大气衰减,故以能量为20 μJ的太赫兹脉冲再配以相应的光学系统,就可以实现空空之间及空天之间的远程通信.事实上,国际通信联盟已指定200 GHz的频段为下一步卫星间通信之用.进一步的发展必将进入300 GHz以上的范围,这就是太赫兹通信.

置于大气对流层外机载或星载平台上的太赫兹雷达与微波雷达相比,可以探测更小的目标,实现更精确的定位,有望成为未来高精度雷达的发展方向之一.此外,太赫兹在反隐身和精确制导方面发展潜力值得关注.而由于受大气消光作用的影响,地基或海基太赫兹雷达的发展前途尚不明朗.可以预料的是,一旦太赫兹技术应用于军事领域,反太赫兹技术也将应运而生.

大气本身是一种选择性辐射体,对于红外系统而言,众所周知,这种选择性形成了若干被称为“大气红外窗口”的波段,例如3～5 μm、8～12 μm等.利用窗口波段作为红外辐射的传播通道,可以使红外系统的作用距离最大化.与之对应的是,在1.6 THz以下及10 THz以上也存在着一些大气太赫兹窗口[2],只是其宽度较窄.利用这些大气窗口能否改善太赫兹辐射的传输特性,提升作用距离,或许值得留意.

利用飞秒激光脉冲,激励各种非线性介质,如半导体、非线性晶体、聚合物甚至金属表面,都可以产生脉冲太赫兹辐射[11].在这些介质中产生的太赫兹辐射都是基于其二阶非线性过程.作为地球上普遍存在的各向同性物质——空气,其偶数阶非线性系数为零,故在空气中发生的最低阶非线性过程为三阶非线性过程.利用飞秒激光脉冲通过空气中的三阶非线性过程,可以产生高强度太赫兹波.而作为此非线性效应的逆过程,也可以利用空气作为探测介质,实现太赫兹辐射脉冲的探测.文献[12]介绍了一种全光学全空气的方法,利用可见光在空气中的低衰减(0.01 db/km)特性,通过将可见光脉冲发送到远处被测物体附近来实现远距离的太赫兹产生和探测.这种方法的应用前景值得关注.

4 结 束 语

太赫兹技术涉及物理学、半导体、光学、材料科学、信号处理、激光技术、制冷技术、微波毫米波电子学等多种学科,是一个典型的交叉前沿领域.目前,在欧美俄日韩等国有数十所大学开展了太赫兹研究.美国航天局等机构都对太赫兹研究给予了大规模的投入;已有超过10家的美国企业在太赫兹辐射相关产品的开发方面取得进展,如Picometrix公司开发的太赫兹成像系统已在NASA用于航天飞机外壁薄板内部缺陷检查,波音公司等也正在大力研发用于安全领域的太赫兹产品[13].

太赫兹成像技术的发展至今只有十几年的时间,总体上看,多数应用还处在实验室阶段,真正的大规模工程应用还没有开始.目前资料中提到的太赫兹成像多为近场成像,尚未见有远距离成像的报道.

作用距离是决定太赫兹技术工程应用前景的关键因素之一.如果太赫兹辐射在大气对流层内传输时的衰减问题不能得到有效解决,那么太赫兹技术在地面或海上的应用可能受到严重制约.相比之下,基于机载或星载平台的太赫兹雷达或太赫兹通信,则具有诱人的应用前景.

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