太赫兹成像 传感及通信技术手册PDF电子书下载

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 Inc 229

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GaAs 339

16.4.2 ErAs：GaAs超晶格 343

16.4.3 LT-In0.5 3Ga0.4 7As-In0.5 2Al0.4 8As 344

16.4.4 ErAs：In0.5 3Ga0.4 7As-In0.5 2Al0.4 8As 348

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