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第1章 太赫兹辐射的产生与探测 1

1.1 宽带太赫兹脉冲的产生与探测 1

1.1.1 飞秒激光系统 2

1.1.2 产生及探测宽带脉冲的总体方案 3

1.1.3 光电导天线 4

1.1.4 光电导天线探测方法 6

1.1.5 光学整流和电光采样 7

1.1.6 其他宽带发射器 12

1.1.7 太赫兹辐射的发展前景 13

1.2 连续波太赫兹辐射的产生 14

1.2.1 光混频 14

1.2.2 差频产生 15

1 2.3 参量放大 15

1.2.4 气体激光器 16

1.2.5 微波频率倍频器 16

1.2.6 回波振荡器 17

1.2.7 自由电子激光器 18

1 2.8 P型锗激光器 18

1.2.9 量子级联激光器 19

1.3 探测器 20

1.3.1 热探测器 21

1.3.2 外差探测 22

1.3.3 能带探测器 22

1.4 结论 22

参考文献 23

第2章 太赫兹光学 26

2.1 引言——太赫兹光学 26

2.2 理想光学系统中的高斯波束传输 27

2.2.1 简单高斯波束模型的传播特性 27

2.2.2 聚焦高斯波束：简单光学系统 29

2.2.3 一般光学系统中ABCD矩阵和传输 30

2.3 光学元件和子系统 32

2.3.1 耦合波束和聚焦元件 32

2.3.2 离轴聚焦镜 32

2.3.3 厚透镜 34

2.3.4 分束器、偏振栅格、屋脊反射镜、干涉仪和滤波器 34

2.3.5 衍射元件和相位光栅 35

2.4 波束耦合问题 36

2.4.1 辐射元件耦合 36

2.4.2 失配高斯波束和散焦效应 37

2.5 详细建模 39

2.5.1 高阶高斯波束模型 39

2.5.2 畸变、截断、波束失真 40

2.5.3 其他建模技术 42

2.5.4 部分耦合和多模系统 43

2.6 光学系统设计 43

2.6.1 反射镜／透镜参数的选择 43

2.6.2 系统布局 44

2.6.3 太赫兹光谱系统成像问题 45

2.7 总结 46

参考文献 47

第3章 太赫兹光谱范围内媒质的复折射率 50

3.1 引言 50

3.2 复介电常数和折射率 51

3.3 复传输和反射系数 54

3.4 有效媒质模型 57

3.5 太赫兹光谱分析的修正克拉茂—克朗尼希色散关系 58

3.6 时域太赫兹反射光谱的最大熵法 67

3.7 总结与展望 68

参考文献 70

第4章 采用平面和汇聚波束传递函数确定复折射率 72

4.1 采用传递函数提取材料的参数 72

4.2 平面传递函数计算 73

4.2.1 实验理论传递函数 73

4.2.2 相位解缠 75

4.3 汇聚波束建模 76

4.3.1 角度的权重函数 77

4.3.2 汇聚波束透射穿过一个厚板 77

4.3.3 汇聚算法中的相位解缠 79

4.3.4 仿真数据 79

4.4 实验数据 81

4.5 结论 82

参考文献 82

第5章 太赫兹散射 84

5.1 引言 84

5.2 具有光滑平面界面的样本的太赫兹反射与传输 85

5.2.1 单层界面的反射和传输 85

5.2.2 同一层界面的反射和透射 87

5.3 随机媒质 88

5.3.1 随机粗糙表面的太赫兹反射 89

5.4 体散射和吸收 93

5.4.1 单个粒子的散射 93

5.4.2 随机分布粒子散射 95

5.4.3 数值计算和蒙特卡罗模拟 99

5.5 结论 100

参考文献 100

第6章 太赫兹辐射的相空间处理 103

6.1 引言 103

6.2 太赫兹场的表征参数 104

6.3 太赫兹辐射表征和处理的相空间技术 107

6.3.1 威格纳分布函数及其在信号处理中的应用 111

6.3.2 模糊函数及其在信号处理中的应用 116

6.3.3 光谱图及其在信号处理中的应用 118

6.3.4 小波变换及其在信号处理中的应用 122

6.3.5 分数傅里叶变换及其在信号处理中的应用 126

6.4 结论 130

参考文献 130

第7章 晶体材料振动模式分布的计算方法 134

7.1 引言 134

7.1.1 单分子与周期晶体结构的计算 135

7.2 晶体声子的理论 137

7.2.1 一维晶体的声子 137

7.2.2 真空和凝聚态的正交模式 139

7.2.3 3D晶体声子 141

7.2.4 原子-原子势（力场）法 144

7.2.5 量子力学的电子结构计算 146

7.2.6 计算实例 148

7.3 分子动力学 157

7.4 结论、总结和方法的局限性 160

7.4.1 力场和电子结构（DFT）计算的对比 160

7.4.2 晶格动力学与分子动力学的对比 160

7.4.3 需要解决的一般问题 161

参考文献 165

第8章 晶体和非晶固体的太赫兹光谱学 170

8.1 引言 170

8.2 测试注意事项 172

8.2.1 散射 172

8.2.2 样品制备 176

8.2.3 光学常数的计算 178

8.2.4 动态范围 181

8.3 晶体材料光谱学 183

8.3.1 生物分子 183

8.3.2 有机小分子 184

8.3.3 爆炸物 190

8.3.4 其他晶体材料 191

8.4 非晶固体材料光谱学 192

8.4.1 玻璃 192

8.4.2 有序碳材料 194

8.5 小结 198

参考文献 199

第9章 生物分子和液体的太赫兹光谱学 203

9.1 液体 203

9.1.1 液体的太赫兹响应 203

9.1.2 液体透射 206

9.1.3 主要结论和研究现状 210

9.2 生物分子 211

9.2.1 生物分子的太赫兹响应 211

9.2.2 主要进展和研究现状 217

参考文献 218

第10章 太赫兹频段的泵浦-探测光谱学 222

10.1 引言 222

10.2 技术 223

10.2.1 实验细节 223

10.2.2 参数提取 224

10.2.3 电导率模型 225

10.3 无机半导体 229

10.3.1 块材 229

10.3.2 激子系统 229

10.3.3 纳米结构 230

10.4 有机半导体 232

10.4.1 石墨和石墨烯 232

10.4.2 碳纳米管 232

10.4.3 半导体聚合物 233

10.5 无机有机混合 235

10.6 展望 237

参考文献 237

第11章 太赫兹光谱学：太赫兹波的椭圆偏光法与有源极化控制 241

11.1 引言 241

11.2 透射模式时域椭圆偏光法 242

11.2.1 利用线栅极化器测量极化状态的方法 242

11.2.2 介电张量的计算 243

11.2.3 极化测量的例子 244

11.3 反射模式时域磁光椭圆偏光法 247

11.3.1 斜入射时的MOKE信号 248

11.3.2 基于强度测量的分析 252

11.3.3 基于时域太赫兹椭圆偏光法的分析 252

11.3.4 分析实例 254

11.4 太赫兹波的有源极化控制 260

11.5 结论 264

参考文献 264

第12章 液晶及其在太赫兹频率范围的应用 266

12.1 太赫兹频段的液晶 266

12.1.1 引言 266

12.1.2 最新研究进展 267

12.1.3 液晶相 267

12.1.4 关键属性 268

12.1.5 正与负介电各向异性 268

12.1.6 纯液晶与混合物 268

12.1.7 宏观属性——从千赫兹到紫外线 269

12.1.8 液晶的太赫兹光谱 270

12.1.9 液晶的宏观太赫兹性质 270

12.1.10 氰基联苯的分子太赫兹特性 278

12.1.11 总结与展望 283

参考文献 284

第13章 聚合物太赫兹光谱学 290

13.1 引言 290

13.2 太赫兹频段聚合物的介电特性 291

13.2.1 太赫兹频段聚合物分类 292

13.2.2 光谱特性起源 293

13.2.3 玻璃化检测 296

13.2.4 聚合物 299

13.3 太赫兹系统在聚合物加工工业中的应用 301

13.3.1 用太赫兹传感器控制混合过程 301

13.3.2 塑料元件的湿度监测 303

13.3.3 塑料焊接接头的检测 304

13.3.4 粘着键的太赫兹光谱学 305

13.3.5 加固塑料中纤维取向的确定 308

参考文献 309

第14章 非线性太赫兹光谱学 316

14.1 引言 316

14.2 高强度太赫兹脉冲的产生 317

14.2.1 光电导开关产生太赫兹脉冲 318

14.2.2 气体等离子体中的太赫兹产生 320

14.2.3 光学整流产生太赫兹脉冲 322

14.2.4 GaSe和ZnTe晶体中差频产生多周期强太赫兹脉冲 326

14.3 太赫兹非线性光谱方法 326

14.3.1 强度相关透射 327

14.3.2 太赫兹泵浦／太赫兹探针实验 329

14.3.3 太赫兹泵浦／光学探针测量 330

14.3.4 二维太赫兹光谱学 330

14.4 太赫兹非线性光学 332

14.5 半导体的非线性太赫兹光谱学 334

14.5.1 太赫兹场的有质动力 334

14.5.2 太赫兹驱动弹道输运 335

14.5.3 太赫兹场激子操作 337

14.6 非线性振动光谱学 339

14.7 太赫兹脉冲的磁场效应 340

14.8 强相关材料的太赫兹激励 341

14.9 总结和展望 343

参考文献 343

第15章 太赫兹近场成像 348

15.1 引言：近场、远场及衍射极限 348

15.1.1 衍射极限和远场 348

15.1.2 近场 349

15.2 无孔径近场显微镜 350

15.2.1 ANSOM的变化 354

15.3 孔径技术 355

15.3.1 波导、动态孔径以及准孔径 357

15.4 近场成像 359

15.4.1 太赫兹近电场成像 359

15.5 总结和展望 367

参考文献 367

第16章 生物医学成像 371

16.1 为什么太赫兹辐射适用于生物医学系统研究？ 371

16.1.1 安全性 371

16.1.2 分子间相互作用的敏感性 371

16.2 样本制备 372

16.2.1 组织脱水和水合作用 372

16.2.2 可重复性 372

16.2.3 清单示例 373

16.3 样本系统 373

16.3.1 薄与厚 373

16.3.2 均匀与非均匀 374

16.3.3 带宽和轴向分辨率 374

16.3.4 信噪比和穿透深度 375

16.3.5 结构信息与光谱信息 377

16.3.6 成像与光谱 377

16.4 样品架及其对计算的影响 377

16.4.1 透射装置 377

16.4.2 反射装置 378

16.5 时域数据解释 379

16.5.1 反卷积 379

16.5.2 工作实例 379

16.6 医学应用研究 381

16.6.1 乳房癌 381

16.6.2 皮肤癌 381

16.6.3 结肠癌 381

16.6.4 龋齿 381

16.6.5 皮肤 383

16.6.6 蛋白质光谱学 383

16.7 总结 384

参考文献 384

第17章 太赫兹层析成像 386

17.1 采用太赫兹和毫米波的计算层析成像 386

17.1.1 CT的原理 387

17.1.2 太赫兹-CT应用举例 388

17.2 飞行时间太赫兹层析成像 392

17.2.1 TOF层析成像原理 392

17.2.2 TOF-太赫兹层析成像实例 394

参考文献 399

第18章 太赫兹成像工业应用 400

18.1 引言 400

18.2 工业成像 401

18.2.1 基本原理 401

18.2.2 对比机制 402

18.2.3 无损测试 404

18.2.4 实时成像 407

18.3 制药工业 408

18.3.1 特殊成像需求 408

18.3.2 装设仪器 409

18.3.3 信号处理 411

18.3.4 药片成像 415

18.3.5 应用 420

18.4 展望 430

参考文献 431

第19章 毫米波和太赫兹成像在安防中的应用 437

19.1 引言 437

19.2 安检现象学 438

19.2.1 毫米波被动成像系统性能 438

19.2.2 毫米波被动成像对比度 438

19.2.3 毫米波被动成像现象学 439

19.2.4 毫米波主动（相干）成像 441

19.2.5 毫米波主动成像现象学 443

19.2.6 大气传输 444

19.2.7 材料特性 444

19.3 成像系统设计概述 446

19.4 检测器技术 447

19.4.1 相干上变频或下变频 447

19.4.2 前置放大的直接检测 449

19.4.3 非相干（未放大）直接测量 450

19.5 毫米波安检门 450

19.5.1 L-3 ProVision 450

19.5.2 Millivision 451

19.6 远距离成像 452

19.6.1 远距离被动成像系统 452

19.6.2 远距离主动成像系统 456

19.7 多光谱和光谱成像 457

19.7.1 多光谱成像 457

19.7.2 太赫兹光谱成像 458

19.8 未来发展方向 459

参考文献 460

第20章 艺术作品的表征 463

20.1 引言 463

20.2 艺术作品表征成像艺术的进展 465

20.3 太赫兹成像和艺术作品保存：编年史 466

20.4 小结 476

参考文献 477

第21章 太赫兹等离子体结构 480

21.1 引言 480

21.2 太赫兹等离子体现象的物理规律 483

21.2.1 等离子体现象的初级理论和分类 483

21.2.2 光滑金属／介质分界面上的太赫兹频段等离子体 485

21.2.3 特征长度与太赫兹波长相当的凹槽结构 488

21.2.4 人工等离子体 489

21.2.5 栅和孔阵列 491

21.3 应用 495

21.3.1 伴随等离子体的传导太赫兹波 495

21.3.2 调制器和开关控制 496

21.3.3 采用等离子体器件控制的太赫兹波前 497

21.3.4 传感 498

21.3.5 成像 499

21.4 结论 500

参考文献 500

第22章 超材料 506

22.1 引言及历史摘要 506

22.2 尺度：电磁分量的平均 507

22.2.1 原子尺寸 507

22.2.2 复合材料 508

22.2.3 超材料 512

22.2.4 与光子晶体的对比 514

22.3 数值计算与软件 515

22.4 实验特征 515

22.4.1 电磁谐振 516

22.4.2 等效参数的提取 518

22.4.3 从时间窗信号提取N和Z 520

22.4.4 近场法 522

22.5 太赫兹超材料的制作 523

22.5.1 光刻技术 523

22.5.2 激光写入 525

22.5.3 其他技术 525

22.6 应用 526

22.6.1 负磁导率 526

22.6.2 可调谐超材料 528

22.6.3 其他应用 532

22.7 结论 534

参考文献 534

第23章 关联电子固体中的太赫兹控制：源和应用 543

23.1 引言 543

23.2 强场太赫兹脉冲量子相位控制 544

23.2.1 强场单周期太赫兹脉冲：产生 544

23.2.2 高温超导中非线性内层耦合 545

23.3 振动激发的量子相位控制 548

23.3.1 半共价键的控制 548

23.3.2 稳定绝对相位的中红外脉冲 552

23.3.3 非线性声子的振动控制 554

23.4 非线性太赫兹物理波荡器源 557

23.5 结论 559

参考文献 559

希腊字母符号 563

符号 565

专业词汇缩写 568