当前位置：文档之家 › THz波与物质相互作用的物理和应用

THz波与物质相互作用的物理和应用

  • 格式：pdf
  • 大小：4.69 MB
  • 文档页数：68

0.4
0.9
360
240 270
300
Degree (rad)
S R Y sin(2 )
这一现象，可能与纳米碳管薄膜中存在的应力有关。
单壁碳纳米管的调制响应
1.5
0.8
0W 0.05 W 0.10 W 0.20 W
Normalized Signal(a.u.)
1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 0 60 120 180 240 300 360
R(r,t) －电荷分布 M(r,t)－质量分布
-
+
太赫兹响应
太赫兹与物质的相互作用特点
凝聚态物质中的电荷、晶格振动、Plasmon, Polariton等准 粒子(元激发)的特征频率位于太赫兹波段，并且具有非常 灵敏的响应。各种分子的振动、转动频率很多位于THz波 段。 生物大分子对THz辐射的响应主要来自于由大分子的整体 构型和构像决定的集体振动模，而不是通常光学方法测量 的电子结构或与单个化学键相关的振动模(局域模)。由于 蛋白质等生物大分子具有较高刚性的二级结构和相对柔性 的三级结构，THz光谱对于研究生物大分子的整体结构变 化具有独特的优势。
-
+
THz EM responses depends on electrical dipole moment and effective mass of the system
视紫红质Retinal分子的构像分析
All-trans 13-cis 9-cis
M.Walther, et al, Chem.Phys.Lett. 332, 389(2000)
时域透射光谱，时域反射光谱
样 品 入射脉冲A0(t) 出射脉冲As(t) 复介电常数() R() 复电导率() 吸收系数() 、折射率n()
As (t) A0 (t)
THz时间分辨光谱
可变延迟

泵浦脉冲
0.20 0.15
OD
0.10 0.05 0.00
飞秒时间分辨 的动力学过程
DOE-NSF-NIH Workshop on Opportunities in THz Science (February 12–14, 2004)
THz时域光谱测量系统(光物理实验室)
THz-TDS测量系统(光物理实验室)
一个典型THz脉冲波形的采集过程
E (a.u.)
Time (ps)
THz时域光谱分析
暑期凝聚态前沿系列讲座－物理所D-212, 2013.7.15
THz 波与物质相互作用的 物理和应用
中科院物理所 光物理实验室 汪 力
关于THz辐射
1 THz = 1012 Hz
THz辐射的频率落在微波和红外波段之间。它的产生 和探测，可以分别采取电子学和光子学技术。
THz Gap － 电磁波谱中有待深入研究的最后一段。
ps ps ps ps ps ps ps
8 7 6 5 4 3 -20 0 20 40 60 80 Delay Time (ps) 100 120
~ 20 ps
0
-4
0
1
2
Time (ps)
3
4
THz辐射信号和泵浦光强的关系
Peak Amplitude After Pump (a. u.)
8
T = 120 ps
2. GaAs表面和界面的载流子超快过程研究
利用泵浦－探测方法，研究光学激发下半导体表面/界面 的电子激发、驰豫，和耗尽层中电场的超快过程。
SI-GaAs在光泵浦下的THz辐射增强
Peak Amplitude (a. u.)
8
THz Field (a.u.)
4
T≤ 0 T = 0.8 T = 2.5 T = 4.0 T = 7.0 T = 30 T = 120
分子的整体结构变化具有独特的优势。
Information in THz Responses
Structure related response time scale in bio-molecules
(Opportunities in THz Science, Report of a DOE-NSF-NIH Workshop held February 12 – 14, 2004, Arlington, VA)
单壁碳纳米管的各向异性响应
90 Parallel o Left 15 Rotation o Right 15 Rotation 30
1.0
A
E
120
60
0.9
150
0.6
0.8
Signal(nA)
0.6
B C
0 60 120
D
F G
180 240 300
H
0.3
180 0
0.3 0.6
210 330
Amplitude (a.u.)
0.4
0.0
-0.4
0
60
120
180
240
300
360
Degree (rad)
Angle (deg.)
Enhancement of the modulation by Pulling
Enhancement of the modulation by Pumping
这些实验结果，支持纳米碳管薄膜中由texturing产生应力的假设。
超导器件中的二维电流场测量
YBa2Cu3O7- thin film
S.Shikii, et al, Appl.Phys.Lett. 74, 1317(1999)
集成电路的内部结构探测
Picture of chip
THz image of chip
B.B. Hu and M.C. Nuss, Optics Letters 20, 1716 (1995)
识别结构相近的不同生物大分子
a) b) c) d)
Benzoic acid 2-hydroxybenzoic acid 3- hydroxybenzoic acid 4- hydroxybenzoic acid
M.Walther, et al, Biopolymers(Biospectrosopy) 67, 310(2002)
6
4 0 20 40 60 80
Absorbed Pump Power (mW)
A carrier trapping mechanism by deep levels in SI-GaAs is proposed, based on which two independent fitting calculations from pump-probe time delay and pump power dependence data, respectively, produce the same trapping time of about 20 ps.
2 2 E ( x, y, z ) {E (k x , k y ,0) exp[ik 1 2 (k x ky ) z ] exp[ 2i(k x x k y y )]}dk x dk y
2 2 2 ( k x ky ) 1
远场辐射(不包含亚波长细节)
GaAs/Au界面的超快电场反转
对半绝缘GaAs及Au/GaAs
界面在近红外激发下的载
流子动力学过程开展了泵 浦-探测实验研究。阐明了 界面电场快速重新分布对 THz辐射过程产生的影响。
Shi YL, Wang L et al, Appl. Phys. Lett. 89, 81129(2006) Yulei Shi, Li Wang et al, Appl. Phys. Lett. 88, 161109(2006)
THz-TDS测量系统(物理所)
1. 单壁碳纳米管的光感生透明现象
Ref Pump Ref Pump
2
30
1.2
THz Signal(a.u.)
Amplitude (a.u.)
0
20
tpump/tref
1.0
10 -2
0.8
1
2
3
1
2
3
0
0.6
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Time (ps)
脉冲THz辐射的基本特性
(a) THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个 脉冲的频带可以覆盖从GHz直至几十THz的范围。 (b) THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可进行高时间分辨 的光谱分析。取样测量技术有效地抑制远红外背景辐射 噪音的干扰，辐射强度测量的信噪比可大于1010。 (c) THz 是一种相干辐射。现有的检测技术可以直接对 THz电场的振幅和位相进行独立测量。
(d) THz光子的能量只有几毫电子伏特，因此不容易破坏 被检测的物质。这一点对于生物样品测量非常有利。
物质在不同波段的电磁响应
可见光：通常为电子态激发，典型能量为eV量级， 具有很高的空间局域性(已有广泛研究) 红外光：体系的振动和转动激发，和体系在较小 尺度里的空间结构相关(开展的研究比较多) 太赫兹：典型量子化能量为meV，往往和大尺度 非局域的集体激发关联(很少研究)
Frequency (THz)
Frequency (THz)
这种碳管薄膜的介电性质可以由一个二元模型来描述。
在光学激发下，电子密度和洛仑兹振子强度的增加和两者对 介电函数贡献的反号，导致了所观察到的结果。
X.L.Xu, Li Wang, et al, Chem.Phys.Lett. 410, 298 (2005)
应用于无标记基因诊断
样品：vector pcDNA3

合集下载

太赫兹原理及应用

太赫兹原理及应用


THz在安全检查上的应用
报纸
尖刀 !!
二. THz在无损检测中的应用
使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因
三.THz 在医学中的 应用
mm
电光信号 (nA)
标准照片 Standard photo
THz 成像 THz Imaging
00 0
5
10
15
20
肿瘤 a tumor
25 05
10 15 20 25 mm
THz辐射主要应用领域
生物医学 安全检查 工业无损检测 空间物理和天文学 环境监测 化学分析 军事和通信领域
一、THz 在国家安全、反恐方面的作用
由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张 和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而 且能够根据物质的THz“指纹谱”，对物质进行识 别，所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非 接触安全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面 受到了反恐、保安和海关检查等部门的高度重视。
（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射 有强烈的吸收。
（五）瞬态性： THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量 技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小 于3THz时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红 外光谱技术，而且其稳定性更好。
（六）宽带性：
THz脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单 个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围， 便于在大的范围里分析物质的光谱性质。
五. THz 技术在国防上的重要作用。
● THz 雷达可成为未来高精度雷达的发展方向:
由于 THz 波比通常微波的频率更高,在远程军事目 标探测、显示前方烟雾中的坦克、远距离成像、多光 谱成像等方面有重要的应用, 能够探测比微波雷达更小 的目标和实现更精确的定位，具有更高的分辨率和更
物理实验技术中的太赫兹光谱与应用方法

物理实验技术中的太赫兹光谱与应用方法

物理实验技术中的太赫兹光谱与应用方法太赫兹光谱是近年来兴起的一种新兴的光谱技术，它在物理实验技术中被广泛应用。

太赫兹光谱具有独特的特性和广阔的应用前景，对材料分析、生物医学、安检等领域有着重要的意义。

太赫兹光谱是指在红外光和微波之间的电磁辐射波段。

它的频率范围在0.1 THz到10 THz之间，对应的波长为3000 μm到30 μm。

太赫兹波能够穿透大多数非金属物质，而且对生物组织和一些材料有很强的穿透力，使得它具有独特的分析特性和应用潜力。

太赫兹光谱被广泛应用于材料分析领域。

由于太赫兹波能够穿透大部分材料，所以它可以用来检测材料的内部结构和成分。

通过对物质的吸收、反射和透射谱进行分析，可以得到物质的分子振动信息和晶格结构等重要参数。

这对于研究新材料的性质以及监测材料的质量和完整性具有很大的意义。

近年来，太赫兹光谱已经在纳米材料、高分子材料、半导体材料等领域取得了一系列重要的研究成果。

太赫兹光谱在生物医学领域也有着广泛的应用。

由于太赫兹波对生物组织的穿透力强，且对生物组织没有明显的损伤作用，所以它被广泛用于研究和监测生物体内的结构和功能。

通过太赫兹光谱技术，可以实现对生物组织中分子振动和电荷传输等信息的获取，有助于研究生物分子的结构和相互作用机制，为新药研发和疾病诊断提供新的思路和方法。

目前，太赫兹光谱已在肿瘤检测、蛋白质结构分析等领域有所突破，为生物医学研究带来了新的机遇。

太赫兹光谱在安检领域也有着重要的应用价值。

传统的安检设备主要依靠X射线和金属探测器进行检测，但是这些设备在液体、物质表面缺陷等方面存在一定的局限性。

太赫兹光谱作为一种新兴的安检技术，能够实现对物体内部的检测和成分分析，从而提高安检的准确性和效率。

利用太赫兹光谱技术，可以检测到常规方法无法察觉的炸药、毒品等危险物质，为保障公共安全提供了新的手段和工具。

太赫兹光谱在实验技术中的应用主要基于太赫兹辐射的产生和检测。

太赫兹辐射的产生一般采用光脉冲与物质相互作用后的电磁波转换机制，如光学短脉冲激发等。

太赫兹技术应用

太赫兹技术应用

太赫兹技术应用的实际应用情况引言太赫兹技术是指在太赫兹频段（0.1-10 THz）进行研究和应用的一种新兴领域。

太赫兹波是介于红外线和微波之间的电磁波，具有高穿透力、非离子性和无辐射危害等特点。

近年来，太赫兹技术在多个领域得到了广泛的应用，包括材料科学、生物医学、安全检测等。

本文将详细描述太赫兹技术在这些领域中的应用背景、应用过程和应用效果。

一、材料科学领域中的太赫兹技术应用1. 应用背景材料科学是太赫兹技术最早被应用的领域之一。

传统的材料性能测试方法往往需要对样品进行破坏性测试或使用昂贵复杂的设备，而太赫兹技术可以通过非接触式测量手段实现对材料内部结构和性能的快速准确分析。

2. 应用过程太赫兹技术在材料科学中的应用过程通常包括以下几个步骤： #### a. 信号发射与接收通过太赫兹源产生太赫兹波，并使用太赫兹探测器接收反射、透射或散射的信号。

这些信号包含了材料的特征信息。

#### b. 数据处理与分析对接收到的信号进行数据处理和分析，提取有用的信息。

常用的方法包括时域分析、频域分析、图像重建等。

#### c. 结果展示与解释将处理和分析得到的数据结果进行展示，并根据结果解释材料的性能和结构。

3. 应用效果太赫兹技术在材料科学中的应用效果主要体现在以下几个方面： #### a. 材料成分分析太赫兹技术可以快速准确地检测材料中不同成分的存在和含量，例如聚合物、金属、陶瓷等。

这对于材料研发和质量控制具有重要意义。

#### b. 材料缺陷检测太赫兹技术可以探测材料中微小缺陷，如裂纹、气泡等。

这对于材料的评估和改进具有重要意义。

#### c. 材料性能表征太赫兹技术可以测量材料的电磁性能，如介电常数、导电率等。

这对于材料的设计和优化具有重要意义。

二、生物医学领域中的太赫兹技术应用1. 应用背景生物医学领域是太赫兹技术应用的另一个重要领域。

太赫兹波在生物组织中具有较好的穿透力，同时对水分子有较强的吸收作用，因此可以用于非侵入式地探测和诊断生物组织。

太赫兹技术各种应用

太赫兹技术各种应用

太赫兹技术各种应用太赫兹技术各种应用“Terahcrtz”一词是弗莱明(Fletning)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。

太赫兹频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，THz波又被称为T-射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域，长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THzGap)THz波具有很多独特的性质，从频谱上看，THz辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间;在电子学领域，THz辐射被称为毫米波或亚毫米波;在光学领域，它又被称为远红外射线，从能量上看，THz波段的能量介于电子和光子之间。

THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注，美国、欧洲和日本尤为重视。

2004年美国技术评论(TechonlogyReview)评选“改变未来世界十大技术”时，将THz技术作为其中的紧迫技术之一。

2005年日本政府公布了国家10大支柱技术发展战略规划，THz位列首位。

一、THz波的特性THz波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域.在长波方向，它与毫米波有重叠;在短波方向，它与红外线有重叠;在频域上，THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。

由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质:1、THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于)THz电磁波时域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点;2、THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从CHz至几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱性质;3、THz波的相干性源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。