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- 内容简介
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本书以太赫兹技术最有优势、近年来得以快速发展的三个应用领域——成像、传感及通信为需求牵引，对太赫兹技术应用所涉及的基础知识、最新技术进展和材料研发现状，以及多个行业的应用情况进行了较为全面的介绍。本书分为三大部分，共22章。第一部分对成像、传感及通信太赫兹技术的相关基础给予了权威性的介绍，讨论了太赫兹波的产生、发射和检测，以及表面等离激元、太赫兹近场成像与传感、室温太赫兹探测器和太赫兹无线通信的相关
基础。第二部分讨论了太赫兹技术的最新进展及一些新颖的技术，例如，太赫兹生物传感、阵列成像仪以及太赫兹波谐振场增强技术，并综述了光纤耦合太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）、太赫兹光混频系统、太赫兹纳米技术、太赫兹频率计量及半导体材料研制进展等。第三部分探讨了太赫兹技术的相关应用，包括其在层析成像、材料光谱分析、航空航天工业、木制品、艺术品保护等医药行业方面的应用。
目录
第一部分 太赫兹成像、传感及通信技术基础18
第1章 用于太赫兹波产生及检测的光电技术19
1.1 引言19
1.1.1 太赫兹源技术19
1.1.2 光电太赫兹源20
1.2 太赫兹探测器技术21
1.2.1 零差探测器21
1.2.2 外差探测器21
1.2.3 光电探测器22
1.3 太赫兹光导天线产生太赫兹信号22
1.3.1 连续波模式23
1.3.2 脉冲模式25
1.3.3 库仑屏蔽效应和辐射屏蔽效应26
1.4 太赫兹光导天线探测太赫兹信号26
1.4.1 连续波模式26
1.4.2 脉冲模式27
1.4.3 连续波模式与脉冲模式的对比27
1.5 非线性晶体中的参量互作用28
1.6 非线性晶体中的差频混频29
1.7 结论31
1.8 参考文献31
第2章 太赫兹波在塑料波导中的传输与传播37
2.1 引言37
2.2 基于塑料的太赫兹光纤光学的主要挑战37
2.2.1 损耗38
2.2.2 色散41
2.2.3 亚波长光纤的封装42
2.3 基于亚波长光纤的器件44
2.3.1 基于光纤的太赫兹成像45
2.3.2 定向耦合器和无损切断技术45
2.4 空芯光纤48
2.4.1 反谐振反射光纤48
2.4.2 布拉格光纤49
2.5 太赫兹复合材料53
2.6 太赫兹波导的实验表征55
2.7 结论56
2.8 致谢58
2.9 参考文献58
第3章 太赫兹表面等离激元基础62
3.1 引言62
3.2 Drude模型63
3.3 平面上的表面等离激元65
3.3.1 色散65
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68
3.4 多层结构71
3.4.1 薄层中的长程及短程表面等离激元71
3.5 太赫兹等离激元的新趋势74
3.5.1 穿孔金属上设计的表面等离激元75
3.5.2 局域表面等离激元75
3.6 致谢76
3.7 参考文献76
第4章 太赫兹近场成像及传感基础83
4.1 引言83
4.1.1 近场和远场83
4.1.2 感生电偶极矩和感生磁偶极矩的辐射84
4.2 太赫兹近场测量85
4.3 不同亚波长孔的近场88
4.3.1 圆孔近场成像88
4.3.2 圆孔的有效偶极矩89
4.3.3 方孔近场成像91
4.3.4 矩形孔近场成像91
4.3.5 矩形孔（纳米级宽度）近场成像94
4.4 基尔霍夫近场估算公式95
4.4.1 基尔霍夫公式和近场与远场间关系95
4.4.2 纳米狭缝和纳米天线的近场估算96
4.5 结论99
4.6 参考文献100
第5章 太赫兹场效应管105
5.1 引言105
5.2 低维结构中的等离子体波105
5.2.1 体等离子体波106
5.2.2 二维（2D）电子气106
5.2.3 栅控2D电子气107
5.2.4 线中的等离子体波107
5.3 直流场效应晶体管稳态的不稳定性108
5.3.1 倾斜模式和边缘发射109
5.4 FET检测太赫兹辐射110
5.4.1 高频体制110
5.4.2 低频体制111
5.4.3 特征长度111
5.4.4 非线性机制112
5.4.5 简化理论112
5.4.6 现象学方法113
5.5 FET的太赫兹辐射研究114
5.5.1 回旋共振光谱仪114
5.5.2 傅里叶变换光谱仪115
5.5.3 太赫兹发射阈值115
5.5.4 边缘发射115
5.5.5 可调发射116
5.5.6 讨论117
5.6 FET太赫兹检测的实验研究118
5.6.1 实验装置118
5.6.2 光响应建模118
5.6.3 栅极漏电流119
5.6.4 温度依赖性119
5.6.5 负载效应120
5.6.6 最优长度选择120
5.6.7 硅FET太赫兹检测121
5.6.8 室温成像122
5.6.9 谐振检测122
5.6.10 谐振谱线展宽124
5.6.11 沟道窄化124
5.6.12 电流窄化124
5.6.13 强磁场研究125
5.7 结论126
5.8 致谢126
5.9 参考文献126
第6章 太赫兹无线通信130
6.1 引言130
6.2 太赫兹无线通信的发展动因130
6.3 通信中的大气传输132
6.3.1 太赫兹辐射的方向性132
6.3.2 闪烁对链路的恶化133
6.3.3 包括雾、雨及雪在内的大气和自由空间衰减134
6.4 太赫兹通信信道建模136
6.4.1 室内136
6.4.2 卫星-卫星/卫星-地面138
6.4.3 隐蔽战场141
6.5 太赫兹通信硬件：源和检测器143
6.5.1 光电143
6.5.2 微波倍频器146
6.5.3 量子级联激光器147
6.5.4 太赫兹集成电路148
6.6 太赫兹调制器149
6.6.1 决定于太赫兹发生器的调制方式149
6.6.2 肖特基二极管混频系统149
6.6.3 独立于太赫兹发生器的调制方式151
6.6.4 用于太赫兹波束整形和控制的调制器151
6.7 太赫兹信号调制格式153
6.8 太赫兹通信系统实例153
6.8.1 太赫兹光电通信系统154
6.8.2 MMIC集成电路系统157
6.8.3 量子级联激光器系统158
6.8.4 微波倍频系统158
6.9 太赫兹通信链路上的雨、雾和大气闪烁的实验表征159
6.10 未来趋势164
6.11 更多参考信息165
6.12 致谢165
6.13 参考文献165
第二部分 太赫兹技术最新进展173
第7章 太赫兹生物传感技术174
7.1 引言174
7.2 太赫兹传感水动力学174
7.3 蛋白质传感175
7.4 依赖结合态的传感177
7.5 太赫兹频段的生物分子特征谐振178
7.6 水介导太赫兹分子成像180
7.7 结论180
7.8 致谢180
7.9 参考文献181
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184
8.1 引言184
8.2 阻性混频——准静态分析185
8.3 等离子体混频——流体动力学分析186
8.3.1 器件模型187
8.3.2 阻性混频机制187
8.3.3 分布式阻性自混频体制188
8.3.4 等离子体混频体制190
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192
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192
8.4.2 CMOS天线的集成193
8.4.3 探测器设计和实现194
8.5 场效应管探测器的表征和优化195
8.5.1 电学和光学响应率196
8.5.2 噪声等效功率（Noise-Equivalent Power，NEP）197
8.5.3 响应时间198
8.5.4 阻抗匹配和调谐的局限198
8.5.5 一种器件表征方法199
8.5.6 MOSFET太赫兹探测器结果199
8.5.7 电流偏置响应率的增强201
8.6 太赫兹相机的发展202
8.6.1 一个50像素的阵列202
8.6.2 10千像素虚拟相机的直接实时成像仿真203
8.6.3 使用10千像素虚拟相机仿真的实时相干成像204
8.7 太赫兹成像的其他焦平面技术概述206
8.8 致谢207
8.9 参考文献207
第9章 亚波长等离子体结构中的太赫兹谐振场增强211
9.1 引言211
9.2 太赫兹频率下表面等离激元的基本原理212
9.3 太赫兹波通过金属孔阵列的异常传输212
9.3.1 通过光学薄金属孔径阵列的谐振传输特性213
9.3.2 与金属介电常数相关的表面波传输特性215
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217
9.4 太赫兹表面等离激元的有源控制219
9.4.1 硅光子晶体到金属孔径阵列的有源变换219
9.4.2 具有超材料属性的混合等离子开关器件222
9.4.3 超导等离子体223
9.5 结论226
9.6 参考文献226
第10章 光纤耦合太赫兹时域光谱系统229
10.1 引言229
10.2 光纤导波232
10.3 实验布局及系统特征234
10.3.1 非线性效应238
10.3.2 组件，测量头和系统239
10.3.3 系统表征240
10.4 基于光纤的太赫兹系统测量结果241
10.4.1 角度相关性测试241
10.4.2 在脉冲磁场下的回旋共振的高速测量243
10.4.3 光纤耦合单片集成电路衰减全反射（ATR）传感器244
10.5 光纤耦合太赫兹时域光谱与其他系统及技术的对比246
10.5.1 基于光纤的脉冲系统——Picometrix Inc246
10.5.2 1.5μm泵浦波长下的脉冲系统247
10.5.3 光纤连续波（CW）系统249
10.6 未来趋势及结论250
10.7 参考文献250
第11章 最新的太赫兹连续波光混频系统253
11.1 引言253
11.2 连续波发射机和探测器技术254
11.2.1 砷化镓器件255
11.2.2 InGaAs/InP器件260
11.3 相干信号检测264
11.3.1 光电调制器的相位变化266
11.3.2 在光纤拉伸器中的相位变化266
11.3.3 在控制频率步长相位变化267
11.4 激光源268
11.4.1 小节双分布反馈激光器（DFB）268
11.4.2 双模和多模激光二极管270
11.4.3 双波长光学参量振荡器272
11.5 光混频连续波太赫兹系统选定的应用273
11.5.1 痕量气体检测273
11.5.2 固体的频谱分析274
11.5.3 成像275
11.6 结论277
11.7 致谢277
11.8 参考文献277
第12章 太赫兹近场成像及传感的新技术287
12.1 引言287
12.2 最新太赫兹近场方法288
12.3 新型微加工太赫兹近场探针289
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292
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294
12.6 用于光伏材料检测的自由载流子浓度高分辨成像298
12.7 结论及未来趋势301
12.8 参考文献301
第13章 太赫兹纳米器件与纳米系统307
13.1 引言307
13.2 纳米级太赫兹探测器307
13.2.1 超导体与半导体308
13.2.2 碳纳米管308
13.3 太赫兹近场成像仪313
13.3.1 太赫兹近场成像313
13.3.2 集成太赫兹近场成像仪315
13.4 结论318
13.5 致谢318
13.6 参考文献318
第14章 太赫兹集成器件与系统322
14.1 太赫兹集成生物传感器芯片322
14.1.1 传输线传感器322
14.1.2 传输线传感器的结构与设计323
14.1.3 太赫兹生物传感芯片的实验与结果324
14.2 集成贴片天线的太赫兹振荡器326
14.2.1 太赫兹半导体振荡器326
14.2.2 RTD振荡器设计326
14.3 共振隧穿二极管结果与讨论327
14.4 参考文献329
第15章 基于频率梳技术的太赫兹频率计量332
15.1 引言332
15.2 频率梳相干频率链接333
15.3 太赫兹梳参考频谱分析仪334
15.3.1 工作原理335
15.3.2 实验装置336
15.3.3 测试结果337
15.4 光频梳参考太赫兹频率综合器339
15.4.1 工作原理340
15.4.2 实验装置341
15.4.3 实验结果343
15.5 太赫兹梳参考频谱测量仪345
15.5.1 工作原理346
15.5.2 实验装置347
15.5.3 测试结果347
15.6 结论及未来趋势349
15.7 参考文献349
第16章 太赫兹应用半导体材料的发展352
16.1 引言352
16.1.1 太赫兹辐射352
16.2 宽带脉冲太赫兹辐射的产生与探测353
16.3 光混频技术产生连续太赫兹辐射355
16.4 半导体光导材料356
16.4.1 低温GaAs356
16.4.2 ErAs：GaAs超晶格360
16.4.3 LT-In0.53Ga0.47As-In0.52Al0.48As361
16.4.4 ErAs：In0.53Ga0.47As-In0.52Al0.48As365
16.5 结论365
16.6 致谢366
16.7 参考文献366
第三部分 太赫兹技术的应用370
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371
17.1 引言371
17.2 层析成像技术的应用372
17.2.1 计算机辅助层析成像技术372
17.2.2 飞行时间层析成像技术374
17.3 粉末状化学制品的定量分析377
17.4 结论381
17.5 参考文献382
第18章 太赫兹技术在航空航天工业中的应用383
18.1 引言383
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384
18.2.1 理论与实验385
18.2.2 结果与讨论386
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389
18.3.1 理论与实验390
18.3.2 结果与讨论391
18.4 航空应用中的太赫兹连续波无损成像398
18.4.1 理论与实验398
18.4.2 结果与讨论400
18.5 玻璃纤维强化塑料无损成像对比402
18.5.1 实验过程402
18.5.2 比较405
18.6 结论406
18.7 参考文献407
第19章 太赫兹技术在木制品行业中的应用409
19.1 引言409
19.2 概述410
19.3 木材的结构和形态412
19.3.1 软木412
19.3.2 硬木412
19.3.3 木材的化学成分413
19.4 木材的远红外特性414
19.5 太赫兹频段木材特性检测421
19.6 定向刨花板行业中的太赫兹传感422
19.6.1 OSB工艺422
19.6.2 OSB工业的挑战423
19.6.3 太赫兹方法423
19.6.4 结论425
19.7 未来趋势426
19.8 参考文献427
第20章 太赫兹技术在医药行业中的应用430
20.1 引言430
20.2 太赫兹时域光谱技术：光谱装置与分析431
20.2.1 光谱装置431
20.2.2 样品制备和数据分析433
20.3 太赫兹时域光谱技术：识别、量化及分析435
20.3.1 多晶型和水合物的识别和量化436
20.3.2 固态相变分析437
20.4 太赫兹时域成像技术：成像装置与分析439
20.4.1 成像装置439
20.4.2 数据分析和解释440
20.4.3 药片和包衣的性能分析441
20.5 太赫兹时域成像技术：过程监控、光谱成像及化学映射443
20.5.1 制药过程监控443
20.5.2 光谱成像和化学映射445
20.6 结论及未来趋势447
20.7 致谢448
20.8 参考文献448
第21章 太赫兹技术在艺术品保护中的应用454
21.1 引言454
21.1.1 文物科学中的太赫兹空隙454
21.1.2 太赫兹波的优点455
21.2 太赫兹波用于材料分析455
21.2.1 谱数据库455
21.2.2 实物的太赫兹光谱学456
21.2.3 案例研究457
21.3 太赫兹波用于艺术品内部结构观测457
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457
21.3.2 THz-TDS系统应用案例457
21.4 太赫兹技术的未来发展：一种文物科学研究工具458
21.5 参考文献459
第22章 太赫兹技术在半导体行业中的应用460
22.1 引言460
22.1.1 电-光太赫兹脉冲反射仪（EOTPR）原理461
22.2 电-光太赫兹脉冲反射仪特性463
22.2.1 分辨率464
22.2.2 上升时间464
22.2.3 信噪比（SNR）464
22.2.4 测量范围464
22.2.5 波形解读465
22.3 电-光太赫兹脉冲反射仪用于故障分析的实例466
22.3.1 凸点连接错位466
22.3.2 介质破裂所致断路故障467
22.3.3 non-wet凸点468
22.3.4 基底短路/泄漏故障468
22.4 结论及未来趋势469
22.5 参考文献470
