太赫茲光譜技術(shù)簡單介紹及應(yīng)用詳解_太赫茲與物質(zhì)的相互作用

1、太赫茲介紹

太赫茲（THz）輻射通常指的是頻率在0．1THz一10THz（波長在30m～3mm）之間的電磁波，其波段在微波和紅外光之問，屬于遠(yuǎn)紅外波段．有著豐富的物理和化學(xué)信息。同時(shí)，THz輻射的優(yōu)點(diǎn)決定了它在很多方面可以成為傅立葉變換紅外光譜技術(shù)和x射線技術(shù)的互補(bǔ)技術(shù)，使THz電磁波在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用及軍事應(yīng)用領(lǐng)域有相當(dāng)重要的應(yīng)用。隨著THz技術(shù)的發(fā)展，THz技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地拓寬，它在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子學(xué)、農(nóng)業(yè)及其它領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用潛力。目前，世界上許多研究機(jī)構(gòu)相繼開展了THz技術(shù)的深入研究，并且已取得了很多重要的進(jìn)展。

THz脈沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有很多獨(dú)特的性質(zhì)：

（1）瞬態(tài)性：THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級，不但可以方便地進(jìn)行時(shí)間分辨的研究。而且通過取樣測量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪音的干擾。目前，輻射強(qiáng)度測量的信噪比可大于l0m。

（2）寬帶性：THz脈沖源通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)脈沖的頻帶可覆蓋從GHz至幾十THz的范圍。

（3）相干性：THz的相干性源于其產(chǎn)生機(jī)制，它是由相干電流驅(qū)動(dòng)的偶極子振蕩產(chǎn)生．或是由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻變換產(chǎn)生。

（4）低能性：THz光子的能量只有毫電子伏特，因此不容易破壞被檢測的物質(zhì)。

2、太赫茲與物質(zhì)的相互作用

1）基本原理

目前研究太赫茲和物質(zhì)相互作用一般采用里得伯原子模型（Rydbergatom），該模型中原子的電子具有很高的主量子數(shù)。

圖1所示為只有一個(gè)價(jià)電子的里德伯原子模型的示意圖。

圖1里德伯原子模型簡圖

里德伯原子模型采用波爾半徑經(jīng)典原子理論來　　描繪核外電子的運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為核外電子繞核運(yùn)動(dòng)，其角動(dòng)量是量子化的。電子只能在量子化的特定軌道上運(yùn)動(dòng)，并且具有特定的量子化的能級。

相比于紅外和可見光，太赫茲的頻率很低．光子的能量也非常小。在里德伯原子模型中。如果主量子數(shù)n=lO0，電子離核的距離n2ao1m，對應(yīng)的偶極矩dR=nZeaol0D，這個(gè)尺度比常見的極性分子CO和HO大了好幾個(gè)數(shù)量級。此時(shí)的結(jié)合能En—lmeV，和太赫茲光子的能量相當(dāng)。所以太赫茲光子適合于和大的偶極矩和小結(jié)合能特征的里德伯原子相互作用。

2）太赫茲與水的相互作用

由于水對開展太赫茲光譜的使用具有特別重要的的影響，所以，需要盡可能地詳細(xì)研究水和太赫茲的相互作用圜。圖2所示為水和冰在不同溫度下太赫茲波段介電常數(shù)實(shí)部和虛部的譜分布。

圖2水和冰在不同溫度下太赫茲波段介電常數(shù)實(shí)部和虛部的譜分布

液態(tài)水的介電響應(yīng)是由若干物理過程決定的，最主要的過程是由兩種分子弛豫過程決定，一種是快弛豫過程（10fs弛豫時(shí)間），一種是慢弛豫過程（1Ops弛豫時(shí)間）。慢弛豫過程和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)，快弛豫過程目前還沒有研究清楚。另外水分子中強(qiáng)氫鍵相互作用也很明顯。分子中的伸縮在5．6THz處有共振響應(yīng)，并具有很寬的譜線寬度。

圖3室溫下，水的折射率譜和吸收系數(shù)譜

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