基于光子混频连续太赫兹波的厚度检测

为了将光子混频的连续太赫兹波透射成像系统应用于样品厚度检测中,采用该系统获得的相位信息对样品进行了2维厚度测量。利用两个外腔半导体结构的激光器搭建了基于光子混频的连续太赫兹波透射成像系统,并利用X-Y 2维电动平移台放置样品进行点点扫描成像。该系统可同时获得样品的幅度信息和相位信息,在太赫兹波辐射频率0.47THz时,系统信噪比可达68dB。计算得出的厚度值与实际样品的厚度值最大相差0.02mm;另外还分析了平行平面样品干涉效应和样品不同透射强度对厚度测量的影响。结果表明,样品折射率越高,平行平面干涉效应对厚度测量影响越大;样品透射系数越大,测量精度也越高。当样品太赫兹波透射系数大于0.5时,厚度测量精度优于2.0%。     

基于修正自相关算法的THz-TDS聚乙烯测厚反卷积算法

在聚乙烯材料管道生产制造过程中,管道厚度精确测量是影响管道生产质量的一个重要技术问题,太赫兹非金属厚度透射测量过程中,通过测量两次透射信号的光程时间差与材料折射率计算得到样品厚度参数,为了准确提取两次透射信号的光程时间差值,需要对原始时域信号进行信号表征。通过高斯滤波反卷积得到脉冲响应函数表征时域信号已经成为了一种成熟且有效的技术手段。但一方面由于太赫兹波在聚乙烯材料中的传播存在明显的频散现象,同时其透射率高回波信号较弱,导致信噪比较低,在脉冲响应函数提取过程中放大了干扰信号的比重,造成信号失真、淹没,无法准确提取信号。本文通过对带通滤波后的时域信号采用修正型自相关算法进行自相关性分析,再结合高斯滤波反卷积运算,得到改进后的脉冲响应函数。旨在解决太赫兹非金属测量领域时域信号表征问题。改进算法实验结果显示加强了信号的清晰度,解决了因杂波信号干扰造成的脉冲响应信号失真或淹没情况,显著提高了脉冲响应信号信噪比。     

基于频率选择平面的太赫兹波调制模拟

太赫兹波调制器是太赫兹通信的一个重要器件。利用介质折射率影响频率选择平面的透射峰,可以实现对太赫兹波强度透过率的调制。利用有限元法对该结构的调制性能进行模拟分析,在3.12 THz附近50 V电压下,实现了50%的强度调制。并进一步分析了该调制结构的调制机理。     

太赫兹光谱分析中用误差理论确定样品厚度的研究

太赫兹（1 THz=1012 Hz）时域光谱作为一种新型的光谱探测技术,被广泛用来研究各种材料在远红外频谱范围内的光学特性。在太赫兹透射光谱分析中,多数情况下需要知道被测样品的厚度,才能准确提取样品的光学参数。然而,有些样品的厚度不宜测量准确甚至不能直接测量。文中介绍和讨论了利用误差理论给出了准确确定样品厚度的同时提取样品的太赫兹波段光学参数的方法,该方法可以广泛应用于该类样品的太赫兹透射谱分析过程。     

氧化铝晶体的太赫兹光谱特性研究

利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术研究了氧化铝(Al_2O_3)在宽带太赫兹波范围(0.2～3.0 THz)内的光谱特性。改变晶体光轴与太赫兹脉冲偏振方向间的夹角(方位角),得到了Al_2O_3晶体在不同方位角下的太赫兹时域谱,计算了Al_2O_3晶体o光和e光的折射率和吸收系数,并画出了Al_2O_3晶体在太赫兹波段的折射率椭圆图。结果表明,Al_2O_3在太赫兹频段具有较大的双折射率和较低的吸收系数,双折射率高达0.36,吸收系数低于5 cm~(-1)。基于Al_2O_3晶体的双折射特性实现了对THz脉冲的相位和振幅的调制。Al_2O_3晶体可以作为THz脉冲的"整形器",为太赫兹波在超宽带、超高速通信系统的应用提供重要参考。     

基于太赫兹反射谱提取光学参数不确定度分析

利用太赫兹光谱技术计算物质的光学参数已成为各领域的研究重点。由于太赫兹系统以及算法提取过程依然存在缺陷,无法实现对物质光学参数的精确测量。为提高光学参数的测量准确度,对反射式太赫兹时域光谱系统进行全面的不确定度分析。首先分析了基于太赫兹反射时域光谱提取光学参数、折射率和消光系数的7种误差来源,并分别建立了折射率和消光系数的不确定度模型;然后,以葡萄糖多晶薄片样品为例,计算其在0.2~2.0 THz频段的折射率和消光系数的各种误差因素占综合不确定度的比例,总结误差因素对不确定度的贡献。其中,样品厚度测量的随机误差对折射率的影响最大,占总误差的80%;传递函数误差对消光系数的影响最大,占总误差的99%。最后,对减小折射率和消光系数的不确定度提出了建议,如采用自参考方法提取光学参数,采用智能优化算法对样品厚度和光学参数进行优化,修正Fabry-Perot效应等。     

太赫兹脉冲能量测量

利用太赫兹波的单啁啾脉冲电光探测技术,通过调节实验装置中λ/4波片晶轴与探测激光线偏振方向成45°,可以巧妙地得到太赫兹波的绝对电场强度.利用CCD阵列,通过抽运探测的方法可以得到太赫兹脉冲的光斑尺寸,进而在两步实验的基础上计算得到太赫兹脉冲的能量.提供了一种行之有效的测量太赫兹脉冲能量的实验方案.     

利用太赫兹时域光谱同时确定样品厚度和折射率

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术给人们提供了一种快速和准确地确定材料在太赫兹波段光学参数的工具。由于材料的厚度对其折射率的提取精度影响很大,而材料的厚度通常不能够准确地测量,为了避免测量厚度误差给确定光学参数结果带来的影响,发展能够同时确定样品的厚度和折射率的方法至关重要。由于材料内部的往返反射信号较弱,对Duvillaret等提出的方法在计算频段和迭代算法上进行了一些改进,使得计算结果更加准确,操作更加方便、快捷。并对两种典型材料聚乙烯和硅片的厚度和折射率进行了提取,以验证这种方法的有效性。     

石英玻璃太赫兹光学参数测量的误差分析

测量液体或气体样品的太赫兹光学参数时,常采用石英玻璃作为容器,因此在计算样品的折射率和吸收率时需要考虑石英玻璃太赫兹光学参数的影响。文中利用太赫兹时域谱技术测量了石英玻璃的太赫兹时域光谱,根据测量模型计算了太赫兹波段的折射率和吸收率,并利用误差传播理论分析了这些光学参数的误差。结果发现折射率误差在0.2~2.0 THz范围内基本保持不变,而吸收率误差则随频率增大而呈指数增大。这对于提高测量石英玻璃容器中的气体及液体样品太赫兹光学参数的准确性具有重要价值。     

太赫兹时域光谱技术用于准确快速地提取薄片的光学参数

由于太赫兹辐射能量低并且脉冲宽度窄（皮秒量级）,太赫兹时域光谱技术作为一种提取材料光学参数的新兴光谱分析手段具有无损伤和高时间分辨率的特点。法布里-珀罗震荡是透射模式太赫兹时域光谱提取薄片的光学参数的主要障碍。为了即时地滤除法布里-珀罗震荡以获得薄片准确的光学参数提出了一种可靠的方法。该方法为每一片测量样品实时地设计其独有的带阻滤波器以滤除叠加在折射率和吸收系数的初始值中的法布里-珀罗震荡。同时不同掺杂的硅片和氨基酸薄片的实验结果证实了该方法的可行性。     

Terahertz Detection Based on Spectral-Domain Interferometry Using Mach-Zehnder Interferometer

We demonstrate the use of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) to improve the performance of terahertz electric field measurements based on spectral-domain interferometry. The interferometer is introduced into the probe beam line to improve the temporal overlap between the two probe pulses. The probe pulse in the sample arm of the interferometer passes through the detection crystal and overlaps with the terahertz pulse, while the probe pulse in the reference arm does not. We measure the phase change between spectral components of these two pulses using spectral-domain interferometry. Using this new technique, we enable an unlimited temporal scanning window without the loss in the signal-to-noise ratio, thus overcoming the major limitation of conventional spectral-domain interferometry techniques for terahertz electric field detection.     

太赫兹波在介质中传播的FDTD分析

时域有限差分法是电磁场领域中应用最为频繁的数值方法之一,它可以有效地处理复杂媒质中颗粒对电磁脉冲信号的散射问题,以及超宽带电磁脉冲信号在色散媒质中的传播问题。几乎所有介质,无论其在太赫兹（THz）波段是否有吸收峰,对太赫兹波的传播都有影响。研究太赫兹波在介质中的传播情况,对优化太赫兹系统,分析与设计太赫兹应用技术有重要意义。本文模拟了太赫兹波在散射介质中的传播,说明了太赫兹波在内弹道干涉测速应用中的可能性;模拟了太赫兹脉冲在色散介质中的传播情况,为太赫兹时域光谱系统中晶体选择提供依据。     

The Polarization and Efficiency of the Terahertz Pulses Generated by Tilted-Pulse-Front Pumping Scheme

Optical rectification of laser pulses in LiNbO₃ by tilted-pulse-front pumping(TPFP) is a powerful way to generate terahertz(THz) pulses. However, comprehensive theoretical analysis is still lack. In this work, we first established and presented a detailed theoretical model for TPFP scheme, which then was used to analyze the pump beam polarization dependent terahertz pulses generated by this scheme. The terahertz pulses polarization and generation efficiency for various pump beam polarization angle were investigated by using nonlinear susceptibility tensor of LiNbO₃ crystal. The results indicate that one can change the polarization state of the terahertz pulse by changing the pump beam polarization.     

The effect of laser chirping on lightwave system performance

Directly modulated semiconductor lasers exhibit a dynamic wavelength shift (chirping) arising from gain-induced variations of the laser refractive index. The effect of laser chirping on the performance of multi-Gb/s lightwave systems operating at a wavelength of 1550 nm is investigated. Models suitable for computer-aided analysis are used to describe the dynamic response of the laser and the propagation of chirped optical pulses through a step-index single-mode optical fibre. A truncated pulse train, Gauss quadrature rule method is used to evaluate the average bit error rate of the receiver. This permits pattern effects in the transmitted optical waveform due to the laser dynamics and nonlinear optical power transmission properties of optical fibers to be included in the system model. The influence that modulation and device parameters have on the receiver sensitivity is assessed     

Comparative Study of Material Parameter Extraction Using Terahertz Time-Domain Spectroscopy in Transmission and in Reflection

As no terahertz signal is transmitted through opaque materials, reflection terahertz time-domain spectroscopy is obviously the dedicated setup. On the other hand, optical properties of transparent and thick samples are extracted more accurately with transmission terahertz time-domain spectroscopy. In this paper, we report the intrinsic frontier above or below which it is preferable to use either reflection or transmission setup for probing with the best accuracy possible a given sample.     

不等光程法太赫兹波段材料光学参数的精确测量

近20年,太赫兹科学技术发展迅速,太赫兹波与物质之间的相互作用成为研究热点。理论推导并实验验证了一种提高太赫兹波段材料折射率、吸收系数等参数测量精度的方法。以两种厚度的高密度聚乙烯板（3.5 mm、5.0 mm）为样品,将不等光程测量法与常规太赫兹时域光谱测量方法进行比较,分别获得了0.5~2.5 THz频率范围的高密度聚乙烯的折射率和吸收系数,结果显示两种方法测量样品的折射率和吸收系数有较大的差异。常规法和不等光程法得到的折射率分别为1.505和1.483。常规法在1.465 THz附近出现一个峰值,而不等光程法得到的吸收系数在1.166 THz和2.431 THz出现特征吸收峰。证明不等光程法能更加精确提取材料光学参数,并可以揭示常规方法无法测得的材料特征吸收峰,为太赫兹波段精确测量材料光学参数提供了新的方法。     

Pulse templates for transmission over an ensemble of channels

A method is given for finding the envelope of a family of pulses whose shapes are determined by a finite number of parameters. In addition, it is assumed that the parameters are analytically constrained collectively. In the second part of the paper, a family of pulse shapes is determined that can be efficiently transmitted through a channel that is selected at random from an ensemble of channels. The pulse envelope theory of the first part of the paper is then applied using this family of pulses to determine the envelope of mean-square channel outputs of the family of pulses that provide relatively low loss through an ensemble of channels     

Effect of Overlaid Material on Optical Transmission of Side-Polished Fiber Made by Wheel Side Polishing

The performance of optical power transmission through a side-polished fiber on which materials of different refractive indices were overlaid is investigated. The experiments show that the transmitted optical power through the side-polished fiber varies with the refractive index of the overlaid material. The result of our experiments fits well the theoretical calculation. Side-polished fiber manufactured by wheel polishing method can be used not only to control optical power transmission through the fiber core but also as a refractive index sensor.     

太赫兹波段信号在雾中的传输特性研究

太赫兹（THz）波提供的通信带宽和容量远大于毫米波。与可见光和红外光相比,THz脉冲的波长较长,在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数,分析了不同THz波波长下,雾滴粒子消光系数随粒子尺寸的变化。结合雾滴粒子谱分布,考虑粒子群的平均体系散射特性,得到了不同波长下的平均反照率与相函数。最后分析了THz波段信号在不同能见度雾中的传输特性。结果表明:大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视,不同THz信号的水的折射率虚部的变化严重影响了THz信号在雾中的传输。