太赫兹光谱技术简单介绍及应用详解_太赫兹与物质的相互作用

1、太赫兹介绍

太赫兹（THz）辐射通常指的是频率在0．1THz一10THz（波长在30m～3mm）之间的电磁波，其波段在微波和红外光之问，属于远红外波段．有着丰富的物理和化学信息。同时，THz辐射的优点决定了它在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和x射线技术的互补技术，使THz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。随着THz技术的发展，THz技术的应用领域也在不断地拓宽，它在生物学、医学、微电子学、农业及其它领域也有很大的应用潜力。目前，世界上许多研究机构相继开展了THz技术的深入研究，并且已取得了很多重要的进展。

THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：

（1）瞬态性：THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辨的研究。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。目前，辐射强度测量的信噪比可大于l0m。

（2）宽带性：THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可覆盖从GHz至几十THz的范围。

（3）相干性：THz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变换产生。

（4）低能性：THz光子的能量只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测的物质。

2、太赫兹与物质的相互作用

1）基本原理

目前研究太赫兹和物质相互作用一般采用里得伯原子模型（Rydbergatom），该模型中原子的电子具有很高的主量子数。

图1所示为只有一个价电子的里德伯原子模型的示意图。

图1里德伯原子模型简图

里德伯原子模型采用波尔半径经典原子理论来　　描绘核外电子的运动，认为核外电子绕核运动，其角动量是量子化的。电子只能在量子化的特定轨道上运动，并且具有特定的量子化的能级。

相比于红外和可见光，太赫兹的频率很低．光子的能量也非常小。在里德伯原子模型中。如果主量子数n=lO0，电子离核的距离n2ao1m，对应的偶极矩dR=nZeaol0D，这个尺度比常见的极性分子CO和HO大了好几个数量级。此时的结合能En—lmeV，和太赫兹光子的能量相当。所以太赫兹光子适合于和大的偶极矩和小结合能特征的里德伯原子相互作用。

2）太赫兹与水的相互作用

由于水对开展太赫兹光谱的使用具有特别重要的的影响，所以，需要尽可能地详细研究水和太赫兹的相互作用圜。图2所示为水和冰在不同温度下太赫兹波段介电常数实部和虚部的谱分布。

图2水和冰在不同温度下太赫兹波段介电常数实部和虚部的谱分布

液态水的介电响应是由若干物理过程决定的，最主要的过程是由两种分子弛豫过程决定，一种是快弛豫过程（10fs弛豫时间），一种是慢弛豫过程（1Ops弛豫时间）。慢弛豫过程和转动动力学有关，快弛豫过程目前还没有研究清楚。另外水分子中强氢键相互作用也很明显。分子中的伸缩在5．6THz处有共振响应，并具有很宽的谱线宽度。

图3室温下，水的折射率谱和吸收系数谱

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