圖解太赫茲技術(shù)

第1章 太赫茲技術(shù)簡介  1
1.1 什么是太赫茲波  2
1.2 太赫茲波的歷史  9
1.3 為什么“太赫茲空隙”很有趣？  11
1.3.1 天文學(xué)研究領(lǐng)域  12
1.3.2 成像技術(shù)應(yīng)用研究  12
1.3.3 光譜學(xué)應(yīng)用研究  12
1.3.4 工業(yè)應(yīng)用研究  14
1.3.5 通信應(yīng)用研究  14
1.3.6 太赫茲雷達(dá)應(yīng)用  14
參考文獻(xiàn)  18
第2章 太赫茲波的產(chǎn)生與測量  19
2.1 如何產(chǎn)生太赫茲波  20
2.1.1 利用光子學(xué)方法產(chǎn)生太赫茲波  20
2.1.1.1 基于光電導(dǎo)的超寬帶太赫茲脈沖產(chǎn)生  20　
2.1.1.2 基于光整流的超寬帶太赫茲脈沖產(chǎn)生  22
2.1.1.3 基于強(qiáng)場的超寬帶太赫茲脈沖產(chǎn)生  22　
2.1.1.4 基于參量振蕩技術(shù)的窄線寬太赫茲波產(chǎn)生  26
2.1.1.5 基于光學(xué)差頻技術(shù)的太赫茲波產(chǎn)生  28　
2.1.1.6 光泵浦太赫茲氣體激光器  30　
2.1.1.7 基于光子混頻的連續(xù)太赫茲激光器  30
2.1.2 利用電子學(xué)方法產(chǎn)生太赫茲波  32
2.1.2.1 微型真空電子器件  32　
2.1.2.2 基于相對論性電子器件的太赫茲輻射源  34　
2.1.2.3 基于半導(dǎo)體激光器的太赫茲輻射源  34
2.2 如何探測太赫茲波  37
2.2.1 脈沖太赫茲波的探測方法  37
2.2.1.1 光電導(dǎo)取樣  37　
2.2.1.2 電光取樣  38　
2.2.1.3 空氣探測太赫茲波  40
2.2.2 連續(xù)太赫茲波的探測方法  40
2.2.2.1 熱效應(yīng)探測器  40　
2.2.2.2 電子探測器（超外差結(jié)構(gòu)）  42　
2.2.2.3 半導(dǎo)體探測器  42
參考文獻(xiàn)  46
第3章 太赫茲波實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)  47
3.1 太赫茲波的傳輸  48
3.1.1 物質(zhì)中的太赫茲波  48
3.1.2 波動(dòng)方程  48
3.1.3 反射和透射  48
3.1.4 相干透射光譜  50
3.1.5 吸收和色散  50
3.1.6 等離子體頻率  50
3.1.7 電偶極子輻射  52
3.2 太赫茲光學(xué)  55
3.2.1 固體在太赫茲頻段的介質(zhì)特性  55
3.2.2 太赫茲光學(xué)材料  55
3.2.2.1 聚合物  56　
3.2.2.2 介質(zhì)和半導(dǎo)體  56　
3.2.2.3 導(dǎo)體  56
3.3 太赫茲光學(xué)器件  61
3.3.1 聚焦器件  61
3.3.2 抗反射涂層  61
3.3.3 諧振網(wǎng)柵濾波器  62
3.3.4 起偏器和極化轉(zhuǎn)換器  67
3.4 太赫茲波導(dǎo)  67
3.4.1 太赫茲金屬波導(dǎo)  70
3.4.2 太赫茲聚合物光纖  70
3.4.2.1 太赫茲光纖的導(dǎo)波機(jī)理  70　
3.4.2.2 太赫茲光纖的發(fā)展現(xiàn)狀  72　
3.4.2.3 太赫茲光纖的應(yīng)用前景  76
參考文獻(xiàn)  76
第4章 太赫茲光譜與成像技術(shù)  77
4.1 太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)  78
4.1.1 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的構(gòu)成與原理  78
4.1.2 延遲系統(tǒng)  80
4.1.2.1 機(jī)械延遲  80　
4.1.2.2 異步采樣光電延遲  80
4.1.3 透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)  80
4.1.4 反射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)  83
4.1.5 衰減全反射太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)  83
4.2 太赫茲頻域光譜技術(shù)  86
4.2.1 太赫茲頻域光譜儀  86
4.2.2 太赫茲時(shí)域光譜與頻域光譜的對比  87
4.2.2.1 產(chǎn)生原理對比  87　
4.2.2.2 性能特點(diǎn)對比  88　
4.2.2.3 應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ? 88
4.2.3 光抽運(yùn)-太赫茲探測技術(shù)  88
4.3 太赫茲成像技術(shù)  91
4.3.1 脈沖太赫茲成像技術(shù)  91　
4.3.1.1 太赫茲脈沖掃描成像  91　
4.3.1.2 太赫茲差分成像和偏振成像  92　
4.3.1.3 太赫茲三維成像  92
4.3.2 連續(xù)太赫茲成像技術(shù)  92
4.3.2.1 常規(guī)連續(xù)太赫茲成像技術(shù)  96　
4.3.2.2 太赫茲共焦掃描成像技術(shù)  96
4.3.3 太赫茲近場成像技術(shù)  96
4.3.4 太赫茲實(shí)時(shí)成像技術(shù)  98
參考文獻(xiàn)  100
第5章 太赫茲超材料  101
5.1 什么是超材料？  102
5.1.1 基本概念  102
5.1.2 超材料和周期性復(fù)合材料：長度尺度效應(yīng)  102
5.1.3 幾種典型的超材料結(jié)構(gòu)  104
5.1.3.1 金屬絲結(jié)構(gòu)  104　
5.1.3.2 開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)  106　
5.1.3.3 電子開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)  106　
5.1.3.4 金屬絲與開口諧振環(huán)結(jié)合結(jié)構(gòu)  109
5.2 超材料：一種適用于太赫茲器件的技術(shù)  109
5.2.1 太赫茲超材料簡介  109
5.2.2 太赫茲超材料的加工  110
5.2.3 被動(dòng)型太赫茲超材料  112
5.2.3.1 電響應(yīng)太赫茲超材料  112　
5.2.3.2 磁響應(yīng)太赫茲超材料  112
5.2.3.3 負(fù)折射率太赫茲超材料  112　
5.2.3.4 超高折射率超材料  114
5.2.4 主動(dòng)型太赫茲超材料  114
5.2.4.1 機(jī)械可重構(gòu)超材料  116　
5.2.4.2 基于電光媒質(zhì)的混合結(jié)構(gòu)可調(diào)超材料  116
5.2.4.3 相變材料  116　
5.2.4.4 二維材料可調(diào)超材料  120
5.2.4.5 非線性可調(diào)超材料  125
5.3 可調(diào)諧超表面背后的物理機(jī)制  125
參考文獻(xiàn)  133
第6章 太赫茲通信應(yīng)用  135
6.1 為什么使用太赫茲波通信？  136
6.1.1 6G通信與太赫茲波  136
6.1.2 太赫茲通信的優(yōu)勢  136
6.1.2.1 與微波通信技術(shù)比較  136　
6.1.2.2 與激光通信技術(shù)比較  138
6.1.3 太赫茲通信可以應(yīng)用在哪里？  138
6.1.3.1 地面無線通信  138　
6.1.3.2 空間通信  140　
6.1.3.3 微小尺度通信  142
6.2 太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)  145
6.2.1 太赫茲通信關(guān)鍵器件及原型系統(tǒng)  145
6.2.2 太赫茲傳播特性及信道建模  145
6.2.3 太赫茲通信空口技術(shù)  146
6.3 太赫茲無線通信  149
6.3.1 太赫茲無線通信系統(tǒng)的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)  149
6.3.2 太赫茲無線通信系統(tǒng)的發(fā)展  149
6.3.3 太赫茲無線通信系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)  152
6.3.3.1 電子器件的制造  152　
6.3.3.2 功率效率與散熱  152
6.3.3.3 數(shù)字信號處理速度  152　
6.3.3.4 設(shè)計(jì)、仿真和測量工具  154
6.3.3.5 太赫茲波傳播與通信覆蓋增強(qiáng)  154
6.4 太赫茲通信標(biāo)準(zhǔn)化  157
6.4.1 國際電信聯(lián)盟（ITU）  157
6.4.2 美國電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）  159
6.4.3 第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）  159
6.4.4 中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）  159
參考文獻(xiàn)  159
第7章 太赫茲雷達(dá)技術(shù)  161
7.1 基本原理  162
7.1.1 一些基本概念  162　
7.1.2 雷達(dá)基礎(chǔ)原理  162
7.2 太赫茲雷達(dá)  162
7.2.1 雷達(dá)分類  162　
7.2.2 太赫茲雷達(dá)簡介  164
7.2.3 太赫茲雷達(dá)應(yīng)用  166　
7.2.3.1 太赫茲波用于透視安全檢測  166
7.2.3.2 太赫茲透視檢測設(shè)備用于流水線生產(chǎn)檢測  166
7.2.3.3 太赫茲反射檢測，近距離雷達(dá)  166
7.2.4 太赫茲雷達(dá)技術(shù)進(jìn)展  168
7.2.5 典型的太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)  170
7.2.5.1 太赫茲SAR成像雷達(dá)  170　
7.2.5.2 太赫茲逐點(diǎn)掃描成像雷達(dá)  170
7.2.5.3 太赫茲線陣掃描成像雷達(dá)  170　
7.2.5.4 太赫茲面陣成像雷達(dá)  170
7.2.5.5 其他新體制太赫茲雷達(dá)  172
7.3 雷達(dá)探測  172
7.3.1 脈沖雷達(dá)測距  172
7.3.2 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距  174
7.3.3 雷達(dá)測角  174
7.3.4 雷達(dá)測速  176
參考文獻(xiàn)  177
第8章 太赫茲傳感技術(shù)  179
8.1 傳感原理介紹  180
8.1.1 壓力傳感器  182　
8.1.2 紅外傳感器  182　
8.1.3 微波傳感器  184
8.2 太赫茲傳感機(jī)制和主要性能參數(shù)  185
8.2.1 傳感機(jī)制與主要性能參數(shù)  185
8.2.2 不同類型太赫茲傳感器  185
8.2.2.1 基于人工表面等離子體激元的太赫茲傳感器  185　
8.2.2.2 基于超材料的太赫茲傳感器  190
8.2.2.3 基于光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲傳感器  192　
8.2.2.4 基于波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)的太赫茲傳感器  192
8.2.2.5 基于光纖結(jié)構(gòu)的太赫茲傳感器  195
8.3 太赫茲生物傳感技術(shù)  195
8.3.1 幾種材料的太赫茲光譜  195
8.3.1.1 DNA核堿基  195　
8.3.1.2 氨基酸及肽  196　
8.3.1.3 碳水化合物  196　
8.3.1.4 蛋白質(zhì)  196
8.3.2 超材料在生物傳感中的應(yīng)用案例  198
8.4 痕量樣品檢測——基于參數(shù)復(fù)用的吸收譜增強(qiáng)  202
8.4.1 幾何參數(shù)復(fù)用技術(shù)  203
8.4.2 基于超表面結(jié)構(gòu)的角度復(fù)用指紋譜吸收增強(qiáng)技術(shù)  206
8.4.3 基于超光柵結(jié)構(gòu)的角度增強(qiáng)指紋譜技術(shù)  206
8.4.4 基于SSPs效應(yīng)的太赫茲吸收譜增強(qiáng)技術(shù)  208
8.4.5 基于一維光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲吸收譜增強(qiáng)技術(shù)  208
參考文獻(xiàn)  213