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《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》 2014年
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光纤集成化太赫兹时域光谱成像关键技术研究

刘佳  
【摘要】:太赫兹波技术作为一个新兴的科学技术领域,经过近十几年的深入研究,得到了前所未有的飞速发展,已经广泛应用于基础科学、工业生产,以及军事国防等领域。其中,太赫兹时域光谱技术(Terahertz Time-Domain Spectroscopy,简称THz-TDS)凭借其独特的技术优势,在很多领域已显现出重要作用,吸引了国内外广大研究学者的注意。随着社会需求的不断增加,开展“光纤集成化太赫兹时域光谱成像关键技术”研究工作迫在眉睫,小型化、紧凑型、便携式仪器设备研发已经成为THz-TDS技术应用研究的一个重要方向,对于未来太赫兹技术应用以及相关产品研发具有深远的意义。 论文的主要研究工作可以归纳为四个部分,具体内容如下: 第一部分(第一章和第二章)概括论述了太赫兹波(THz波)的基本特性、发展背景和典型应用,重点介绍了太赫兹时域光谱技术的基本工作原理和系统组成,对构成THz-TDS技术的三个重要原理框架(THz波产生原理、THz波探测原理,以及样品太赫兹频段光学参数提取)进行了详细说明,并针对目前典型THz-TDS系统的固有缺陷和使用局限性,阐述了论文的选题背景以及主要研究内容。 第二部分(第三章和第四章)立足于太赫兹时域光谱技术原理和物理模型,提出了研制“光纤集成化太赫兹时域光谱系统”过程中需要亟待解决的关键技术难题,包括飞秒激光与单模保偏光纤的自由空间高效耦合、飞秒激光脉冲在光纤内无展宽无畸变传输、光纤耦合光电导天线模块研制,以及系统运动控制和数据采集程序研发等,并围绕主要的技术难题分别从理论和实验方面开展了研究工作,实现了超快太赫兹波产生和太赫兹时域信号采集;初步完成了“光纤集成化太赫兹时域光谱系统”原理演示系统的建立,并对系统的关键性能指标参数进行了详细分析和研究;在光纤耦合天线模块研制方面获得一项国家实用新型专利授权,并申请了一项国家发明专利,为研制小型化、便携式THz-TDS设备提供了重要的技术支持。 第三部分(第五章)概括论述了太赫兹成像技术的研究背景以及基本工作原理,重点介绍了太赫兹光谱成像技术的相关实验研究工作,主要涉及太赫兹时域成像和太赫兹频域成像。其中,太赫兹时域成像研究主要以刀片为例,从太赫兹时域波形出发,通过选择合适的成像参数,利用不同成像方式实验获取了成像样品的二维太赫兹图像;太赫兹频域成像研究主要以高能炸药RDX为例,利用太赫兹时域波形和特征吸收谱,获取了RDX样品在不同频率下的太赫兹图像。研究结果表明,太赫兹光谱成像技术在安全检查和物质鉴别领域具有巨大的发展潜力和应用前景。 第四部分(第六章)从空气等离子体太赫兹辐射源的国际研究现状出发,介绍了空气等离子体产生太赫兹辐射的研究进展以及本研究工作的创新点,重点说明了实验室自行搭建的基于空气等离子体太赫兹辐射源的THz-TDS实验系统基本结构组成和工作原理,讨论分析了低重频太赫兹时域信号测量技术,并利用光谱测量技术成功提取出1Hz重频的超短脉冲太赫兹波时域信号,实验获得了频谱覆盖范围0.1-5THz、单脉冲能量2.5μJ的超短脉冲太赫兹波。研究结果表明,利用高功率飞秒激光放大器激发空气等离子体可以产生超宽带、窄脉宽、高峰值功率的脉冲太赫兹辐射。
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