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第1章 太赫兹辐射的产生与探测1

1.1 宽带太赫兹脉冲的产生与探测1

1.1.1 飞秒激光系统2

1.1.2 产生及探测宽带脉冲的总体方案3

1.1.3 光电导天线4

1.1.4 光电导天线探测方法6

1.1.5 光学整流和电光采样7

1.1.6 其他宽带发射器12

1.1.7 太赫兹辐射的发展前景13

1.2 连续波太赫兹辐射的产生14

1.2.1 光混频14

1.2.2 差频产生15

1 2.3 参量放大15

1.2.4 气体激光器16

1.2.5 微波频率倍频器16

1.2.6 回波振荡器17

1.2.7 自由电子激光器18

1 2.8 P型锗激光器18

1.2.9 量子级联激光器19

1.3 探测器20

1.3.1 热探测器21

1.3.2 外差探测22

1.3.3 能带探测器22

1.4 结论22

参考文献23

第2章 太赫兹光学26

2.1 引言——太赫兹光学26

2.2 理想光学系统中的高斯波束传输27

2.2.1 简单高斯波束模型的传播特性27

2.2.2 聚焦高斯波束：简单光学系统29

2.2.3 一般光学系统中ABCD矩阵和传输30

2.3 光学元件和子系统32

2.3.1 耦合波束和聚焦元件32

2.3.2 离轴聚焦镜32

2.3.3 厚透镜34

2.3.4 分束器、偏振栅格、屋脊反射镜、干涉仪和滤波器34

2.3.5 衍射元件和相位光栅35

2.4 波束耦合问题36

2.4.1 辐射元件耦合36

2.4.2 失配高斯波束和散焦效应37

2.5 详细建模39

2.5.1 高阶高斯波束模型39

2.5.2 畸变、截断、波束失真40

2.5.3 其他建模技术42

2.5.4 部分耦合和多模系统43

2.6 光学系统设计43

2.6.1 反射镜／透镜参数的选择43

2.6.2 系统布局44

2.6.3 太赫兹光谱系统成像问题45

2.7 总结46

参考文献47

第3章 太赫兹光谱范围内媒质的复折射率50

3.1 引言50

3.2 复介电常数和折射率51

3.3 复传输和反射系数54

3.4 有效媒质模型57

3.5 太赫兹光谱分析的修正克拉茂—克朗尼希色散关系58

3.6 时域太赫兹反射光谱的最大熵法67

3.7 总结与展望68

参考文献70

第4章 采用平面和汇聚波束传递函数确定复折射率72

4.1 采用传递函数提取材料的参数72

4.2 平面传递函数计算73

4.2.1 实验理论传递函数73

4.2.2 相位解缠75

4.3 汇聚波束建模76

4.3.1 角度的权重函数77

4.3.2 汇聚波束透射穿过一个厚板77

4.3.3 汇聚算法中的相位解缠79

4.3.4 仿真数据79

4.4 实验数据81

4.5 结论82

参考文献82

第5章 太赫兹散射84

5.1 引言84

5.2 具有光滑平面界面的样本的太赫兹反射与传输85

5.2.1 单层界面的反射和传输85

5.2.2 同一层界面的反射和透射87

5.3 随机媒质88

5.3.1 随机粗糙表面的太赫兹反射89

5.4 体散射和吸收93

5.4.1 单个粒子的散射93

5.4.2 随机分布粒子散射95

5.4.3 数值计算和蒙特卡罗模拟99

5.5 结论100

参考文献100

第6章 太赫兹辐射的相空间处理103

6.1 引言103

6.2 太赫兹场的表征参数104

6.3 太赫兹辐射表征和处理的相空间技术107

6.3.1 威格纳分布函数及其在信号处理中的应用111

6.3.2 模糊函数及其在信号处理中的应用116

6.3.3 光谱图及其在信号处理中的应用118

6.3.4 小波变换及其在信号处理中的应用122

6.3.5 分数傅里叶变换及其在信号处理中的应用126

6.4 结论130

参考文献130

第7章 晶体材料振动模式分布的计算方法134

7.1 引言134

7.1.1 单分子与周期晶体结构的计算135

7.2 晶体声子的理论137

7.2.1 一维晶体的声子137

7.2.2 真空和凝聚态的正交模式139

7.2.3 3D晶体声子141

7.2.4 原子-原子势（力场）法144

7.2.5 量子力学的电子结构计算146

7.2.6 计算实例148

7.3 分子动力学157

7.4 结论、总结和方法的局限性160

7.4.1 力场和电子结构（DFT）计算的对比160

7.4.2 晶格动力学与分子动力学的对比160

7.4.3 需要解决的一般问题161

参考文献165

第8章 晶体和非晶固体的太赫兹光谱学170

8.1 引言170

8.2 测试注意事项172

8.2.1 散射172

8.2.2 样品制备176

8.2.3 光学常数的计算178

8.2.4 动态范围181

8.3 晶体材料光谱学183

8.3.1 生物分子183

8.3.2 有机小分子184

8.3.3 爆炸物190

8.3.4 其他晶体材料191

8.4 非晶固体材料光谱学192

8.4.1 玻璃192

8.4.2 有序碳材料194

8.5 小结198

参考文献199

第9章 生物分子和液体的太赫兹光谱学203

9.1 液体203

9.1.1 液体的太赫兹响应203

9.1.2 液体透射206

9.1.3 主要结论和研究现状210

9.2 生物分子211

9.2.1 生物分子的太赫兹响应211

9.2.2 主要进展和研究现状217

参考文献218

第10章 太赫兹频段的泵浦-探测光谱学222

10.1 引言222

10.2 技术223

10.2.1 实验细节223

10.2.2 参数提取224

10.2.3 电导率模型225

10.3 无机半导体229

10.3.1 块材229

10.3.2 激子系统229

10.3.3 纳米结构230

10.4 有机半导体232

10.4.1 石墨和石墨烯232

10.4.2 碳纳米管232

10.4.3 半导体聚合物233

10.5 无机有机混合235

10.6 展望237

参考文献237

第11章 太赫兹光谱学：太赫兹波的椭圆偏光法与有源极化控制241

11.1 引言241

11.2 透射模式时域椭圆偏光法242

11.2.1 利用线栅极化器测量极化状态的方法242

11.2.2 介电张量的计算243

11.2.3 极化测量的例子244

11.3 反射模式时域磁光椭圆偏光法247

11.3.1 斜入射时的MOKE信号248

11.3.2 基于强度测量的分析252

11.3.3 基于时域太赫兹椭圆偏光法的分析252

11.3.4 分析实例254

11.4 太赫兹波的有源极化控制260

11.5 结论264

参考文献264

第12章 液晶及其在太赫兹频率范围的应用266

12.1 太赫兹频段的液晶266

12.1.1 引言266

12.1.2 最新研究进展267

12.1.3 液晶相267

12.1.4 关键属性268

12.1.5 正与负介电各向异性268

12.1.6 纯液晶与混合物268

12.1.7 宏观属性——从千赫兹到紫外线269

12.1.8 液晶的太赫兹光谱270

12.1.9 液晶的宏观太赫兹性质270

12.1.10 氰基联苯的分子太赫兹特性278

12.1.11 总结与展望283

参考文献284

第13章 聚合物太赫兹光谱学290

13.1 引言290

13.2 太赫兹频段聚合物的介电特性291

13.2.1 太赫兹频段聚合物分类292

13.2.2 光谱特性起源293

13.2.3 玻璃化检测296

13.2.4 聚合物299

13.3 太赫兹系统在聚合物加工工业中的应用301

13.3.1 用太赫兹传感器控制混合过程301

13.3.2 塑料元件的湿度监测303

13.3.3 塑料焊接接头的检测304

13.3.4 粘着键的太赫兹光谱学305

13.3.5 加固塑料中纤维取向的确定308

参考文献309

第14章 非线性太赫兹光谱学316

14.1 引言316

14.2 高强度太赫兹脉冲的产生317

14.2.1 光电导开关产生太赫兹脉冲318

14.2.2 气体等离子体中的太赫兹产生320

14.2.3 光学整流产生太赫兹脉冲322

14.2.4 GaSe和ZnTe晶体中差频产生多周期强太赫兹脉冲326

14.3 太赫兹非线性光谱方法326

14.3.1 强度相关透射327

14.3.2 太赫兹泵浦／太赫兹探针实验329

14.3.3 太赫兹泵浦／光学探针测量330

14.3.4 二维太赫兹光谱学330

14.4 太赫兹非线性光学332

14.5 半导体的非线性太赫兹光谱学334

14.5.1 太赫兹场的有质动力334

14.5.2 太赫兹驱动弹道输运335

14.5.3 太赫兹场激子操作337

14.6 非线性振动光谱学339

14.7 太赫兹脉冲的磁场效应340

14.8 强相关材料的太赫兹激励341

14.9 总结和展望343

参考文献343

第15章 太赫兹近场成像348

15.1 引言：近场、远场及衍射极限348

15.1.1 衍射极限和远场348

15.1.2 近场349

15.2 无孔径近场显微镜350

15.2.1 ANSOM的变化354

15.3 孔径技术355

15.3.1 波导、动态孔径以及准孔径357

15.4 近场成像359

15.4.1 太赫兹近电场成像359

15.5 总结和展望367

参考文献367

第16章 生物医学成像371

16.1 为什么太赫兹辐射适用于生物医学系统研究？371

16.1.1 安全性371

16.1.2 分子间相互作用的敏感性371

16.2 样本制备372

16.2.1 组织脱水和水合作用372

16.2.2 可重复性372

16.2.3 清单示例373

16.3 样本系统373

16.3.1 薄与厚373

16.3.2 均匀与非均匀374

16.3.3 带宽和轴向分辨率374

16.3.4 信噪比和穿透深度375

16.3.5 结构信息与光谱信息377

16.3.6 成像与光谱377

16.4 样品架及其对计算的影响377

16.4.1 透射装置377

16.4.2 反射装置378

16.5 时域数据解释379

16.5.1 反卷积379

16.5.2 工作实例379

16.6 医学应用研究381

16.6.1 乳房癌381

16.6.2 皮肤癌381

16.6.3 结肠癌381

16.6.4 龋齿381

16.6.5 皮肤383

16.6.6 蛋白质光谱学383

16.7 总结384

参考文献384

第17章 太赫兹层析成像386

17.1 采用太赫兹和毫米波的计算层析成像386

17.1.1 CT的原理387

17.1.2 太赫兹-CT应用举例388

17.2 飞行时间太赫兹层析成像392

17.2.1 TOF层析成像原理392

17.2.2 TOF-太赫兹层析成像实例394

参考文献399

第18章 太赫兹成像工业应用400

18.1 引言400

18.2 工业成像401

18.2.1 基本原理401

18.2.2 对比机制402

18.2.3 无损测试404

18.2.4 实时成像407

18.3 制药工业408

18.3.1 特殊成像需求408

18.3.2 装设仪器409

18.3.3 信号处理411

18.3.4 药片成像415

18.3.5 应用420

18.4 展望430

参考文献431

第19章 毫米波和太赫兹成像在安防中的应用437

19.1 引言437

19.2 安检现象学438

19.2.1 毫米波被动成像系统性能438

19.2.2 毫米波被动成像对比度438

19.2.3 毫米波被动成像现象学439

19.2.4 毫米波主动（相干）成像441

19.2.5 毫米波主动成像现象学443

19.2.6 大气传输444

19.2.7 材料特性444

19.3 成像系统设计概述446

19.4 检测器技术447

19.4.1 相干上变频或下变频447

19.4.2 前置放大的直接检测449

19.4.3 非相干（未放大）直接测量450

19.5 毫米波安检门450

19.5.1 L-3 ProVision450

19.5.2 Millivision451

19.6 远距离成像452

19.6.1 远距离被动成像系统452

19.6.2 远距离主动成像系统456

19.7 多光谱和光谱成像457

19.7.1 多光谱成像457

19.7.2 太赫兹光谱成像458

19.8 未来发展方向459

参考文献460

第20章 艺术作品的表征463

20.1 引言463

20.2 艺术作品表征成像艺术的进展465

20.3 太赫兹成像和艺术作品保存：编年史466

20.4 小结476

参考文献477

第21章 太赫兹等离子体结构480

21.1 引言480

21.2 太赫兹等离子体现象的物理规律483

21.2.1 等离子体现象的初级理论和分类483

21.2.2 光滑金属／介质分界面上的太赫兹频段等离子体485

21.2.3 特征长度与太赫兹波长相当的凹槽结构488

21.2.4 人工等离子体489

21.2.5 栅和孔阵列491

21.3 应用495

21.3.1 伴随等离子体的传导太赫兹波495

21.3.2 调制器和开关控制496

21.3.3 采用等离子体器件控制的太赫兹波前497

21.3.4 传感498

21.3.5 成像499

21.4 结论500

参考文献500

第22章 超材料506

22.1 引言及历史摘要506

22.2 尺度：电磁分量的平均507

22.2.1 原子尺寸507

22.2.2 复合材料508

22.2.3 超材料512

22.2.4 与光子晶体的对比514

22.3 数值计算与软件515

22.4 实验特征515

22.4.1 电磁谐振516

22.4.2 等效参数的提取518

22.4.3 从时间窗信号提取N和Z520

22.4.4 近场法522

22.5 太赫兹超材料的制作523

22.5.1 光刻技术523

22.5.2 激光写入525

22.5.3 其他技术525

22.6 应用526

22.6.1 负磁导率526

22.6.2 可调谐超材料528

22.6.3 其他应用532

22.7 结论534

参考文献534

第23章 关联电子固体中的太赫兹控制：源和应用543

23.1 引言543

23.2 强场太赫兹脉冲量子相位控制544

23.2.1 强场单周期太赫兹脉冲：产生544

23.2.2 高温超导中非线性内层耦合545

23.3 振动激发的量子相位控制548

23.3.1 半共价键的控制548

23.3.2 稳定绝对相位的中红外脉冲552

23.3.3 非线性声子的振动控制554

23.4 非线性太赫兹物理波荡器源557

23.5 结论559

参考文献559

希腊字母符号563

符号565

专业词汇缩写568