太赫兹波空气探测偏振特性及偏振太赫兹波的应用

摘要

在诸多产生太赫兹波的技术当中，通过泵浦脉冲波前倾斜技术在铌酸锂晶体中产生太赫兹波得到快速的发展，因为其具有高转换效率、产生强度高、性能稳定等优点。本论文首先研究了通过倾斜脉冲波前系统的优化方法。通过公式计算，得到实验中应该使用的光栅入射角、透镜离光栅和铌酸锂晶体的距离、和铌酸锂晶体的切割角，从而在搭建实验系统的时候更容易使泵浦脉冲在铌酸锂晶体中具有最优倾斜角。但是在实际应用当中，由于调试时系统参数的误差，导致泵浦脉冲倾斜角并不是最优化的。因此，本论文通过有限元仿真，分析了泵浦脉冲倾斜角对产生太赫兹波光束质量的影响。仿真结果表明，在泵浦脉冲倾斜角最优时，太赫兹波在距离铌酸锂晶体表面处近似于平面波，而且得到的太赫兹波频谱最宽。
　　近来的研究也表明，太赫兹波的偏振态也能够提供反铁磁材料和超材料的手性属性。不仅如此，太赫兹波也能测量物质的磁光响应。时域太赫兹波的偏振态能用电光晶体或者光导天线在两个正交方向检测的太赫兹波分量构建起来，通过旋转太赫兹波偏振片或者是探测器。但是，这种传统的方法由于带宽限制和能量阈值，已经无法满足高强度，超宽带的任意太赫兹波偏振态的探测。太赫兹波空气探测技术则能很好地弥补固体探测器的不足，因为它具有超宽带探测能力且没有能量阈值。本论文介绍了太赫兹波空气探测技术的理论原理、具体实现方法及系统优化方法，接着从实验上研究了太赫兹波空气探测系统的偏振特性，即太赫兹感生二次谐波的偏振状态与基频波偏振方向，直流偏置电压方向的关系。实验结果表明，系统中探测到的太赫兹波感生二次谐波的偏振态并不能很好地还原太赫兹波的偏振态，因为其受到空气等离子体双折射的影响。因此，要准确地探测太赫兹波偏振态，必须在系统中加入太赫兹波偏振片。在具体测量时，需要同时转动太赫兹波偏振片、基频波偏振方向和直流偏置电压方向，在两个正交方向测量太赫兹波感生二次谐波，才能准确构建太赫兹波偏振态。实验结果和理论分析也表明，太赫兹感生二次谐波的强度分布，椭圆率和偏振角度随基频波偏振方向的变化，都能够由交叉相位调制理论来解释；直流电压感生二次谐波也参与到交叉相位调制过程中，最终影响到探测的二次谐波的偏振状态。
　　本论文也通过太赫兹波偏振成像技术对核石墨的属性进行了综合研究。通过对核石墨样品用不同偏振的太赫兹波进行成像，实验结果显示不同的域分布和孔隙率水平将使样品反射的太赫兹波具有偏振相关性。具有较高密度的样品孔隙性小且具有更小的平均域分布。因此，它表现出极少的太赫兹偏振相关性且最大极化频率较高，反之亦然。结果还表明，在较高温度下氧化的样品更倾向于表现出偏振相关性。由于石墨的偏振相关成像跟孔径大小和域分布有关系，它将为我们提供一种来确定石墨的结构特点的方法，以及新的判断新型核石墨牌号的标准。
　　最后，本论文探讨了通过太赫兹波测量人体汗腺功能来提前预测人体疾病的可行性。在某些疾病初期，如二型糖尿病，人体神经纤维会发生损伤，进而表皮汗腺的控制也同时损伤，导致了可以测量的汗腺功能变化。光学相干层析成像显示人体汗腺结构为太赫兹波段的天线，因而通过测量太赫兹波的反射率，可以测量人体汗腺的活动。实验中发现，人体手部皮肤的太赫兹波反射率，会随着运动后休息时间的长度逐渐升高。这说明，在运动后由于汗腺活动，人体表皮会对太赫兹波有较强吸收。由于人体汗腺的不规则性，通过对部分表皮的太赫兹波偏振成像，理论上可以更进一步定量测量人体的汗腺功能。

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1绪论

1.1 引言

1.2 太赫兹波产生技术

1.3 太赫兹波探测技术

1.4 本论文的研究内容

2倾斜脉冲波前产生太赫兹波

2.1 引言

2.2 脉冲波前倾斜系统优化

2.3 脉冲波前倾斜角的判定

2.4 电光晶体平衡探测

2.5 实验系统

2.6 实验结果

2.7 本章小结

3太赫兹波空气探测

3.1 引言

3.2 空气非相干探测太赫兹波

3.3 太赫兹波空气相干探测

3.4 太赫兹遥感技术

3.5 本章小结

4太赫兹波空气相干探测的偏振研究

4.1 引言

4.2 实验系统

4.3 实验结果及讨论

4.4 本章小结

5空气相干探测气体双折射

5.1 引言

5.2 实验系统

5.3 实验结果及讨论

5.4 本章小结

6通过太赫兹偏振成像检验核石墨

6.1 引言

6.2 背景介绍

6.3 核石墨样品信息

6.4 相位敏感的太赫兹波核石墨成像

6.5 偏振相关的太赫兹波核石墨成像

6.6 本章小结

7太赫兹波人体汗腺功能评估及疾病预测

7.1 引言

7.2 汗腺功能的检测方法及其与疾病的联系

7.3 人体汗腺结构及太赫兹测量汗腺功能可行性

7.4 太赫兹波用于人体的安全性

7.5 太赫兹系统评估平静和活跃的汗腺

7.6 汗腺密度和结构的定量测量

7.7 挑战

7.8 后续工作

8总结

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录