图解太赫兹技术

针对入门者、研究人员以及应用人员的多方面需求，本书在汇集大量资料的前提下，采用图文并茂的形式，全面且简明扼要地对太赫兹技术及相关应用进行介绍，内容包括：太赫兹技术简介、太赫兹波的产生与测量、太赫兹波实现应用的基础、太赫兹光谱与成像技术、太赫兹超材料、太赫兹通信应用、太赫兹雷达技术以及太赫兹传感技术。关于太赫兹技术方面的进展和研究成果，有重点地分布在各相关章节，内容深入、具体、细致、翔实。 本书可以作为光电子、光学工程、电子信息类等相关领域工程技术人员的参考书，也可供高校相关专业师生阅读使用。

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第1章 太赫兹技术简介 1 1.1 什么是太赫兹波 2 1.2 太赫兹波的历史 9 1.3 为什么“太赫兹空隙”很有趣？ 11 1.3.1 天文学研究领域 12 1.3.2 成像技术应用研究 12 1.3.3 光谱学应用研究 12 1.3.4 工业应用研究 14 1.3.5 通信应用研究 14 1.3.6 太赫兹雷达应用 14 参考文献 18 第2章 太赫兹波的产生与测量 19 2.1 如何产生太赫兹波 20 2.1.1 利用光子学方法产生太赫兹波 20 2.1.1.1 基于光电导的超宽带太赫兹脉冲产生 20　 2.1.1.2 基于光整流的超宽带太赫兹脉冲产生 22 2.1.1.3 基于强场的超宽带太赫兹脉冲产生 22　 2.1.1.4 基于参量振荡技术的窄线宽太赫兹波产生 26 2.1.1.5 基于光学差频技术的太赫兹波产生 28　 2.1.1.6 光泵浦太赫兹气体激光器 30　 2.1.1.7 基于光子混频的连续太赫兹激光器 30 2.1.2 利用电子学方法产生太赫兹波 32 2.1.2.1 微型真空电子器件 32　 2.1.2.2 基于相对论性电子器件的太赫兹辐射源 34　 2.1.2.3 基于半导体激光器的太赫兹辐射源 34 2.2 如何探测太赫兹波 37 2.2.1 脉冲太赫兹波的探测方法 37 2.2.1.1 光电导取样 37　 2.2.1.2 电光取样 38　 2.2.1.3 空气探测太赫兹波 40 2.2.2 连续太赫兹波的探测方法 40 2.2.2.1 热效应探测器 40　 2.2.2.2 电子探测器（超外差结构） 42　 2.2.2.3 半导体探测器 42 参考文献 46 第3章 太赫兹波实现应用的基础 47 3.1 太赫兹波的传输 48 3.1.1 物质中的太赫兹波 48 3.1.2 波动方程 48 3.1.3 反射和透射 48 3.1.4 相干透射光谱 50 3.1.5 吸收和色散 50 3.1.6 等离子体频率 50 3.1.7 电偶极子辐射 52 3.2 太赫兹光学 55 3.2.1 固体在太赫兹频段的介质特性 55 3.2.2 太赫兹光学材料 55 3.2.2.1 聚合物 56　 3.2.2.2 介质和半导体 56　 3.2.2.3 导体 56 3.3 太赫兹光学器件 61 3.3.1 聚焦器件 61 3.3.2 抗反射涂层 61 3.3.3 谐振网栅滤波器 62 3.3.4 起偏器和极化转换器 67 3.4 太赫兹波导 67 3.4.1 太赫兹金属波导 70 3.4.2 太赫兹聚合物光纤 70 3.4.2.1 太赫兹光纤的导波机理 70　 3.4.2.2 太赫兹光纤的发展现状 72　 3.4.2.3 太赫兹光纤的应用前景 76 参考文献 76 第4章 太赫兹光谱与成像技术 77 4.1 太赫兹时域光谱技术 78 4.1.1 太赫兹时域光谱系统的构成与原理 78 4.1.2 延迟系统 80 4.1.2.1 机械延迟 80　 4.1.2.2 异步采样光电延迟 80 4.1.3 透射式太赫兹时域光谱系统 80 4.1.4 反射式太赫兹时域光谱系统 83 4.1.5 衰减全反射太赫兹时域光谱系统 83 4.2 太赫兹频域光谱技术 86 4.2.1 太赫兹频域光谱仪 86 4.2.2 太赫兹时域光谱与频域光谱的对比 87 4.2.2.1 产生原理对比 87　 4.2.2.2 性能特点对比 88　 4.2.2.3 应用领域对比 88 4.2.3 光抽运-太赫兹探测技术 88 4.3 太赫兹成像技术 91 4.3.1 脉冲太赫兹成像技术 91　 4.3.1.1 太赫兹脉冲扫描成像 91　 4.3.1.2 太赫兹差分成像和偏振成像 92　 4.3.1.3 太赫兹三维成像 92 4.3.2 连续太赫兹成像技术 92 4.3.2.1 常规连续太赫兹成像技术 96　 4.3.2.2 太赫兹共焦扫描成像技术 96 4.3.3 太赫兹近场成像技术 96 4.3.4 太赫兹实时成像技术 98 参考文献 100 第5章 太赫兹超材料 101 5.1 什么是超材料？ 102 5.1.1 基本概念 102 5.1.2 超材料和周期性复合材料：长度尺度效应 102 5.1.3 几种典型的超材料结构 104 5.1.3.1 金属丝结构 104　 5.1.3.2 开口谐振环结构 106　 5.1.3.3 电子开口谐振环结构 106　 5.1.3.4 金属丝与开口谐振环结合结构 109 5.2 超材料：一种适用于太赫兹器件的技术 109 5.2.1 太赫兹超材料简介 109 5.2.2 太赫兹超材料的加工 110 5.2.3 被动型太赫兹超材料 112 5.2.3.1 电响应太赫兹超材料 112　 5.2.3.2 磁响应太赫兹超材料 112 5.2.3.3 负折射率太赫兹超材料 112　 5.2.3.4 超高折射率超材料 114 5.2.4 主动型太赫兹超材料 114 5.2.4.1 机械可重构超材料 116　 5.2.4.2 基于电光媒质的混合结构可调超材料 116 5.2.4.3 相变材料 116　 5.2.4.4 二维材料可调超材料 120 5.2.4.5 非线性可调超材料 125 5.3 可调谐超表面背后的物理机制 125 参考文献 133 第6章 太赫兹通信应用 135 6.1 为什么使用太赫兹波通信？ 136 6.1.1 6G通信与太赫兹波 136 6.1.2 太赫兹通信的优势 136 6.1.2.1 与微波通信技术比较 136　 6.1.2.2 与激光通信技术比较 138 6.1.3 太赫兹通信可以应用在哪里？ 138 6.1.3.1 地面无线通信 138　 6.1.3.2 空间通信 140　 6.1.3.3 微小尺度通信 142 6.2 太赫兹通信关键技术 145 6.2.1 太赫兹通信关键器件及原型系统 145 6.2.2 太赫兹传播特性及信道建模 145 6.2.3 太赫兹通信空口技术 146 6.3 太赫兹无线通信 149 6.3.1 太赫兹无线通信系统的架构与实现 149 6.3.2 太赫兹无线通信系统的发展 149 6.3.3 太赫兹无线通信系统面临的主要挑战 152 6.3.3.1 电子器件的制造 152　 6.3.3.2 功率效率与散热 152 6.3.3.3 数字信号处理速度 152　 6.3.3.4 设计、仿真和测量工具 154 6.3.3.5 太赫兹波传播与通信覆盖增强 154 6.4 太赫兹通信标准化 157 6.4.1 国际电信联盟（ITU） 157 6.4.2 美国电气电子工程师学会（IEEE） 159 6.4.3 第三代合作伙伴计划（3GPP） 159 6.4.4 中国通信标准化协会（CCSA） 159 参考文献 159 第7章 太赫兹雷达技术 161 7.1 基本原理 162 7.1.1 一些基本概念 162　 7.1.2 雷达基础原理 162 7.2 太赫兹雷达 162 7.2.1 雷达分类 162　 7.2.2 太赫兹雷达简介 164 7.2.3 太赫兹雷达应用 166　 7.2.3.1 太赫兹波用于透视安全检测 166 7.2.3.2 太赫兹透视检测设备用于流水线生产检测 166 7.2.3.3 太赫兹反射检测，近距离雷达 166 7.2.4 太赫兹雷达技术进展 168 7.2.5 典型的太赫兹雷达系统 170 7.2.5.1 太赫兹SAR成像雷达 170　 7.2.5.2 太赫兹逐点扫描成像雷达 170 7.2.5.3 太赫兹线阵扫描成像雷达 170　 7.2.5.4 太赫兹面阵成像雷达 170 7.2.5.5 其他新体制太赫兹雷达 172 7.3 雷达探测 172 7.3.1 脉冲雷达测距 172 7.3.2 调频连续波雷达测距 174 7.3.3 雷达测角 174 7.3.4 雷达测速 176 参考文献 177 第8章 太赫兹传感技术 179 8.1 传感原理介绍 180 8.1.1 压力传感器 182　 8.1.2 红外传感器 182　 8.1.3 微波传感器 184 8.2 太赫兹传感机制和主要性能参数 185 8.2.1 传感机制与主要性能参数 185 8.2.2 不同类型太赫兹传感器 185 8.2.2.1 基于人工表面等离子体激元的太赫兹传感器 185　 8.2.2.2 基于超材料的太赫兹传感器 190 8.2.2.3 基于光子晶体结构的太赫兹传感器 192　 8.2.2.4 基于波导谐振腔结构的太赫兹传感器 192 8.2.2.5 基于光纤结构的太赫兹传感器 195 8.3 太赫兹生物传感技术 195 8.3.1 几种材料的太赫兹光谱 195 8.3.1.1 DNA核碱基 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 蛋白质 196 8.3.2 超材料在生物传感中的应用案例 198 8.4 痕量样品检测——基于参数复用的吸收谱增强 202 8.4.1 几何参数复用技术 203 8.4.2 基于超表面结构的角度复用指纹谱吸收增强技术 206 8.4.3 基于超光栅结构的角度增强指纹谱技术 206 8.4.4 基于SSPs效应的太赫兹吸收谱增强技术 208 8.4.5 基于一维光子晶体结构的太赫兹吸收谱增强技术 208 参考文献 213