太赫兹波段金属光栅衍射滤波器课题研究报告重点讲义资料.docx
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太赫兹波段金属光栅衍射滤波器课题研究报告重点讲义资料
太赫兹波段金属光栅衍射滤波器课题研究报告
光电工程学院B11030407赵琳
1、研究背景
现代无线电系统，包括广播，电视，雷达，遥感，电子对抗，空间技术等的迅速发展，导致了三大结果。
第一，它让电磁资源变得紧张，分配到各系统的电磁波频率越来越密集，这迫使我们研制出性能更高更可靠的器件;第二，由于通信系统的个人化发展，导致了电子器件向小尺寸、集成化方向发展;第三，由于频谱资源的短缺，我们不得不向更高频段开发电磁波，比如太赫兹频段的开发。
所以小尺寸的太赫兹滤波器的研究就应运而生了。
2、研究目标
1、了解什么是太赫兹、什么是滤波器
2、研究太赫兹射线的特点
3、研究太赫兹的应用
4、了解太赫兹滤波器的研究现状和进展
5、利用Rsoft进行器件仿真
3、研究过程
1、什么是太赫兹
THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。
太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。
2、什么是太赫兹间隙
涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制。
3、太赫兹射线的特点
（1）THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。
目前，脉冲THz辐射通常只有较低的THz射线平均功率，但是由于THz脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是THz脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。
目前，在时域光谱系统中的信噪比可达105或更高。
（2）THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz直至几十THz的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz波段范围。
因此THz时域光谱技术作为探测材料在THz波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。
（3）THz光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。
（4）许多的非金属非极性材料对THz射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。
极性物质对THz电磁辐射的吸收比较强，特别是水，THz光谱技术中应采取各种措施避免水分的影响。
太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加（超声、红外、X－射线技术也能提高图像分辨率，但是毫米波技术却没有明显的提高）。
（5）另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，能够探测和测量水汽含量等等。
4、太赫兹的应用
太赫兹的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。
由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短（皮秒量级）所以具有很高的时间分辨率。
太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。
同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。
另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。
太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。
（1）THz时域光谱技术
目前已经开始商业化运作，世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪，主要是美国，欧洲和日本的厂家。
THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，由于大分子的振动和转动能级大多在THz波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团，进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。
一个比较重要的应用可以作为药品质量监管。
设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪，从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量，并与标准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，否则在流水线上将劣质药片清除掉，避免不同药片或不同批次药片的品质差异，保证药品的品质。
（2）THz成像技术
跟其他波段的成像技术一样，THz成像技术也是利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。
THz成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。
前者具有THz时域光谱技术的特点。
同时它可以对物质集团进行功能成像，获得物质内部的折射率分布。
例如葵花籽可以和容易获得葵花子的内部信息。
图3-4给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz透射图像，能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状，这是最希望的。
同样，如果样品是人的牙齿，那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开，同时不必照射x射线，对人体没有附加伤害。
（3）安全检查
利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的THz技术，它的本质原理是THz成像，目前由于目前主要采用连续波THz源，而且又由于它要解决的是目前最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题，所以单列出来。
目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段。
由于THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性，并且THz的高频率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。
同时如果结合THz的物质鉴别特性，能够区分你身上是否携带炸药或毒品。
首都师范大学THz实验室已经建立了常见的炸药和毒品的数据谱库，可以设想再过几年，可以真正在机场见到真正的THz安检的设备。
另外，世界范围内引起社会动荡的自杀式炸弹恐怖袭击，也可以利用THz安检设备进行防范。
因为站岗的可以不再是士兵或保安人员，而是THz安检仪，人们不需要靠近可疑分子就可以对其进行检查。
（4）THz雷达
实际上也是成像的一种。
鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用，所以近距离雷达是THz射线的优势所在。
一个非常让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达，当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救，目前还处于研发阶段。
这是由于墙壁，木材等材料对THz透过，而人体包含大量水分，不透过THz，因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动，将反恐怖反绑架起到深远的影响，同理也可以用于废墟下人体的寻找。
而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透过THz射线，而地雷将会把THz射线反射回来，从而可以发现目标。
（5）天文学
在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。
炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。
而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。
（6）通信技术
THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。
这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。
虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。
（7）其他
此外，太赫兹在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有广泛的应用。
研究该频段不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。
目前，笼统的说THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开，THz产生源、THz探测和应用研究。
目前最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源，另外也没有能够常温下直接探测太赫兹射线的被动式探测器。
太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别，而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。
鉴于THz射线的特点，必将给通信、雷达、天文、医学成像、生物化学物品鉴定、材料学、安全检查等领域带来深远的影响，进而改变人们的生产生活。
4、什么是滤波器
当今社会是一个信息化时代，信号的处理是人们日常生活中不可避免的问题之一，滤波器作为信号处理的必需设备得到了广泛的应用。
滤波器，是一种用来消除干扰信号的器件，能将输入或者输出信号经过滤波后得到纯净的电流。
而对特定频段的频点或者该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器电路。
其功能就是得到一个特定频率或者消除一个特定频率。
案例：
最简单的滤波器电路是LC谐振电路，一般由适当的滤波电容
器，电感和电阻组合而成，如图3.1就构成了最简单的LC滤波器。
滤波器只对某一特定的频率范围内的微波呈现无衰减地通过，这个频带称为通带;反之，对这一频率范围之外的频率呈现尽大可能地衰减，此通带以外的频带称为阻带。
5、滤波器的参数
（1）带内最大插损
滤波器通带内的插损越小说明滤波器的质量越好。
（2）通带宽度
通带宽度是指通带的上限频率和下限频率之差。
根据不同的应用要求，对滤波器的通带宽度也有不同的要求，因此有窄带滤波器，宽带滤波器，超宽带滤波器等等之分。
（3）中心频率
中心频率是通带的上下限频率的几何平均值，由具体的应用频段而定。
（4）带外衰减
带外衰减反应了滤波器对带外信号的抑制能力，所以带外衰减越大越好，越快越好。
（5）寄生通带
由分布参数的传输线段频率响应的通带周期性引起，使得在离开设计通带一定距离处又产生了通带（通常各中心频率之间成整数倍关系）。
由滤波器的评价参数可见，一个功能优异的滤波器我们要使它既有很宽的带宽，衰减也要大，并且其中心频率也能自由调控。
6、太赫兹滤波器的研究现状和进展
（1）基于光子晶体的太赫兹滤波器结构
2004年，法国H.N侑mec.等发明了一种基于一维光子晶体的可调太赫兹滤波器。
其结构为两个成对出现的一维周期性结构——布拉格镜面（布拉格镜面由3个直径为15mm的石英晶片制成。
三个石英晶片平行放置，相邻晶片之间的距离是200mm，通过硅材料将其相互隔开），在两个布拉格反射镜之间插入温光材料KTaO3，从而在一维光子晶体结构中引入缺陷，缺陷模式的存在使得原来结构形成的禁带.
中出现一个很窄的通带，频率落在窄通带范围内的光信号可以在上述结构中传输，实现了滤波功能。
通过改变温光材料的外部温度来调节温光材料的介电特性来调节滤波器结构的缺陷态，即调节窄通带的中心波长，实现滤波器的可调谐性。
2006年，我国台湾的研究人员Chao-yuanChen等提出了基于向列液晶材料的室温太赫兹立奥滤波器。
该滤波器可以利用磁场控制向列液晶的双折射特性，从而控制二维金属光子晶体中太赫兹的传输特性，实现可调立奥滤波器。
2006年，我国的Y.Zhang等将在光通信领域广泛应用的多模干涉原理应用于太赫兹波段，得出多模干涉（MMI）理论以及自成像原理在太赫兹波段同样适用，并利用多模干涉效应提出了基于光子晶体的太赫兹滤波器。
在光子晶体结构中引入缺陷，是实现太赫兹滤波器的基础，鉴于其对某些特定范围的太赫兹波的高通过率和对其他频率太赫兹波的高反射率，可以基于光子晶体结构实现性能优越的太赫兹滤波器。
（2）基于光栅和表面等离子体等周期性结构的太赫兹滤波器
近年来对超颖材料、表面等离子体以及光栅等周期性结构的研究发现，此类结构的一些特性可以用来实现太赫兹滤波器。
特别是光栅，由于其成熟的加工技术，使得基于光栅的太赫兹滤波器加工制作相对容易。
目前，研究人员已经提出了多种基于此类周期性结构的太赫兹滤波器结构。
2003年，德国Erlangen-Nuremberg大学StephanBiber等使用高效率二元光栅作为频率选择器件，实现了中心频率在300GHz，截止频率为450GHz的带通滤波器。
。
这一滤波器是基于光栅理论来实现的，根据入射场角度ni、衍射光束的出射角度nd、衍射阶数n，以及一维光栅周期p之间的关系sinnd=sinni+nl/p，通过选择ni和p可以控制衍射场的阶数和角度，对于带通滤波器，选择光栅参数使其只有0，-1两阶衍射，防止能量转移至高阶谐波，从而实现带通。
结构中使用的矩形槽光栅可以通过常规的机械加工方法制备。
通过严格的衍射理论控制光栅输入损耗，使其效率最优化，在300GHz处的透射率可达99.5%。
案例1：
韩国首尔大学J.W.Lee等，利用一种结构实现了中心频率可调的太赫兹滤波器。
这一结构是通过飞秒脉冲加工法在金属薄膜上打上不同形状的孔（正方形，圆形，长方形，C形，e形等）来实现的。
下图是滤波器结构的扫描电子显微镜（SEM）图、加工过程以及其频率传输特性。
原理：
在电介质表面镀上一层金属薄膜，则当电磁波入射到金属和电介质交界面时，入射场沿介质表面传输，在表面形成强表面场，强表面场以及远场散射使得这种结构的传输系数非常大。
如果在金属薄膜上打上周期性地孔、条或者周期性的放置一些金属微颗粒，便可形成表面等离子体晶体、等离子体波导等。
等离子体晶体、波导可以实现对某一频率范围内的入射波具有非常高的传输系数，另外还可应用于形成负折射率材料、生物探测、超透镜等。
通过图示的传输特性可知滤波器对某些特定的频率可以实现99%的透过率。
滤波器的中心频率是由孔的形状、几何尺寸、对称性和晶格常数来决定的。
另外，改变场的入射角度和极化方向，也可以实现对透射频率的控制。
2003年，加州大学的研究小组提出了一种太赫兹等离子体高通滤波器，该结构是基于一种新型的人工材料，这种人工材料由开口的环型谐振器与细长金属导线阵列结合得到，可以通过设计使得特定频率处的折射率、介电常数等参数为负，表现出不寻常的电磁特性，因而又被称为超颖材料。
高通滤波器常用于太赫兹成像领域，主要用来滤除温度辐射信号，提高成像质量。
（3）基于量子阱结构的太赫兹滤波器
2000年3月，I.H.Libon，P.Dawson等提出了一种使用混合型量子阱结构实现的光可调滤波器。
利用激光照射量子阱结构使结构中的电子和空穴结合产生光子，从而改变结构中光学激发的载流子的数量，由关系式
（2）：
可知改变载流子的浓度n可以改变等离子频率，因而量子阱结构的光学特性可以被入射的激光束控制，改变激光器的功率等参数便可以改变太赫兹波的透射谱，实现滤波器、衰减器、相位转移器件等功能。
国际和国内一些研究机构提出的太赫兹滤波器的实现方法和结构，主要涉及到的结构有布拉格镜面、立奥滤波器、光学光栅、二维硅基光子晶体、超颖材料以及量子阱等。
其中布拉格镜面、光栅以及量子阱结构已经广泛的应用于实际的光学系统中，加工制作技术已经非常成熟，目前主要的加工方法包括传统刻划方法、飞秒激光加工、体硅刻蚀法、聚焦离子束刻蚀、表面硅微细加工技术等。
与上述结构相比，超颖材料以及缺陷二维硅基光子晶体是新近出现的新型人工结构，结构复杂、晶格尺寸小，因而实际的制备过程相对困难，对加工工艺和加工环境要求比较高，虽然现在已经可以通过微加工技术制作类似的结构，如微铅版印刷技术，但要想使其形成产品从而真正应用于实际还有待于纳米加工技术、微机械加工等新技术的进一步发展。
光子晶体在滤波器等器件中都有着广泛的应用，在今后太赫兹研究中将占据重要的地位。
目前，实现太赫兹滤波器的光子晶体、超颖材料等都是比较复杂的人工结构，在实际的制作中比较困难，成本较高，制约了太赫兹波在实际中应用，因而如何提高此类结构的制作技术和制作工艺对太赫兹的研究也非常重要。
相信随着微机械加工技术和纳米加工技术的不断发展，超颖材料和二维光子晶体的加工技术也会日趋成熟。
因而在以后的研究过程中，光子晶体和新涌现出来的新材料、新结构等将是太赫兹滤波器研究的重点。
7、研究太赫兹的有关国内研究组及其主要研究内容
（1）南京大学超导电子研究所
高灵敏超导THz探测器
高效率超导单光子探测器
可调频高功率超导THz辐射源
简便型（常温和液氮温区）THz探测器
THz功能器件（特导材料）
THz应用研究
（2）北京理工大学毫米波太赫兹技术课题组
正致力于太赫兹集成芯片与系统的开发与研制工作，主要应用于安检成像领域。
（3）首都师范大学“太赫兹波谱与成像”重点实验室
太赫兹波谱研究
太赫兹成像研究
太赫兹与红外无损检测研究
太赫兹与物质相互作用
（4）深圳大学太赫兹技术研究中心
光子晶体太赫兹器件
光子晶体光路集成
其它光子晶体器件
超物质（Metamaterial）及其应用
新型太赫兹源
太赫兹检测
太赫兹成像技术
（5）电子科技大学毫米波与太赫兹无线通信技术开发
（6）中国石油大学光传感与光探测实验室
（a）光功能材料与器件实验室
（1.1）氧化物光信息功能材料（有机气相沉积与热处理；分子束外延与微结构；光电探测）
（1.2）太阳能材料与器件
（b）太赫兹波谱与探测实验室
（2.1）石油化工产品太赫兹光谱分析
（2.2）氧化物材料太赫兹波谱与表征
（7）中国科学院上海应用物理所高能物理研究所太赫兹光谱技术实验室
（a）太赫兹成像技术及应用
基于THZ-TDS发展了轮廓成像技术、化学混合物的定量分析等方法，并对反射式THz波层析进行了深入的模拟研究，这些结果陆续发表在《ChinesePhysicsLetters》、《物理学报》、《OpticsCommunication》等杂志上。
（b） 化合物太赫兹特征光谱的测量研究
利用THz-TDS技术测定苯甲酸及其衍生物、咖啡酸、芥子酸等羟基肉桂酸衍生物的THz时域光谱，结合远红外、拉曼光谱等辅助技术以及量子化学计算获得它们在100cm-1以下的振动模式信息。
并对不同性质的基团的取代基效应进行了初步的探讨。
结果表明在实验波段范围内分子间氢键作用和晶格振动对光谱贡献明显。
（c） 几种糖类分子和药物分子的太赫兹特征光谱测量研究
利用THz-TDS技术对D型，L型以及DL混合型的糖类分子的THz-TDS进行了测量。
结果表明，THz-TDS能够反映D或L构型与DL混合构型之间的区别。
测定了阿替洛尔、芬氟拉明等高血压治疗药物的吸收光谱性质，并结合量子化学计算，对图谱进行简单解析。
利用太赫兹光谱对晶体结构敏感的特性，对药物呋喃苯胺酸的不同晶型及溶剂化产物进行了分析鉴定。
研究成果对制药过程中的质量控
制有指导意义。
（d） 纳米及其复合材料太赫兹光谱性质研究
测定了碳纳米管、C60、石墨以及不同结构的碳黑材料与聚乙烯组成的复合材料的太赫兹光谱性质，获得了它们的吸收系数和折射率等参数随碳的种类和含量的变化关系，并结合德拜偶极子理论对结果进行了分析。
结果显示，复合材料对太赫兹波的吸收程度随碳种类的不同有很大的区别，其中C60对太赫兹波的吸收最弱，碳纳米管则表现出非常强的相互作用。
利用太赫兹光谱技术研究纳米ZnO材料性质取得重要进展。
图为ZnO多枝结构材料的太赫兹介电性质与体材料性质的比较。
（e） 离子辐照制备太赫兹发射晶体
利用He离子辐照成功修复因施加过高电压而电击穿的太赫兹发射光电导天线。
成功利用He离子束辐照半绝缘砷化镓（SI-GaAs）晶体制备出与低温外延生长的砷化（LT-GaAs）太赫兹发射性能相当的太赫兹发射晶体。
（8）天津大学太赫兹波研究中心
主要研究方向为全固态小型化可调谐太赫兹相干光子器件
及太赫兹传输特性研究，充分利用全固态激光和非线性光
学技术，实现室温运转、小型化、1-3THz可调谐的窄带
THz相干光子辐射源的运转，以满足THz在科学研究、国
民经济以及国防安全的实际应用要求。
8、利用Rsoft进行器件仿真
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