分 类 号：

O43

密 级：

无

单位代码：

10028

学 号：

2090602028

首都师范大学硕士学位论文

论文题目

太赫兹时域光谱系统的搭建和光谱测量

THz Time Domain Spectroscopy System Structures and Spectral Measurement

研 究 生： 张盛博

指导教师： 赵国忠 教授

学科专业： 光 学

学科方向： 太赫兹光学

2012年5月

首都师范大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名： 日期： 年 月 日

首都师范大学学位论文授权使用声明

本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。

学位论文作者签名： 日期： 年 月 日

首都师范大学学位论文使用授权声明

本人已经认真阅读首都师范大学的“研究生学位论文著作权管理规定”，同意本人所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定：

学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥有学位论文的部分使用权，即：

已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；

为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。

同意论文提交后发布□；滞后：□半年；□一年发布。

作者签名： 导师签名：

年 月 日 年 月 日

本人已经认真阅读“CALIS高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文提交“CALIS高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的规定享受相关权益。

同意论文提交后滞后：□半年；□一年；□二年发布。

作者签名： 导师签名：

年 月 日 年 月 日

摘要

太赫兹光谱技术是指利用太赫兹波提取物质的物理和化学信息的技术。由于许多轻分子的转动频率、大分子官能团的振动模式和生物大分子的谐振频率都处于太赫兹波段，所以太赫兹光谱技术对于研究基础物理相互作用有着重要意义，在国家安全、反恐和缉毒等领域有着重要的应用。

关键词：太赫兹，时域光谱仪，透射光谱，反射光谱

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首都师范大学硕士学位论文

ii

V

Abstract

Terahertz spectrum technology is defined as technique that extracts physical and chemical information from sample by terahertz wave. It is a great number of material resonance phenomenon locates in terahertz frequency such as rotation frequency of huge kinds of light molecules, oscillating mode of macromolecular functional groups, and resonance frequency of biological molecule. Therefore, Terahertz spectrum technology has very significant effects on researching matter interaction of fundamental physics. It has been introduced and used in national security, anti-terroristic action, and investigation and capturing of drug smuggling.

Key words：terahertz, time domain spectrum, transmission spectrum, reflection spectrum

II

目录

摘要I

AbstractIII

目录V

第1章引言1

1.1太赫兹辐射简介1

1.2太赫兹技术的应用2

1.3太赫兹时域光谱技术2

1.4本课题的选题意义2

1.5本论文的主要结构2

第2章太赫兹时域光谱仪的搭建及优化3

2.1太赫兹时域光谱仪概述3

2.2太赫兹时域光谱仪概述4

2.3日食观测及宣传活动5

2.4学生组织及学术团体5

2.5求学历程6

参考文献8

硕士期间所发表的论文9

硕士期间的其它工作10

致谢10

太赫兹时域光谱系统的搭建和光谱测量太赫兹时域光谱仪的搭建及优化

IV

引言

1855年至1864年间，麦克斯韦(Maxwell, 1831-1879)发表了一系列电磁学的研究论文，建立起以方程组为核心的电磁场理论。1879年，亥姆霍兹(Helmholtz, 1821-1894)为柏林大学和普鲁士科学院提出了两个电磁波方向的悬赏课题，引导赫兹(Hertz, 1857-1894)开始从事电磁学的实验研究[[endnoteRef:2]]。………………而太赫兹波作为电磁波谱上新开发的最后一个频率窗口，于20世纪80年代才随着超快飞秒激光技术而发展起来[[endnoteRef:3]-][[endnoteRef:4]][[endnoteRef:5]]。 [2: []钱长炎. 也论电磁波的预言及其发现过程[J]. 物理, 2003, 32(7): 484-487.] [3: [] Mourou G, Stancampino C V, Blumenthal D. Picosecond microwave pulses generation [J], Appl. Phys. Lett. , 38,470. (1981).] [4: [] Auston D H, Cheung K P, Smith P R. Picosecond photoconducting Hertzian dipoles [J]. Appl. Phys. Lett. , 45,284. (1984).] [5: [] Exter M, Fattinger C, Grischkowsky D. High-brightness terahertz beams characterized with an ultrafast detector[J]. Appl. Phys. Lett. , 55,337. (1989).]

太赫兹辐射简介

太赫兹辐射(Terahertz Radiation, THz)，属于远红外波段[[endnoteRef:6]-][[endnoteRef:7]]。………………其中，一个振荡频率为的电磁波震荡周期为()，对应的波长为，波数为，光子能量为，特征温度为[[endnoteRef:8]]，如图 11所示。 [6: [] D. Dgragoman, M. Dragoman [J]. Terahertz fields and applications, Progress in Quantum Elctronics, 28, 1～66. (2004)] [7: [] 许景周, 张希成. 太赫兹科学技术和应用[M]. 北京:北京大学出版社, 2007.] [8: [] 张存林. 太赫兹感测与成像[M]. 北京:国防工业出版社, 2008.]

THz Gap

图 11 电磁波谱[[endnoteRef:9]] [9: [] Wikipedia. A diagram of the EM spectrum [DB/OL]. http://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_Spectrum_Properties_edit.svg]

太赫兹技术的应用

目前，太赫兹波在半导体、生物医学、成像、国防等很多领域都受到广泛的关注，其应用方向大体可归结为两类，即太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术。

太赫兹成像技术

太赫兹成像技术是指利用太赫兹波对物体进行成像的技术[[endnoteRef:10]]。……………… [10: [] 张存林, 牧凯军. 太赫兹波谱与成像[J]. 激光与光电子学进展, 47:023001(2010).]

太赫兹光谱技术

太赫兹光谱技术是指利用太赫兹波提取物质的物理和化学信息的技术。………………

太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术源于20世纪80年代，是由美国AT&T通信公司的Bell实验室和美国IBM公司的T. J. Watson研究中心提出并发展起来的[[endnoteRef:11]]。………………太赫兹时域光谱技术主要有以下几个优点[9,][[endnoteRef:12]]： [11: [] B. Ferguson, X. -C. Zhang, Materials for terahertz science and technology [J], Nat. Mater., 1, 26-33, 2002.] [12: [] 王鹤. 塑料衬底上金属薄膜和金属网格结构的太赫兹透射光谱特性研究[D]. 北京: 首都师范大学, 2011.]

1. 相干性。………………

宽带性。………………

高分辨率。………………

高信噪比。………………

本课题的选题意义

随着太赫兹光谱技术的发展，………………

本论文的主要结构

本论文分为五章，各章的主要内容如下：………………

太赫兹时域光谱仪的搭建及优化

随着太赫兹光谱技术的发展，………………

太赫兹时域光谱仪概述

太赫兹时域光谱系统原理相对简单，………………

太赫兹时域光谱仪的研究进展

目前，国内外的一些企业或院所研究小组均尝试了一些太赫兹时域光谱仪的设计和研制。

Z-Series产品中采用的是传统的太赫兹光路结构，………………，其主要性能参数如表 21所示。

表 21 Z-2太赫兹时域光谱仪性能参数表

技术指标

Z-2

光谱范围

频谱分别率

(傅里叶变换后)

最大时延

动态范围

外形尺寸

太赫兹时域透射光谱系统的数据处理

复折射率可以描述样品的宏观光学性质。其中，为样品的实折射率，反映色散特性；为消光系数，反映样品对于电磁波的吸收特性。此外，吸收系数与消光系数之间存在线性关系

两组数据相比即可以得到样品对太赫兹波的透射率

(2.11)

根据麦克斯韦的电磁理论和菲涅耳方程，可以推导出：

(2.12)

(2.13)

(2.14)

其中，是样品的厚度，是真空中的光速，为角频率。

太赫兹时域光谱仪概述

太赫兹时域光谱系统原理相对简单，………………

仪器的可靠性

GZ-I型太赫兹时域光谱仪的可靠性主要从元器件、光路结构、环境因素和人为因素几方面进行考量。

元器件

太赫兹时域光谱仪中需要一些窗口材料，根据首都师范大学王鹤等人的研究表明，聚苯乙烯(PS)对太赫兹波的透射率较高，如图 21所示。………………

b)

a)

图 21 几种塑料材料在太赫兹频段的a) 频域谱和b) 透射谱

………………

………………

………………

………………

日食观测及宣传活动

这次观测获得了大量珍贵资料，并在观测结束的归途中，做了大量的天文学普及教育活动，如举办日食展览、放电影和天文讲座等，破除日食迷信收效理想。张钰哲回忆道：

城中本众，震于吾人观测日食时刻之准确，每以“天文王”之尊号见称。濒行时，县长朱门复以丰盛之酒肉，在县府内为日食观测队饯别。……临洮师范王校长在座，亦谓彼尝与戚友解释日食原理，众不尽信，或仍坚持天狗及金虾蟆吞日之说，逮见吾人预知日食时刻，竟分秒不差，乃一变往日将信将疑态度，而全盘接受矣。食时伐鼓鸣金救日之举，重庆成都，均且不免，而临洮以边陲僻县，是日竟未闻一滴之锤声；观测队所到处，本众感受之优良影响有如是者。

按中国民间传统说法，日食是因为“天狗食日”，但1941 年的日食发生时，临洮这个边陲小城竟听不到讨伐天狗的打鼓鸣锣之声。而在回程途中，张钰哲、高鲁等人还应沿途各单位邀请做了有关日食的报告，讲解日食原理、宣传天文知识。

学生组织及学术团体

国立北平大学工学院化系同学会的宗旨为：“砥砺学行、敦睦友谊及谋本系之福利与发展。”凡在校的工学院化学系学生均为该会的会员。关于会费问题，工学院化系同学会的会员1年分两季缴纳，共需缴纳4角钱，但当“本会遇有特殊事项得由常务委员会负责征募款项。”

国立北平大学工学院毕业同学会以“联络感情、研究学术、促进母校前途之发展并从事社会之建设”为宗旨，所有毕业于国立北平大学工学院的同学均可以成为该会的会员。该会的组织为委员制，定委员20人并推选出正副主席各2人，其下设总务股、文书股、财务股、交际股、调查股、介绍股，每股各设委员3人，日常以此6股管理该会的一切事物。关于经费问题，该会会员每人每年要缴纳1元。除此之外，还有聚餐费和特别捐款。聚餐费为：“本会为融洽感情、敦笃友谊起见，每年聚餐两次，每次每人缴纳聚餐费两元，由财务股办理，如有余款拨充本会经常费。”特别捐款为：“本会因进行会务之需要得向会员募集特别捐款，其多少由会员自由捐助。”国立北平大学工学院毕业同学会的会议分为常年大会、临时会和聚餐会3种，常年大会为每年秋季举行1次，临时会为遇到特殊事情时，并由5人以上提议方可召开。

求学历程

王颂蔚夫妇共育有四子五女，他们对子女身教言传，使他们志存高远，并创造条件使子女接受良好的教育，受到中西文化的滋养子女们个个学有专长，走到了世界科学技术前沿。其中四个儿子曾被称为“王氏四杰”，他们分别是长子王季烈[footnoteRef:1]、次子王季同（王守觉院士之父，下节介绍）、三子王季点[footnoteRef:2]、幼子王季绪[footnoteRef:3]，他们均驰骋于数理工程领域，为近代科学在我国的发展贡献了力量。 [1: 王季烈（1873—1952年），字晋余，号君九，别号螾庐，清末民初物理教育家。光绪廿年（1894年）中举，后到上海江南制造局与英国人傅兰雅合作翻译了《通物电光》，他首先主张将physics译名的“物理”。1905—1911年，任学部专门司郎中，主管高等教育与派遣留学生事务，兼任京师译学馆理化教员，一度担任该馆监督(校长)。曾任商务印书馆理科编辑，翻译了《最新理化示教》与《最新化学》、《近世化学教科书》、《高等小学理科教科书》，编写了民国初年的《共和国教科书·物理》、《共和国教科书·化学》。还主持编印了《物理学语汇》，并在北京创办五城学堂。并著有《螾庐曲谈》、《正俗曲谱》、《度曲要旨》、《集成曲谱》等昆曲书籍，校订过《元明孤本杂剧》，被誉为中国近代昆曲三大家之一。] [2: 王季点（1879—1966年），字巽之，号希琴。1902—1906年留学日本，毕业于东京工业学院应用化学科。赴日前在江南制造局翻译馆编译了《中学矿物界教科书》、《制羼金法》等书。自编《便蒙丛书》、《小学理科初集》，又助其兄季烈学日语，并为季烈编译《通物光电》、《物理学》等书校对。归国后任京师大学堂格致科提调（教授）、农工商部主事、北平工业实验所技正兼代所长。1922年，与李乔苹等人发起组织筹备成立中华化学工业会。他热心于“实业救国”，曾在京、津、丹东等处创办火柴公司及北京玉泉酿酒公司等企业，自任董事长，参与技术指导。] [3: 王季绪（1882—1967 年），字絸庐。我国最早的机械工程专家之一。早年就读于同文馆，后留学日本东京高等理工大学预科，1908 年入英国剑桥大学工科，1912 年获得硕士学位。归国后，先后执教于北京大学、北平工业学院，任教授。1931 年后任北洋工学院教授、教务长、机械系主任，曾代理北洋大学校长。其间还兼职黄河委员会委员、中国工程师学会理事。1931 年，“九·一八”事变后，为抗议国民党当局逮捕北洋大学进步学生，他通电全国，呼吁国民党政府出兵抗日，并同进步师生一起进行绝食斗争。1935 年，与刘仙洲等人联名发起成立中国机械工程学会。1937 年“七·七”事变后，王季绪严词拒绝与日伪合作，回到苏州老家隐居。抗战胜利后，1946 年应聘出任东山莫釐中学首任校长。1949 年后，接受北洋大学聘请，任机械系教授。]

王守觉的父亲不主张孩子去学校读书，希望他们在家中自学，但也不反对他们去学校。在母亲的坚持下，5岁的王守觉被送入当时家庭所在地附近的上海巨鹿路采福里小学就读，初小后全家移居苏州十全街，四年级起他便在苏州相王弄彭氏小学就读。旗杆里彭家是苏州名门，康熙雍正两朝出过祖孙状元。清末把私塾改为小学，学校在彭宅的东南部。教师是从外面聘请的，也开设英语，班级有20多人[footnoteRef:4][[endnoteRef:13]]。王守觉在这里完成了比较系统的小学教育，这也是他一生中最顺利的求学经历。 [4: 王守觉院士访谈. 2012 年6 月19 日. 苏州] [13: [] 王守觉院士访谈. 2012 年6 月19 日. 苏州]

1936 年，11 岁的王守觉进入苏州东吴大学附中读初中。一年以后，王守觉刚读完初一，日本侵华战争爆发，威胁到苏州，1937年11月他随年迈的双亲逃难，一路颠沛流离，甚至绕道香港、越南，于1938年逃到大后方昆明。1939 年初王守觉进入昆明天南中学读初三下学期[footnoteRef:5][[endnoteRef:14]]，毕业后本想考高中，却因为疾病缠身，住进了医院。出院后又因为脱课时间太长，校方不同意他回原班上课，便辍学在家。就在这时，家里出现了经济困难，14岁的王守觉不甘心在家吃闲饭，就出去打工，补贴家用。他修过钟表，自制门锁、养过猪。1941 年入昆明裕庆建筑公司当练习生[footnoteRef:6][[endnoteRef:15]]， 练习生的工作好容易稳定了，他却因在昆明机场工地搞测量时染上了猩红热，差点送了命！等病好了，饭碗也丢了。等病好了，饭碗也丢了。1941 年底，王守觉看到原来的同班同学高中快毕业要考大学了， 心有不甘。于是他决心将学业追赶上去，就趁养病的时间发奋自学高中课程。他具有极强的尊心，每次碰到问题都不愿意去请教受过高等教育的父亲及姐姐哥哥，而是独自关起门来看书。他的办法是先做题目，不会做的参看答案，答案看不懂的再去看书。这样学习数理化课程，培养了他独立思考、自立自强的个性。让他犯难的科目是英语。当时高考有英语作文考试，而他的英语只有初中基础。于是，他找来一些英文杂志，对生词逐个查字典，然后背个滚瓜烂熟[footnoteRef:7][12]，这样准备了半年，到1942年夏天，自己觉得有把握了，就想以同等学力报考国立大学。 [5: 中国科学院学部联合办公室编. 中国科学院院士自述[M]. 上海：上海教育出版社. 1996:741.] [14: [] 中国科学院学部联合办公室编. 中国科学院院士自述[M]. 上海：上海教育出版社. 1996:741.] [6: 中国科学技术协会. 中国科学技术专家传略（工程技术编）电子、通信、计算机卷1[M]. 北京:电子工业出版社,1998:500.] [15: [] 中国科学技术协会. 中国科学技术专家传略（工程技术编）电子、通信、计算机卷1[M]. 北京:电子工业出版社,1998:500.] [7: 王守觉院士访谈. 2011 年9 月22 日. 苏州]

参考文献

第4页

第5页

硕士期间所发表的论文

1. ……………………

……………………

……………………

硕士期间的其它工作

本人在攻读硕士研究生期间，除了完成本课题的探索和研究以外，还进行了一些其它工作，主要包括：

1. ………………；

1. ………………；

致谢

………………

500.0G

1.0T

1.5T

2.0T

2.5T

0.0

400.0n

800.0n

1.2µ

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Reference

PC

PET

PMMA

POM

PS

Amplitude (a.u.)

Frequency (Hz)

500.0G

1.0T

1.5T

2.0T

2.5T

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

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PC

PET

PMMA

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Transmission

Frequency (Hz)