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太赫兹成像 传感 及通信技术手册,太赫兹技术入门必备
著作权合同登记图字军-2014-140号 图书在版编目(CIP)数据 太赫兹成像、传感及通信技术手册/(加)萨义德齐亚( Saeedkia,D.)编著;陈樟等译.一北京:国防工业 出版社,2016.5 书名原文: Handbook of terahertz technology for imaging, sensing and communications ISBN978-7-118-10692-3 L.①太…Ⅱ.①萨…②陈…Ⅲ①电磁波-成像-技术手册②电磁传感器一-技术手册③电磁辐 射-无线电通信-技术手册Ⅳ.①O44-62②TP22-62③TN9-62 中国版本图书馆CP数据核字(2016)第066384号 Handbook of terahertz technology for imaging, sensing and communications by Daryoosh Saeedkia ISBN 978-0-85709-235-9 Copyright@ Woodhead Publishing Limited, 2013 Authorized Simplified Chinese translation edition published by Elsevier( Singapore) Pte Ltd and National Defense Industry pr ress Published in China by National Defense Industry Press under special arrangement with Elsevier Si Ingapore )Pte Ltd. This edition is authorized for sale in China only, excluding Hong Kong, Macau and Taiwan Unauthorized export of this edition is a violation of the CoDvright Act. Violation of this Law is subject to Civil and Criminal Penalties 本书中文简体版由 Elsevier( Singapore) Pte ltd.授予国防工业出版社在中国大陆地区(不包括 香港、澳门以及台湾地区)出版与发行。未经许可之出口,视为违反著作权法,将受法律之制裁。 本书封底贴有 Elsevier防伪标签,无标签者不得销售。 版权所有,侵权必究。 ※ 阍所:第出版社出版发行 (北京市海淀区紫竹院南路23号邮政编码10048) 国防工业出版社印刷厂印刷 新华书店经售 开本787×10921/16印张29字数676千字 2016年5月第1版第1次印刷印数1-1500册定价132.00元 (本书如有印装错误我社负责调换) 国防书店:(010)88540777 发行邮购:(010)88540776 发行传真:(010)88540755 发行业务:(010)88540717 译者序 本书针对太赫兹技术最有优势、近年来得以快速发展的三个应用领域——成像、传感 及通信,对太赫兹技术应用所涉及的基础知识、最新技术进展和材料研发现状,以及多个 行业的应用情况进行了较为全面的介绍。本书没有大量繁琐的太赫兹基础理论介绍,直 接从技术应用角度切入,内容新颖、条理清晰、实用性强,且包括全面、翔实的参考文献列 表,能够为致力于太赫兹技术工程实用化的科技人员提供便利的参考。同时,作为一本全 面介绍太赫兹成像、传感及通信技术的书籍,本书也十分适合于太赫兹领域的广大研究人 员以及具有一定专业基础、有志于从事太赫兹研究的入门者参考使用。 本书编者 Daryoosh Sdeedkia先生在他多年的科技研究与工程实践的基础上,组织美、 加、德、英、日、韩等多个国家的,跨越产、学、研三界的太赫兹应用技术专家及学者,联合编 撰了本书。它全面系统地展示了太赫兹技术在成像、传感和通信领域应用相关的方方面 面,代表了国际上太赫兹科学与技术的应用发展水平和趋势,是从事太赫兹应用技术研究 的科技人员所迫切需要的权威技术指南,同时也是广大读者全方位了解太赫兹成像、传感 和通信技术的基础知识最新进展、应用现状及发展趋势的绝佳读本。 全书共22章,中国工程物理研究院(简称中物院)电子工程研究所陈樟翻译了第3 章、第5章、第7章、第13~14章、第17章,王亚军翻译了第19~20章,罗雪梅翻译了第 18章,中物院科技信息中心杨蒿翻译了第Ⅰ~2章、第4章、第6章、第1章、第16章、第 21~22章,中物院太赫兹中心集成电路研究室刘超、安宁、李志强、李倩翻译了第8章,王 瑞涛翻译了第9章,王文杰、曾建平、童小东、李倩翻译了第10章,蒋均翻译了第11章,刘 伟翻译了第15章。陈樟对全部译稿进行了统稿,并与杨蒿和罗雪梅一起进行了审校。由 于译者水平及经验所限,译文中的不妥和疏漏之处在所难免,恳请读者批评指正。 陈樟 2015年7月 Ⅲ 前言 过去的20年见证了太赫兹科学技术领域的空前发展。那些传统上应用于射电天文 及等离子体诊断研究的既庞大又昂贵的太赫兹实验室设备,已经进化成商业化的成套系 统产品,让科技人员得以在太赫兹波下重新审视他们的科学问题。目前,太赫兹传感与成 像系统已有商业产品,太赫兹无线通信即将登场。让我们额手称庆一个新纪元的到来这 就是太纪元! 人们已开发了多种紧凑的太赫兹源和检测器,用于产生、检测及操纵相干太赫兹信 号,量子级联激光器、倍频链及光导光混频器等太赫兹源在转换效率和加工封装技术方面 取得了巨大进展。非致冷高灵敏太赫兹检测阵列技术的进步使得室温视频速率太赫兹成 像成为可能。太赫兹表面等离激元与近场传感器得以深入研究,它们在生物传感与太赫 兹集成电路方面的应用已经展现。太赫兹成像系统正成为工厂生产线上进行实时工艺与 质量控制的得力工具。与此同时,其他一些被认为是太赫兹技术潜在市场的工业应用领 域也受到人们的关注和研究。 本书适合于那些想对这一发展最快也最为激动人心的研究领域有更多了解的人们, 也适合于那些在过去的几年中为太赫兹技术进步作出贡献的人们。对于后者,本书可用 作太赫兹技术领域最新进展的综述合集,也可作为太赫兹科学基础理论的参考书籍;对于 太赫兹领域的入门者,每一章都介绍了太赫兹科学与技术的一个方面,并提供了全面的参 考文献列表以供进一步学习。 在此,我要感谢所有撰稿人对本书的支持。希望广大读者能够喜欢这本书。 Daryoosh Saeedkia 加拿大安大略省,滑铁卢 目录 第一部分太赫兹成像、传感及通信技术基础 第1章用于太赫兹波产生及检测的光电技术 1.1引言… 1.1.1太赫兹源技术 1.1.2光电太赫兹源 1.2太赫兹探测器技术 222344 1.2.1零差探测器… 1.2.2外差探测器…… 1.2.3光电探测器… 1.3太赫兹光导天线产生太赫兹信号 e,, 1.3.1连续波模式… 44455689 1.3.2脉冲模式… 1.3.3库仑屏蔽效应和辐射屏蔽效应…… 1.4太赫兹光导天线探测太赫兹信号……………………………………9 1.4.1连续波模式 1.4.2脉冲模式…… ……………10 1.4.3连续波模式与脉冲模式的对比 10 1.5非线性晶体中的参量互作用… 6非线性晶体中的差频混频 12 1.7结论……… 14 1.8参考文献……………………………………………14 第2章太赫兹波在塑料波导中的传输与传播…………………20 2.1引言 20 2.2基于塑料的太赫兹光纤光学的主要挑战…………………………………20 2.2.1损耗………………………………………………………………………21 2.2.2色散……………………………………………………………………24 2.2.3亚波长光纤的封装…… ………25 2.3基于亚波长光纤的器件 7 2.3.1基于光纤的太赫兹成像…… ………28 2.3.2定向耦合器和无损切断技术…… 2.4空芯光纤 2.4.1反谐振反射光纤… 31 2.4.2布拉格光纤 ……………32 2.5太赫兹复合材料 36 2.6太赫兹波导的实验表征…………………………………………38 2.7结论… …………39 2.8致谢… 41 2.9参考文献 …………41 第3章太赫兹表面等离激元基础……… 45 3.1引言……… 45 3.2 Drude模型 3.3平面上的表面等离激元 3.3.1色散… ::.::·:······:··········· 3.3.2表面等离激元的特征长度:波长、传播长度及衰减长度……51 3.4多层结构…… 54 3.4.1薄层中的长程及短程表面等离激元 54 3.5太赫兹等离激元的新趋势 57 3.5.1穿孔金属上设计的表面等离激元…………………………………58 3.5.2局域表面等离激元……………………………58 3.6致谢…………………………………………59 3.7参考文献 59 第4章太赫兹近场成像及传感基础 6 4.1引言 4.1.1近场和远场………………………………………………66 4.1.2感生电偶极矩和感生磁偶极矩的辐射· 4.2太赫兹近场测量… 68 4.3不同亚波长孔的近场 71 4.3.1圆孔近场成像… 71 4.3.2圆孔的有效偶极矩… 72 4.3.3方孔近场成像 74 4.3.4矩形孔近场成像………… ………74 4.3.5矩形孔(纳米级宽度)近场成像… 77 4.4基尔霍夫近场估算公式 ∴…………78 4.4.1基尔霍夫公式和近场与远场间关系 78 4.4.2纳米狭缝和纳米天线的近场估算……………………79 4.5结论 82 4.6参考文献 83 第5章太赫兹场效应管 88 5.1引言 88 5.2低维结构中的等离子体波… 88 5.2.1体等离子体波……………………………………89 5.2.2二维(2D)电子气… 5.2.3栅控2D电子气 90 5.2.4线中的等离子体波………………90 5.3直流场效应晶体管稳态的不稳定性………………………………91 5.3.1倾斜模式和边缘发射…………………………92 5.4FET检测太赫兹辐射 93 5.4.1高频体制… ……………93 5.4.2低频体制 ………………94 5.4.3特征长度………… 94 5.4.4非线性机制… 95 5.4.5简化理论… 5 5.4.6现象学方法… ∴…96 5.5FET的太赫兹辐射研究…………………………………97 5.5.1回旋共振光谱仪…………………………………………………97 5.5.2傅里叶变换光谱仪…………………………………………98 5.5.3太赫兹发射阈值………… .··..·.·.·····::·············::·················· 98 5.5.4边缘发射… 98 5.5.5可调发射… 5.5.6讨论 100 5.6FET太赫兹检测的实验研究… 101 5.6.1实验装置 ∴…101 5.6.2光响应建模 ………101 5.6.3栅极漏电流 ………………………102 5.6.4温度依赖性∴…………………………………………………………102 5.6.5负载效应…………………………………………………103 5.6.6最优长度选择………………………………………103 5.6.7硅FET太赫兹检测………… ………104 5.6.8室温成像 105 5.6.9谐振检测………… …………105 5.6.10谐振谱线展宽 ∴………………………107 5.6.11沟道窄化 107 5.6.12电流窄化… 107 5.6.13强磁场研究 ……108 Ⅷ 5.7结论…… · 109 5.8致谢… 109 5.9参考文献…… 109 第6章太赫兹无线通信… …………113 6.1引言……………………………………………………………113 6.2太赫兹无线通信的发展动因… 113 6.3通信中的大气传输……… 115 6.3.1太赫兹辐射的方向性……… 115 6.3.2闪烁对链路的恶化………………………………116 6.3.3包括雾、雨及雪在内的大气和自由空间衰减 ··· 117 6.4太赫兹通信信道建模 119 6.4.1室内 119 6.4.2卫星-卫星/卫星-地面…… 121 6.4.3隐蔽战场…… 124 6.5太赫兹通信硬件:源和检测器…………………………126 6.5.1光电………………………………………………………………………126 6.5.2微波倍频器 129 6.5.3量子级联激光器…………130 6.5.4太赫兹集成电路…………………………………131 6.6太赫兹调制器… ·· 132 6.6.1决定于太赫兹发生器的调制方式 ……………132 6.6.2肖特基二极管混频系统 132 6.6.3独立于太赫兹发生器的调制方式… .,,.,,,,,,,,.,,,,,,,,,· 134 6.6.4用于太赫兹波束整形和控制的调制器 134 6.7太赫兹信号调制格式… 136 6.8太赫兹通信系统实例 136 6.8.1太赫兹光电通信系统 ………………………………137 6.8.2MMIC集成电路系统 140 6.8.3量子级联激光器系统………………………………………………141 6.8.4微波倍频系统………………………………………………141 6.9太赫兹通信链路上的雨、雾和大气闪烁的实验表征 …142 6.10未来趋势……………………………………………147 6.11更多参考信息……………………………………………148 6.12致谢…………………… ………………………………148 6.13参考文献… 148 第二部分太赫兹技术最新进展 第7章太赫兹生物传感技术……………………………………………………157 Ⅸ 7.1引言… 157 7.2太赫兹传感水动力学… 157 7.3蛋白质传感…… 158 7.4依赖结合态的传感………………………………160 7.5太赫兹频段的生物分子特征谐振…………161 7.6水介导太赫兹分子成像……………… 163 7.7结论…………………… 163 7.8致谢 163 7.9参考文献………………………………………164 第8章太赫兹阵列成像仪:基于等离子体波的硅基 MOSFET检测器 实现太赫兹相机… 167 8.1引言 167 8.2阻性混频——准静态分析…………………………168 8.3等离子体混频—流体动力学分析… 8.3.1器件模型 170 8.3.2阻性混频机制 170 8.3.3分布式阻性自混频体制 171 8.3.4等离子体混频体制 ………………173 8.4互补型金属氧化物半导体(CMOS)场效应管用作太赫兹探测器的 相关技术、设计及实现………………………………………………175 8.4.1互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术在太赫兹焦平面的应用…175 8.4.2CMOS天线的集成…………………………………………176 8.4.3探测器设计和实现 177 8.5场效应管探测器的表征和优化………………………………178 8.5.1电学和光学响应率…………………………179 8.5.2噪声等效功率( Noise- Equivalent Power,NEP) 180 8.5.3响应时间 ……181 8.5.4阻抗匹配和调谐的局限 ………181 8.55一种器件表征方法 182 8.5.6 MOSFET太赫兹探测器结果…… 182 8.5.7电流偏置响应率的增强……………………………………184 8.6太赫兹相机的发展 185 8.6.1一个50像素的阵列… 185 8.6.210千像素虚拟相机的直接实时成像仿真………………186 8.6.3使用10千像素虚拟相机仿真的实时相干成像………………187 8.7太赫兹成像的其他焦平面技术概述… 189 8.8致谢 190

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