太赫兹脉冲测量技术与其在计量中的应用研究

摘 要 随着科技的快速发展，太赫兹脉冲测量技术越来越受到广大行业的关注。本文综述了国内外太赫兹脉冲测量技术的研究情况；阐述了太赫兹脉冲技术的产生原理以及太赫兹脉冲测量技术的类型；最后对太赫兹脉冲测量技术的三种应用进行了详细的分析，并对这三种应用情况进行了对比研究。

关键词 太赫兹脉冲；测量技术；应用研究

中图分类号TB9 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）123-0201-02

Terahertz Pulse Measurement Technology and Application in Metrology

Abstract With the rapid development of technology， THz pulse measurement technology is more and more by the industry’s attention. This paper reviews the research situation both at home and abroad of terahertz pulse measurement technology； describes the terahertz pulse technology generation principle and types of terahertz pulse measurement technique； at the end of the three applications of terahertz pulse measurement technology are analyzed in detail， and the three application were studied.

Keywords Terahertz pulse；Measurement technology；Application Research

0 引言

大赫兹脉冲测量技术是大赫兹技术近年来发展的一种新技术，在各领域受到广泛的关注。大赫兹的频率范围为0.1THz-10THz，波长范围为0.03mm～3mm的电磁波。大赫兹脉冲是指其脉冲信号宽度为0.1ps-10ps范围之间的信号。大赫兹脉冲测量技术由于有其独特的优点，越来越受到大众的广泛认识，取得了一定的研究成果。

胡永生等学者对大赫兹技术的应用进行了相关的研究，研究结果表明，大赫兹技术近年来在物体成像、军事、医疗、生物和环境方面应用广泛[1]。Yamashita等学者对较大规模的集成电路进行成像分析，结果表明，成像时实现了3微米的分辨率[2]。Eyal等学者利用直径为1.7亚毫米的望远镜并采用1.25太赫兹-1.5太赫兹波段的太赫兹探测器对天文情况进行了观察[3]。

因此，大赫兹技术已经受到国内外相关研究学者的重视，研究出了一定量的成果，其中包括了大赫兹脉冲测量技术方面的研究成果。本文首先主要介绍和分析了大赫兹脉冲测量技术主要的几个方面，其次对大赫兹脉冲测量技术在计量中的几种常见的应用进行了分析。

1 大赫兹脉冲技术的产生及测量技术

1.1 大赫兹脉冲技术的产生

大赫兹脉冲的基础是飞秒脉冲激光器，通过瞬时态光产生一种电流或者是通过非线性介质产生一种非线性效应，以下主要对几种常见的技术进行了详细的阐述。

1）电光晶体产生技术

电光晶体产生技术是一种将极短激光脉冲作用在线性介质上而产生的一种电脉冲技术，该技术最早是S.L.Chuang等学者研究提出的。其示意图如图1所示。

图1 电光晶体产生太赫兹脉冲示意图

从图1容易看出，当飞秒激光脉冲进入电光晶体介质后，在电光晶体介质内激发一种随着时间变化而变化的电场，并随之产生一种极化电流，其极化电流使电光晶体产生一种太赫兹脉冲。

电光晶体产生的太赫兹脉冲的宽度与其进入脉冲的宽度相关不多，因此，产生的太赫兹脉冲具有相对宽的频率范围和相对较高的时间分辨率范围。电光晶体产生的太赫兹脉冲能量主要来源是射入脉冲的能量，由于其输出的功率不足，因此，它的能量不仅受激光脉冲的制约，同时也受不同介质的影响。由于有其上述的制约，太赫兹脉冲能量的转换效率受到了两个方面的因素影响，其一是材料的非线性系数，其二是太赫兹脉冲与介质材料对太赫兹脉冲的吸收之间的两种相位匹配。

2）电离大气产生技术

电离大气产生技术是利用极短超强激光脉冲对空气进行电离，从而产生空气等离子体，在伴随产生相应的等离子体的同时产生了太赫兹脉冲信号。由于电离空气产生技术的非线换介质为大气，与其传统的光学材料相比，有其独特的特点，不易受到破坏，因此，该技术受到了研究者广泛的关注。

1.2 大赫兹脉冲测量技术

在国内外研究学者的共同努力下，大赫兹脉冲测量技术越来越先进，其基本参数的测量也随之有较快的发展。大赫兹脉冲测量技术的基础是使太赫兹脉冲产生技术的逆过程，同时，该技术也结合等效取样技术来测量。因此，太赫兹脉冲测量技术主要有两种，一种是电光测量技术，一种是大气电离测量技术。本文主要对该两种测量技术进行了详细的探讨。

1）电光测量技术

电光测量技术最早由Kolner等研究学者最先提出，该技术是采用了一种电光晶体的电光效应对电场强度进行测量[4]。电光晶体测量技术的影响物理机制是通过电场作用电光晶体折射率。电光测量技术有以下几个方面的优点：一是测量范围广；二是响应速度快；三是分辨时间能力强；四是动态范围广。现阶段的电光测量技术已经发展到外电光测量技术，该技术的原理是利用微小探头靠近需要测量器件的外表面，使微小探头全部处于电场中，从而达到能测出电场。同时具有适应范围广、干扰信号能力小等优点。

2）大气电离测量技术

大气电离测量技术的测量过程与电光晶体测量技术的测量相似，该技术主要是通过激光照射大气等离子体三阶非线性光学的反过程，从而对太赫兹脉冲进行测量的一种新技术。

2 太赫兹脉冲测量技术的应用

随着电子高科技的高频发展，大赫兹脉冲测量技术在计量中起到越来越重要的作用，以下对常见的几种在计量中的应用进行详细的阐述。

2.1飞秒脉冲发生器校验

飞秒脉冲发生器在现在各领域有很广泛的应用，不仅能直接单独使用，而且也能便携的量值传递工具。飞秒脉冲发生器校验采用的原理是对飞秒脉冲信号进行时域测量，从而会产生一种脉冲信号的波形，通过分析脉冲信号的波形来得到有关的波形参数，最终能实现对飞秒脉冲发生器的校验。该校验方法已经有了较快的发展，不仅能够用于校验飞秒脉冲发生器，同时也能校验飞速误码仪的发射端等多种仪器的校验。

2.2 宽带取样示波器校验

随着高频和微波技术的快速发展，近年来，宽带取样示波器技术的极大的更新发展，其在测量方面的应用也更加广泛了。因此，宽带取样示波器如何校验，同时做到准确的校验，如今显得越来越重视。目前对宽带取样示波器校验的主要大致方法有三类：一类是N-T-N方法，该方法利用三台示波器，通过两两配对相互测量，最终得出各台示波器的频率。N-T-N方法对示波器校验准确与否主要取决于方法的部分固有假设，而且只对固定的示波器有用。二类是扫频校验方法，该方法的主要优点是能够精确的源头功率计的校验，主要缺点是它无法明确示波器响应中的相位有关的信息。三类是标准脉冲检验法，该方法较为直接，主要是通过从测量结果中分离出来的一些标准脉冲信息，从而通过标准脉冲信息来确定示波器频率的响应。此方法的主要缺点是需要足够快、频段高且能量充足的标准脉冲信源。

2.3飞速光电检测器校验

飞速光电检测器所需的宽带越来越大，为了对飞速光电检测器的进行校验，NIST利用EOS技术对飞速光电检测器的校验技术进行了相关的研究。该校验方法主要是采用已校验过的仪器（宽带示波仪）进行测量，使其飞速光电检测器发生一种飞速的脉冲，通过对所发出的脉冲响应波形进行分析。

2.4 三种仪器对比分析

通过对上式三种仪器的校验进行详细的阐述，结果表明，不同的检测器所需要的脉冲或宽带是有所不同的。为了对这三种检测器进行深入的了解，以下对三种检测器的相关系列数据进行分析。

类型 带宽 最宽带宽 脉冲半高全宽 阶梯上升时间

飞秒脉冲发生器校验 50GHz 100 GHz 15ps 10 ps

宽带取样示波器校验 33 GHz 100 GHz 7.8 ps 6.5 ps

飞速光电检测器校验 60 GHz 310 GHz 20ps 11 ps

3 结论

本文通过对目前国内外的研究现状进行了分析，得出国外对太赫兹脉冲测量技术明显先于国外。对常见的几种太赫兹脉冲测量技术进行了阐述，得出主要的测量技术主要有电光测量技术和大气电离测量技术。最后对太赫兹脉冲测量技术的应用进行了分析，得出三种应用情况。

参与文献

[1]胡永生，陈钱.大赫兹技术及其应用研究的进展[J]. 红外，2006，27（1）：11-15.

[2]Masatsugu Yamashita，Kodo Kawase and Chiko Otani. Optical Society of America，2005，13：115-120.

[3]Eyal Gerecht，Sigfrid Yngcesson，et al.Trend a low noise terahertz receiver user instrument for AST/RO at the south pole. Millimeter and submillimeter detectors for astronomy[C]. proc. of SPIE. 2003， 4855：574-582.

[4]Kolner B H，Bloom D M，Cross P S. Electro optic sampling with picoseconds resolution.Electronics Letters，1983，19：574-576.

[5]马吉，马红梅，龚鹏伟.太赫兹脉冲计量技术[J]. 宇航计测技术，2010，30（1）：24-27.