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太赫兹波(又称为T射线)指频率在0.1-10THz范围的电磁辐射,介于红外和微波之间。太赫兹电磁波不可以完全用微波理论或光学理论解释研究,有着其独特的物理规律,国际上对于太赫兹的研究仅有短短二十多年,人们对于该波段的认识还非常有限。但是由于太赫兹结合了电子学和光学的双重特性,拥有频率高、脉冲时间短、光子能量小、时间空间分辨率高等特点,它在宽带通讯、雷达、射电天文、生物理疗等领域有着重大的科学价值和应用前景。
本文利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)测量系统着重关注5~300 K温度区域内在0.2~3 THz频段具有亚波长小孔阵列的金属结构的频谱响应。利用实验室超导材料和低温物理研究的经验,制备了具有亚波长小孔阵列的Nb金属薄膜,研究了在5~300 K温度区域亚波长小孔阵列在太赫兹频段的异常透射现象。通过利用CST软件进行数值模拟,并测量获得与模拟相吻合的测量结果,对产生异常透射的原理进行了分析得到以下结果:
一,制备Nb金属薄膜刻蚀的亚波长小孔阵列并经实验测量证实在太赫兹频段也存在异常透射现象,与红外、光波段类似。利用微加工方法制备了厚度约200 nm的Nb薄膜,在其上刻蚀了半径为15μm和20μm的微米尺度圆孔阵列,圆孔阵列的晶格常数分别为60μm和80μm。经测量证实该样品的异常透射频谱峰值位置与仿真CST模拟结果一致,即THz小孔阵列的增强透射与小孔阵列的晶格常数,和孔的直径有关。
二,由于实验测量的样品为Nb金属薄膜,在低温环境中具有超导电性,电导率极大。在与本实验的样品的R-T曲线相对照可以得出,在5~300 K温度区域,随着其电导率的降低,透射峰的幅值随温度降低而增大。
三,本文还介绍了利用远红外激光源搭建的太赫兹连续波成像系统对具有病变和正常组织对比的兔的身体组织样品进行透射扫描产生灰度图象。从图像中可以分辨出病变组织和正常组织,为太赫兹成像技术在生物医学领域的应用提供了有益的例子。