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我国提出新的太赫兹时间频率特性分析方法

更新时间:2017-06-13 点击次数:210次字号:T|T

“飞秒激光”———瞬间发出的功率比全世界发电总功率还大的奇特之光;“太赫兹频段”———电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。2009年12月23日,在中国计量院昌平实验基地举行的两场课题鉴定会上,与会专家一致认为,我国在飞秒脉冲激光参数测量、太赫兹产生与测量等前沿光学计量领域已经达到了国际一流研究水平。

激光曾被视为神秘之光。近年来,科学家研究发现了一种更为奇特的光———飞秒激光。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,具有非常高的瞬时功率,比目前全世界发电总功率还要高出百倍。它还能聚焦到比头发直径还要小的空间区域,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

在飞秒激光的各项研究中,其参数的准确测量对飞秒脉冲激光产生、传输、控制等各个过程的研究和应用具有重要作用。由中国计量院光学所完成的课题“飞秒脉冲激光参数测量新技术研究”自主研究并建立了准确、可靠、稳定、实用的飞秒脉冲激光参数测量装置,对飞秒脉冲激光参数测量引起误差的各种因素做了系统、深入的研究,实现了对飞秒脉冲激光时域波形、光谱相位、脉冲宽度、峰值功率等参数的准确测量。“我们首次提出并实现了飞秒脉冲光谱相位和光学元件色散特性测量的新方法和新技术,降低了传统方法的光谱相位测量不确定度和误差,将飞秒脉冲激光参数的准确度提高到一个新水平。”课题组主要成员邓玉强介绍,课题组的创造性研究成果已多次被日本北海道大学、法国圣艾蒂安大学、中国工程物理研究院、中科院上海光机所等国内外著名研究机构引用,促进了超短脉冲激光研究和应用技术的发展,提升了我国在超短脉冲激光参数测量领域的国际地位。在课题鉴定会上,专家组也认为,该课题的完成标志着我国在前沿光学计量领域达到了国际一流水平。

飞秒激光参数测量技术等超快技术的发展直接推动了光学计量另一前沿高端技术的进步,那就是太赫兹研究。据介绍,太赫兹频段是指频率从十分之几到十几个太赫兹,介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。长期以来,由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法,人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限,该波段也被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”,是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。

谈到太赫兹研究的运用领域,中国计量院光学所所长于靖仿佛一下子打开了话匣子:“太赫兹的作用简直太大了。在食品领域,不同的物质在太赫兹波段存在不同的吸收谱线,因此可以利用这一特性识别物质成分,检验食品中的有害物质。如识别大豆油、花生油、混合油、地沟油等,识别油水混合物中油的含量,检验奶粉中是否含有三聚氰胺等;在纺织品领域,丝绸、尼龙、棉布、麻布、皮革等都有独特的太赫兹吸收谱线,利用这一特性可以将太赫兹作为检验纺织品材料和质量的手段;在医疗领域,生物体内的水分对太赫兹有较强的吸收,而病变细胞由于所含水分减少,从而吸收减少。利用这一特性可以用太赫兹区分健康细胞与病变细胞;在安全检验领域,太赫兹可以区分毒品,如大麻、兴奋剂、摇头丸等。太赫兹也是探测地雷、炸药、爆炸物等危险品非常有效的光源。用太赫兹成像还可以观察到恐怖分子是否带有凶器,太赫兹也能透过建筑物观察到内部的情况,在反恐方面有重大的应用前景。”除此之外,太赫兹在航空航天、天文、生物、药品制造等多个领域都有非常重要的应用。

太赫兹广泛而重要的应用前景使它被认为是改变未来世界的十大技术之一。但是,太赫兹研究中存在很多需要突破的关键问题。“最难的就是太赫兹的产生以及相关参数的测量。”于靖介绍说,刚刚完成鉴定的“太赫兹脉冲产生与时频特性测量方法研究”课题正是将太赫兹的产生和测量作为研究重点,课题组在对太赫兹产生、传输和探测方面进行了大量实验和自主研究,突破了太赫兹辐射与测量一系列关键技术,最终产生了(0.1-3.5)THz的宽带相干太赫兹辐射,并建立了太赫兹时域和频域测量实验装置。

邓玉强介绍:“我们在国际上首次提出了新的太赫兹时间频率特性分析方法,消除了传统方法产生的频谱干涉,降低了时域波形噪声的影响,实现了物质太赫兹吸收谱线的高分辨测量,在太赫兹时间频率特性分析方面属国际领先水平。我们自主研制的太赫兹系统可以产生稳定的宽带太赫兹辐射,为太赫兹光谱的研究提供了有利的工具。”鉴定委员会专家也一致认为,太赫兹辐射测量装置具有测量结果准确、重复性好、稳定性高、结构紧凑、信噪比高等特点,达到国际先进水平。

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