基于光子混频的连续太赫兹辐射产生及应用研究

论文摘要

基于光子混频的连续太赫兹辐射源具有线宽窄、可调谐范围宽、结构简单、室温工作及价格低等优点,在太赫兹光谱、成像及传感等方面具有广阔的应用前景,近年来成为国内外研究的热点之一。然而光子混频能量转化效率、光电导天线辐射效率等因素限制了该辐射源的实际应用。本文针对基于光子混频的连续太赫兹辐射产生及应用展开研究,主要包括低温GaAs光电导体辐射连续太赫兹波的系综蒙特卡罗模拟,光电导天线辐射电阻特性研究,太赫兹频段的双频偶极光电导天线的提出与优化以及连续太赫兹波图像增强算法研究等。本文的主要工作如下：1)介绍了太赫兹波产生与探测的相关方法以及太赫兹辐射的特性,列举了太赫兹辐射的典型应用。回顾了基于光子混频产生连续太赫兹辐射的国内外研究进展,并分析了该辐射源中存在的主要问题以及提高其辐射功率的主要途径。阐述了光电导天线产生连续太赫兹辐射的光子混频原理,并对光电导天线的基本特性以及光电导天线设计中所涉及的有限积分方法做了介绍。2)对低温GaAs光电导体的连续太赫兹辐射过程进行系综蒙特卡罗模拟,从微观角度研究了偏置电场和载流子寿命对连续太赫兹辐射强度的影响。首先阐述了GaAs材料性质及能带结构,而后对蒙特卡罗方法中的模拟要素作了简单介绍,然后根据光电导体的太赫兹辐射理论提出基于光子混频产生连续太赫兹辐射的系综蒙特卡罗模拟流程。模拟结果表明,由于空间电荷电场屏蔽效应以及散射等因素的影响,随着偏置电场的增强,太赫兹辐射强度先是随偏置电场的增强而上升,当达到峰值后逐渐趋于饱和。虽然降低温度使粒子发生散射的几率降低,但同时也减小了粒子的初始能量,故低偏置电场时低温下连续太赫兹辐射功率比常温下小,而当偏置电场超过某一阈值时,降低温度能够使连续太赫兹辐射功率增大。优化载流子寿命能够提高连续太赫兹辐射强度。3)研究了蝶形、螺旋和偶极这三种常用光电导天线的辐射电阻特性,计算结果表明,具有谐振特性的偶极光电导天线在其谐振频率附近的辐射电阻比其它两种宽带天线的辐射电阻大；虽然交叉电极光子混频器能够提高光电导天线能承受的激光功率,但对光电导天线在高频处的辐射电阻具有一定抑制作用。鉴于双频天线在材料识别以及太赫兹通信等领域的应用前景,提出了一种适用于太赫兹频段的双频偶极光电导天线结构。以辐射电阻和电学辐射特性为优化目标,对该光电导天线的主要结构参数进行优化,仿真结果表明设计的光电导天线具有在太赫兹频段的双频辐射特性。4)对制备的光电导天线进行了脉冲太赫兹辐射测试,并和国外公司制作的光电导天线进行了性能比较。以光电导天线作为太赫兹辐射源和探测器,搭建了基于光子混频的连续太赫兹波系统,对实验结果进行了分析。5)提出了一种结合小波去噪的多尺度图像增强算法。该算法先用拉普拉斯金字塔对连续太赫兹波图像进行多尺度分解,然后采用指数变换在空域对获得的细节图像进行对比度增强。为减小放大噪声的影响,在进行金字塔重构过程中对得到的近似图像用小波软阈值方法进行去噪,并对变换后的小波系数图像采用非线性变换以进一步增强图像细节。实验结果表明,结合小波去噪的多尺度图像增强算法有效地减小了噪声,且增强后的连续太赫兹波图像细节分明、边缘清晰,有利于后续的图像处理和识别。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 插图和附表清单
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 太赫兹波技术概述
• 1.2.1 太赫兹波产生方法
• 1.2.2 太赫兹波探测方法
• 1.2.3 太赫兹波特性及应用
• 1.3 基于光子混频的连续太赫兹辐射国内外研究进展
• 1.3.1 光电导天线概述
• 1.3.2 波长连续激光实现
• 1.3.3 提高连续太赫兹辐射功率的主要途径
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.4.1 本文主要工作
• 1.4.2 本文章节安排
• 2 光子混频原理及光电导天线设计方法
• 2.1 引言
• 2.2 光子混频原理
• 2.3 光电导天线设计
• 2.3.1 天线基本特性
• 2.3.2 有限积分方法
• 2.4 本章小结
• 3 低温GaAs产生连续太赫兹辐射的蒙特卡罗模拟
• 3.1 引言
• 3.2 GaAs材料性质及能带结构
• 3.3 系综蒙特卡罗模拟方法
• 3.3.1 初始状态
• 3.3.2 自由飞行
• 3.3.3 散射处理
• 3.3.4 电场状态更新
• 3.4 低温GaAs辐射连续太赫兹波的模拟流程
• 3.5 模拟结果分析
• 3.5.1 偏置电场影响
• 3.5.2 载流子寿命变化
• 3.6 本章小结
• 4 光电导天线辐射特性研究及优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 光电导天线辐射电阻特性研究
• 4.2.1 交叉电极光子混频器
• 4.2.2 光电导天线辐射电阻性能
• 4.3 双频偶极光电导天线优化设计
• 4.3.1 天线结构
• 4.3.2 线优化及仿真结果
• 4.4 本章小结
• 5 连续太赫兹波产生实验及图像增强算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 光电导天线制备及测试结果
• 5.3 连续太赫兹波实验
• 5.3.1 系统光路
• 5.3.2 控制软件
• 5.3.3 实验结果及分析
• 5.4 连续太赫兹波成像及图像增强算法研究
• 5.4.1 连续太赫兹波成像系统
• 5.4.2 结合小波去噪的多尺度图像增强算法
• 5.4.3 图像增强结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历