《《太赫兹激光在成像方面的研究》-公开DOC·毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《太赫兹激光在成像方面的研究》-公开DOC·毕业论文（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、武汉工业学院毕 业 设 计设计题目：太赫兹激光在成像方面的研究姓 名 姜贺 学 号 071203201 院 （系） 数理科学系 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 纠 智 先 2011年6月11日目录摘 要IAbstractII1引言12 电磁波42.1电磁波的传播42.2电磁波的基本概念及产生42.3电磁波的一般函数表示式52.4 太赫兹波简介52.5 太赫兹波的产生62.6 太赫兹波的探测83 太赫兹成像103.1太赫兹成像的基本原理103.2 太赫兹成像的像素信息113.3太赫兹波传播过程中横模分布的成像124太赫兹成像技术184.1 太赫兹扫描成像184.2 太赫兹实时成像204.3
2、 连续波成像234.4 太赫兹近场成像244.5 太赫兹CT25结论27谢 辞28参考文献29 摘 要太赫兹辐射介于微波和红外之间，本文回顾了太赫兹射线成像的进展情况，与微波、X射线、核磁共振NMR(nuclear magnetic resonance)成像相比，太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息，而且能给出频率域的信息，以及在光频、微波和X射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息，太赫兹射线与其他频段的电磁波相比，它能量低，不会造成对生物样品的电离损伤，而且太赫兹射线很容易穿过介电材料，因而可以用于产品的安全监测、纳米材料的无损探伤，因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有可能带来
3、新的关键性的突破.研究了焦点位置附近太赫兹波的横模分布，目的在于了解系统中太赫兹波的横向分布情况，为进行太赫兹光谱和成像实验提供依据。介绍了太赫兹成像原理及相关的时域扫描成像、实时成像、连续波成像、近场成像和层析成像技术。列举了太赫兹光谱和成像技术在国家安全、生物研究、材料研究、无损检测等方面的应用。 关键词：太赫兹成像；太赫兹波；横模分布；狭缝法；太赫兹成像技术 Abstract In this paper, we present an overview of recent progress of T-ray imaging. Compared with microwave, X-ray i
4、maging and NMR (nuclear magnetic resonance), T-ray imaging can give us not only the density picture but also the phase information within the frequency range. The unique rotational，vibrational and translational responses of materials(molecular ,radicals and ions) within the THz range provide informa
5、tion that is generally absent in optical ，X-ray and NMR images. The important characteristic of T-ray is that it has potential to detect the nature of low energy processes in physics, chemistry and biomedicine without the ionization. T-rays can also easily penetrate and image inside most dielectric
6、materials and nano materials，which make it a useful and complementary imaging source.We also believe that the key” application of terahertz technology is for T-ray imaging bio-body. Principle in THz imaging. The transverse mode distribution of THz wave near the position of focus point was studied in
7、 this paper. It is important to know the transverse distribution of THz wave, which can be referenced as an evidence of sample positioning in THz spectroscopy and THz imaging experiments. Time-domain raster scan imaging, real-time imaging, continuous-wave imaging, near-field imaging and tomography i
8、maging are introduced. Potential applications of THZ technology, such as homeland security, biological research, materials research, non-destructive evaluation are discussedKey words: T-ray imaging, THz wave , transverse mode distribution, slit method , THz imaging technologyII 1引言 THz辐射通常指的是波长在3mm3
9、0m(100GHz10THz)区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外之间，在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致该波段被称为电磁波谱中的THz空隙，该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口，近十几年来，超快激光技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展，THz技术之所以引起广泛的关注，是由于太赫兹电磁波有其独特的特点，它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前
10、景1。可见光、X射线、电子束、中红外、近红外和超声波是在医学诊断、材料分析以及工业生产等诸多领域中广泛应用的主要成像信号源，与以上的光源相比，太赫兹电磁波对于某些电介质材料有很强的穿透效果，除了可测量由材料吸收而反映的空间密度分布外，还可以通过相位测量得到折射率的空间分布，从而获得与材料相关的的更多信息，这是太赫兹时域光谱的独特优点，电磁波成像，相对于可见光和X射线具有非常强的互补特征，特别适合于可见光不能透过、而X射线成像的对比度又不够的场合，此外，太赫兹电磁波的光子能量极低(1THz约4.1meV)，没有X射线的电离性质（光子能量在keV量级），不会对材料造成破坏，THz电磁波可以穿过衣服
11、和皮肤，但是它不会像X射线一样对人体构成伤害，利用THz电磁波可以检查机场通关的旅客与行李，检查邮件中是否藏有毒品、炭疽菌粉或炸弹等违禁物品，THz脉冲成像的非破坏性和非接触性对研究珍贵艺术作品和研究古生物化石等样品很有价值，例如透过艺术品的表面对内部可视化，无需接触或破坏易损的纸张而确定书籍的内容等。另外，对诸如火焰的热分析、塑料封装集成电路的引线图成像、聚合物内部的气泡以及陶瓷中的裂缝探测等，太赫兹时域谱成像都是极有前途的技术，自太赫兹电磁波被首次用于成像以来，各种太赫兹成像技术相继问世，如太赫兹近场成像技术，太赫兹层析成像技术，时域太赫兹逆向变换成像技术等等2,3。虽然太赫兹波的产生和探
12、测技术只在近几年才取得一定的成果，而且目前还没有适当功率的小型化商品出现，但太赫兹技术的应用早已得到同步开展。这主要归功于太赫兹波在某些应用领域的不可替代性。例如，很多干燥的非极性非金属材料在太赫兹波段的穿透性很强；太赫兹波的能量很低(lTHz约4emV)，对有机组织无伤害；太赫兹脉冲的宽度一般在亚皮秒级，信噪比高，适合瞬态研究；采用太赫兹TDS技术4,5可以直接测量太赫兹波电磁场的相位和振幅。正是太赫兹波的这些特性才使它在许多领域受到了重视。 太赫兹波成像技术(T-ray Imaging)相对于可见光和X射线有非常强的互补特征，其穿透能力介于两者之间，又不会对人体或生物组织造成伤害。太赫兹波
13、在材料研究、安检，生物和医学中的各种成像应用是目前开展得最广泛的研究。 太赫兹波成像技术可以利用相位信息进行成像，许多干电介物质对太赫兹波段基本是透明的，但是折射率不同会引起太赫兹波相位的变化，从而实现对不同材料的鉴别。例如使用太赫兹波成像技术在车站、机场对行李或旅客进行安检就非常理想，它可以准确地检查刀具、枪支、炸药及非法药品毒品等6-8。对细胞水平的生物组织进行成像，丰要是测量不同组织及其含水量对太赫兹波的吸收引起能量的变化，例如皮癌9及其它组织表层病变的早期诊断等。通过太赫兹TDS技术还可以同时探测太赫兹波的相位和振幅变化信息，可以实现对材料光谱特性的研究，例如测定掺杂半导体载流子的富集
14、度和迁移率10和研究高温超导材料的特性11等。对于太赫兹成像技术的分辨率，由于瑞利极限将系统的远场分辨率限定在太赫兹波波长，即约0.3mm，要提高空间分辨率就只有采用近场成像的方法。贝尔实验室的Mitrofanov等人用中心波长为600m的太赫兹波，得到了7m的空间分辨率12；Yamashita等人在对大规模集成电路进行成像时实现了3m的分辨率。近场成像技术的分辨率仅与光学系统的孔径有关，这不仅提高了太赫兹波成像系统的分辨率，也扩大了太赫兹系统的应用领域。 如前所述，由于太赫兹波对材料的敏感性，太赫兹技术可以广泛用于机场、码头等部门及国土安全检测。美国RPI学院进行的太赫兹波探测地雷试验，在1
15、0m的范围达到了2mm的精度13。另外有关太赫兹波炸药探测和生化武器监测的研究也正在开展。 太赫兹波的大气传输特性如图l所示，在870m、735m、620m、450m、350m图l太赫兹波的海平面大气传输特性附近存在着相对透明的窗口。由图1可以看出，太赫兹波在军事领域的吸引力并不在于它的灵敏度，而是它可以提供更高的空间分辨率或减小孔径尺寸。但是由于水分和生物目标引起的衰减，太赫兹波的远距离遥感需要高灵敏度的探测器。例如，在l00m的距离使用1cm的探测器，就只能接收辐射到目标上的太赫兹波能量的10。对于太赫兹遥感技术来说，单光子探测器是比较合适的探测技术，但是目前这种探测器还需要低温技术。由于军事应用要求有高能量的光源、高灵敏度的探测技术和高稳定性的系统，目前实验
