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1、山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 1 摘摘 要要本文主要介绍了太赫兹光谱成像技术在安全方面的应用，其中包括太赫兹技术 的简介，太赫兹成像的原理。并且简要的说明了太赫兹技术在我国的发展。用于太 赫兹研究的其他材料。主要介绍的是太赫兹光谱成像在爆炸物检测、毒品稽查、安 检、医学方面的应用。其主要的根据是太赫兹射线的脉宽特性、光子能量低、吸收 小等特点。最后本文说了一些自己对与太赫兹技术的看法。关键词关键词：太赫兹 光谱与成像 安全领域 脉宽 能量 吸收AbstractThis paper mainly introduces the terahertz spectroscopic
2、imaging technologys applications in security. Including terahertz technology introduction.Tell the theory of T- Rays imaging.And make a brief description of terahertz technology development in China. Other material of T-Ray.The main introduction is Terahertz spectroscopic imagings applications in ex
3、plosives, check up drugs, security, medical. Its main base on its characteristic such as T-Rays Pulse width, Low photon energy,little absorption.After all I would tell few of my view point to T-Ray.Key words: T-Ray, Spectroscopy and imaging, Security domain, Pulse width, Energy, Absorption山东轻工业学院 20
4、12 届本科生毕业设计（论文） 2 第一章第一章 基本原理基本原理1.1 太赫兹的简介THz 波（太赫兹波）或称为 THz 射线（太赫兹射线）就是大家所熟知的远红外射线。当然远红外线并不足以说明。太赫兹波是指频率在 0.1THz 到 10THz 范围的电磁波，波长大概在 0.03 到 3mm 范围，介于微波与红外之间。（图 1-1）实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在 1896 年和 1897 年，Rubens和 Nichols 就涉及到这一波段，红外光谱到达 9um（0.009mm）和 20um（0.02mm），之后又有到达 50um 的记载。之后的近百年时间，远红外技术取
5、得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为 THz 间隙。随着 80 年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz 源成为一种准常规技术，THz 技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz 研究热潮。 图 1-1太赫兹的基本特点：是 THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。目前，脉冲 THz 辐射通常只有较低的 THz 射线平均功率，但是由于 THz 脉冲有很高的峰值功率，
6、山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 3 并且采用相干探测技术获得的是 THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在时域光谱系统中的信噪比可达 105 或更高。THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十 THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在 THz 波段范围。因此 THz 时域光谱技术作为探测材料在 THz 波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。太赫兹光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物
7、质。所以这个特点是太赫兹检测区别于其他射线检测的最大好处。尤其是在医学领域，使用太赫兹射线不会对患者造成身体的损伤。许多的非金属非极性材料对 THz 射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。例如，陶瓷，硬纸板，塑料制品，泡沫等对 THz 电磁辐射是透明的。所以太赫兹可以广泛的应用于安检领域。鉴于 THz 射线的特点，必将给通信、雷达、天文、医学成像、生物化学物品鉴定、材料学、安全检查等领域带来深远的影响，进而改变人们的生产生活。本文对太赫兹在安全领域的应用仅仅算是抛砖引玉。1.2 太赫兹成像技术原理利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的 THz 技术，它的本质原理是 T
8、Hz 成像。跟其他波段的成像技术一样，THz 成像技术也是利用 THz 射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。THz 成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。前者具有 THz 时域光谱技术的特点。同时它可以对物质集团进行功能成像，获得物质内部的折射率分布。太赫兹成像的引人之处在于它的相位敏感的光谱成像，这样就可以进行材料鉴别或者是功能成像。太赫兹系统是对像纸、塑料和陶瓷这样的干燥电介质的理想成像技术，这些材料相对而言在太赫兹波段不存在吸收，然而不同材料却可以根据太赫兹相位信息中提取的折射率加以区分。很多这种材料在光频段是不透明的，并且对于 X 射线对比度又非常的低。太赫兹成
9、像可能在安检和制造业的质量控制方面找到合适的应用。对于这点的一个非常重要的目标就是三维（3D）层析 T 射线成像系统。（图 2-1）山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 4 图（2-1）图（2-1）显示的就是一两个折射率不同的塑料圆柱的重构的断面和 3D 渲染成像。这个系统和 X 射线计算机断层扫描的原理是一样的，但是通过宽带、相敏太赫兹探测可以获得关于材料依赖于频率的光学特性的丰富的信息。1.3 用于太赫兹技术研究的其他材料正如上文所说，太赫兹在非金属非极性材料有着其独到的作用，在这里结合我们要讨论的太赫兹技术在安全方面的应用还要提出另外一点，就是生物材料。 太赫兹系统在生物医
10、学方面有非常广泛的应用，比较活跃的研究领域涵盖了癌细胞检测到遗传分析。许多蛋白质和 DNA 分子的集体振动模式预测在 THz 波段，这一点极大促进了太赫兹光谱在生物医学方面的应用。太赫兹光谱也被预测具有推断生物分子构象状态信息的潜力。测定了含有 DNA 和其他生物分子的压制小片的复折射率，其吸收与存在有大密度的在红外波段活跃的低频模式一致。DNA 分析器被用于确定多种遗传学应用的核苷酸碱基序列。基因芯片的制作是一个日益流行的技术，它将未知的 DNA 分子用一段基序列已知的荧光标记的核苷酸相结合。荧光标记会影响诊断精度并增加成本和基因芯片的制作时间。因此，几种无标记的方法正在研究中。太赫兹成像在
11、这点上有前景。由于与折射率相关的变化，太赫兹光谱能够分辨单链和双链 DNA。就此看来太赫兹在医学安全和癌症防治领域有着不错的发展前景。我想在这个方面使用太赫兹还有另外一个好处就是其较低的能量，对身体的损害相对于现在普遍的化疗放疗等肯定小了非常的多。山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 5 1.4 我国太赫兹技术的基础研究在国内, THz 科学技术受到政府机构和各科研院校的高度关注。国家科技部、国家自然科学基金委员会等都给与了一定的支持。特别是 2005 年以太赫兹科学技术为主题的第 270 次香山科学会议的召开，大大的推进了我国的太赫兹科学技术的研究。针对国际上的研究瓶颈问题，我
12、国在太赫兹源、探测、成像应用以及传输等会领域的理论和研究上形成了自己的研究特色，并取得了一些重要成果。中科院上海微系统与信息技术研究所和上海交通大学于 1996 年起在国内较早的开展了太赫兹物理与期间方面的研究工作。在国际上率先成功发展了太赫兹辐照下的半导体输运平衡方程方法，深入细致的研究了太赫兹辐射与半导体微结构的相互作用。清华大学设计制作了 LT2GaAs 光导天线,开展了适用于光纤激光器泵浦的半导体光导材料的初步优化工作规律。中科院西安光学精密机械研究所也开展了基于光学技术的大功率 THz 源研究,主要包括研制了集成 THz 发射器和可饱和布拉格反射器( SBR)的腔内型 THz2IR
13、双色辐射源,利用光参量差频技术产生大功率的 THz 辐射,以及基于全光纤激光器的THz 产生技术,并开展了光激半导体量子结构中的 THz 动力学过程研究。西安理工大学提出了用非线性光电导方法产生 THz 电磁辐射的方案。其突出的优点是:利用光激发电荷畴的猝灭模式形成 GaAs 光电导天线具有的非线性雪崩电导。利用非线性光电导效应,每个入射光子可以产生 103 105 个电子空穴对,这种载流子的雪崩倍增效应使得在飞秒激光触发下,大幅度增强偶极天线辐射 THz 波的功率。南开大学现代光学研究所通过多年的学科建设,已经建立了“飞秒激光创新研究平台”和“光纤光学研究平台”,在这两个研究领域具有良好的研
14、究基础和实验条件。并基于飞秒激光创新研究平台,在国际上率先开展了飞秒激光烧蚀推进、飞秒激光诱导空气电离显微成像以及超短脉冲激光在微细加工过程中热与非热两种不同作用的探索性实验研究。随着我国 THz 科学技术的快速发展,尤其是各种类型的 THz 源、检测和传输器件的研发成功, THz 技术将广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通信与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。因此, THz 研究与应用对国民经济和国家安全有重大的应用价值。当然我在这里的看法会在下文中提到。山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 6 1.5 太赫兹在安全方面的几个应用及原理根
15、据太赫兹特殊的成像特性，使得太赫兹光谱成像在安全领域有着非常广阔的前景，其中在爆炸物检测、毒品检测、安全检查以及其在医学领域对癌细胞的检测显得非常具有时代意义。图 5-1图 5-2山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 7 图 5-1 与图 5-2 简略描述了太赫兹光谱成像的基本原理。介于太赫兹较强的穿透性，识别异类就成了可能。也是太赫兹最为广泛的应用。第二章第二章 各方面应用各方面应用2.1 爆炸物太赫兹探究技术多种爆炸性物质分子的振动和转动能级谱处于太赫兹频段,通过太赫兹光谱技术可以测得爆炸物的特征吸收谱,由此识别爆炸物,进而分析物质的内部结构信息。太赫兹波的光子能量低于各种化
16、学键,不会引起电离反应,同时太赫兹波对于大多数包装材料(衣物,塑料,陶瓷等) 有很强的穿透力,因此可以实现对爆炸物的非电离和高灵敏探测。鉴于太赫兹波对包装材料的强穿透力和炸药的特征吸收谱,太赫兹光谱探测在人体携带或包装的隐蔽爆炸物方面上已成为一种极具竞争力的方法。炸药是各种爆炸物的核心组分,分为单体炸药和混合炸药两类。单体炸药为有机化合物,主要是芳香族硝基化合物、硝胺类化合物、硝酸脂化合物、以及胺类和硝酸盐类化合物。混合炸药则是在单质炸药基础上添加其他组分如铝粉、木粉以及各种添加剂等,以此来提高和调节炸药的性能,但其主要成分仍然是一种或几种单质炸药。大多数炸药是以固态形式存在,并且军用炸药及恐怖分子使用的炸药也主要是固态爆炸物,也只有固态炸药可以更容易的藏匿与身上甚至是体内，因而固态爆炸物的探测是人们目前的研究重点。下图是太赫兹对几种典型爆炸物的透射率的区别。通过计算值可以发现不同种类的爆炸物的谱线的差距是很大的所以说太赫兹技术可以轻易的分辨不同种类的爆炸物。在我看来这个技术还可以用于废旧炸药的快速分类。现如今
