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1、太赫兹检测技术吕英仪器仪表工程引言 电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等等 太赫兹波(Terahert或称太赫兹辐射、T-射线、亚毫米波、远红外，简称THz) 通常指频率在0.110THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射。若以应用频率范围的载体为坐标,则太赫兹波位于“雷达”与“人”之间。是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域。
2、THz波在无线电物理领域称为亚毫米波，在光学领域则习惯称之为远红外辐射；从能量辐射上看，其大小在电子和光子之间。 在电磁频谱上，THz波段两侧的红外和微波技术已经很成熟，但是THz技术还不完善。究其原因是因为此频段既不完全适和用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究，缺乏有效的产生和检测THz波的手段，从而形成了所说的“THz空隙”THz的特性:(1)低能性:THz光子的能量只有几个毫电子伏特，约为X射线光子能量的1/106，对大部分生物细胞无害，适合于对生物组织进行活体检查。(据悉,目前国际上用太赫兹技术制成的医疗诊断设备降能将这种照射对人体的伤害降低100万倍)。(2) 瞬态性:TH
3、z脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，而且通过相干取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。目前，辐射强度测量的信噪比可以大于1010，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好(3)宽带性: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到几十THz的范围，覆盖了各种包括蛋白质在内的大分子的转动和振荡频率，许多大分子在太赫兹辐射段表现出很强的吸收和谐振，构成了相应的太赫兹“指纹”特征谱，这些光谱信息对于物质结构的研究很有价值。（4)THz辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、
4、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透力，可用来对已经包装好的物品进行质量检查或者用于安全检查。(5)太赫兹辐射的频带宽度是微波的1000倍,是很好的宽带信息载体，特别适合局域网的宽带无线移动通信。太赫兹的产生和探测 太赫兹空白存在的根本原因是太赫兹波的产生和检测十分困难，传统的电子学方法和光学方法都难以产生太赫兹波和探测太赫兹波。 光学方法是在过去几十年里主要采用的、研究的比较多的太赫兹波源产生方法。第二种方法是最近研究开发的太赫兹量子级联激光器(THz一QCL)，这种方法仍处在不断的发展完善阶段。第三种方法是采用固态电子设备，这种方法目前已经在电子学的低频段得到了很好的发展。光电导天线图 THz
5、信号的探测是另一项关键技术，由于目前THz辐射源普遍功率较低，高灵敏度、高信噪比的探测技术显得更加重要。 THz波的探测方法有两种基于采样测量原理的探测方法：光电导天线采样法 和自由空间电光取样法 。光电导产生/探测THz太赫兹成像技术 THz辐射和其它电磁辐射(如可见光、X射线、中近远红外、超声波等)一样，可以作为物体成像的信号源。 自从1995年利用太赫兹波成像的第一篇文章发表以后，太赫兹波成像技术受到普遍重视，最初利用振幅的变化研究了塑料封装的集成电路的内部引线等结构和树叶中含水量的分布图像。 THz成像所依据的基本原理是:透过成像样品(或从样品反射)的THz电磁波的强度和相位包含了样品
6、复介电函数的空间分布。将透射THz电磁波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适当的处理和分析，就能得到样品的THz图像。 THz成像系统的构成和工作原理与THz时域谱测试系统相似。THz波被聚焦元件聚焦到样品的某一点上，收集元件则将透过样品(或从样品反射)的THz波收集后聚焦到THz探测元件上。THz探测元件将含有位置信息的THz信号转化为相应的电信号，图像处理单元将此信号转换为图像。利用反射扫描或透射扫描都可以成像，主要取决于成像样品及成像系统的性质。THz成像系统的构成如图所示。THz成像系统示意图太赫兹检测 由于太赫兹的特点，太赫兹检测技术的应用已经扩展到越来越广泛的领域：生物医学科学
7、；无损探测技术；食品的质量控制；全球环境监测等。太赫兹检测主要基于以下几个方面： （1）利用频谱的应用研究：每种分子都有特定的振动能级和转动能级，对太赫兹波产生特定的吸收谱线。研究生物组织和化学物质的特征谱，可以用来鉴别化学成份。（2）利用时域谱的应用研究：对于太赫兹波与物质的相互作用，通过振幅和相位变化的测量，可以表征固体、液体和气体材料的电子、晶格振动和化学成分等性质。可以研究材料的吸收系数、折射率、介电常数、频移等性质。许多对可见光不透明而对X光完全透明的材料，可以用太赫兹波进行测量。（3）利用THZ波能够多种非金属和非极性材料的特性。 航天飞机外挂燃料箱的铝制外壳覆盖有热防护系统,所用
8、的是几英寸厚的泡沫状材料，它们被逐层喷涂在基底上。图为火箭燃料箱泡沫板内的缺陷的太赫兹成像，图中的4个缺陷是用锡箔纸做的人工缺陷，从泡沫板的太赫兹图像中可以清晰地看出4个缺陷的边缘以及缺陷的凸起和凹陷。绝热泡沫安全检查 THz波可穿过衣服纸张等,对报纸遮挡下的陶瓷匕首成像。THz波相对其他电磁波如微波、X射线、射线等有很强的互补特征,是对常用安检方法的有益补充。 THz辐射源的光子能量极低，不容易破坏被检测物质，且许多非金属非极性材料对THz波的吸收很少，THz波可穿透相对其它波段不透明的物体。THz技术用于安全检查的优势在于：(1)THZ波能够穿透衣物、纸盒、塑料等多种非金属和非极性材料，可
9、以利用THz波透过这些包装材料对危险物品成像；(2)不同种类的炸药、毒品分子在THz波段具有不同的特征吸收，可以用mz技术来进行鉴别 ；(3)THz波的辐射能量比较低，不会导致有害的生物组织电离，可以对人体、生物材料等进行无损检查。毒品检验 由于有机分子间的弱相互作用(如氢键)及大分子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动的吸收频率对应于太赫兹波段，因此利用太赫兹时域光谱技术可在该波段对海洛因、吗啡、可待因、苯丙胺等毒品进行探测。每种样品都存在一定的吸收峰，而且不同样品的吸收峰出现的位置不同。医学应用 传统的人体透视和摄片都使用 X 射线，但 X 射线对人体会带
10、来副作用，它会引起人体细胞的电离，甚至引发癌症和不育症。而太赫兹扫描对人体无害，通过探测生物体组织中的水含量，区分生物体的健康组织和病态组织。而癌细胞中水分的含量大，在太赫兹扫描中呈暗色，这就不难区分健康组织和癌变组织了。 以及采用太赫兹时域光谱技术对生物大分子材料、药品、DNA、蛋白质和细菌等很多材料进行过研究。太赫兹光谱提供的信息与红外光谱提供的信息有很大的不同。一个显著的例子就是太赫兹光谱观测到的是化学药品、有机分子物质分子间的振动模式，而近红外区域的光谱得到的是物质分子内的振动模式。通过对分子间振动光谱的研究有望解释生物大分子的动力学行为，从而增加对人体自身的了解程度。环境检测 大气层
11、中的水、氧气、氮化物、氯化物等同样可以辐射出THz波，辐射频率主要在300GHz-2.5THz之间，通过卫星携带的THz波探测器，可以对大气中这些气体的含量及分布等进行监测，从而为近年来引起广泛关注的全球气候变暖，以及臭氧层破坏等世界性的环境问题，提供大量第一手的数据和资料，便于人们对于这些环境问题的认识和解决。美国2003年发射的地球毫米波探测器携带了 118GHz一2.5THz的探测器，用于地球大气研究。文献：Terahertz Pulsed Imaging of Human Breast Tumors梗概：Findings of this study demonstrate the po
12、tential of terahertz pulsed imaging to depict both invasive breast carcinoma (乳腺浸润性导管癌）and ductal carcinoma（导管原位癌） in situ under controlled conditions and encourage further studies to determine the sensitivity and specificity of the technique.Frequency: 0.1-10 THzWavelengths: 3mm-30umTerahertz pulse
13、d imaging:Terahertz radiation (properties):低能性，瞬态性，带宽性，THz辐射Materials and Methods1.Patients and Specimen PreparationFrom 22 nonconsecutive female patients( mean age 59 years; range,39-80 years) undergoing either wide local excision or mastectomy(乳房切除术）.Samples-freshTwo samples that had been fixed in
14、 formalin.2.Imagge Acquisition太赫兹脉冲成像系统示意图。虚线框表示太赫兹光学。样品放置在石英窗口成像。石英成像板太赫兹光束太赫兹辐射源 太赫兹探测器 检测光束 延迟线 超快激光 分束器 这个系统给了一个可用性更强的频率范围0.1-3THz，平均能量大约100nW纳瓦 将乳腺样本放在石英窗口上进行观察，在成像过程中，轻微的施加压力，确保与石英保持良好的接触。定向的在成像窗口取样，用墨水标记位置。图像区域在20*20mm，包括75*75的像素。少于5分钟获取一次图像。3.Data Analysis and Image Parameters对正常组织的脉冲函数图（黑线）
15、 浸润性导管癌（灰线） E(min)突出了肿瘤但是对于石英片和胸腺组织的空气间隙非常敏感。原因：空气的折射率低：1.0，而脂肪组织：1.6 ,石英成像窗口：2.1E(min)/E(max):对空气间隙较为不敏感，存在一个Emax 的归一化因数。4.Evaluation of Terahertz Images and Statistical AnalysisTerahertz images were evaluated by comparing the size and shape of the region of contrast with the size and shape of tumo
16、r region of the corresponding tissue section.将感兴趣的THz图像大小的矩阵区域覆盖在数字照片，定位并成像部分的组织。E(min)（作为肿瘤阈值判据的结论）表示的像素值大于E（min)最大值的三分之一E（min)/E(max)(阈值是最大值得四分之一），图像中的肿瘤可以通过这两个参数计算出来。用皮尔森积矩相关系数来计算每个参数，以此来决定图像区域之间的相互联系，以及22个样品的的梯度。在显微相片上比较可见肿瘤区域的形状，区域中的像素值在x和y方向之间。因此，图像和显微相片中的二维的肿瘤形状会减少到两个一维的曲线绘图。a.显微照片b.浸润性导管癌的太赫兹图像的E(min),说明了比较肿瘤区域形状（黑色的轮廓如a)划定的地区红色如c的显微相片，d太赫兹图像。所在区域的像素值积集在x和y方向上，如曲线e,f，黑点：从显微相片，白点：从E(min)图像，显微相片所包含的像素点多于太赫兹成像，所以这些被抽取的轮廓有相同的大小。总结 THz技术的产生和发展为人们提供了一个全新的光谱学视角，具有很大的应用前景和发展空间，本文总结了太赫兹的一些基本理论及基础应用与已经成熟的电磁波技术相比，对THz 波段的研究才刚刚起步，它的后续研究对于科研人员来说，存在着许多的机遇和挑战。
