太赫兹成像技术的实验研究
太赫兹波成像技术的研究与应用
太赫兹波成像技术的研究与应用第一章前言太赫兹波成像技术是一种新兴的成像技术，因其在物质成分分析、人体影像等领域具有广泛应用而备受关注。
本文将从太赫兹波成像技术的原理、仪器和应用等方面进行探究。
第二章原理太赫兹波是指频率在0.1~10 THz(10¹² Hz)范围内的电磁辐射，它在光学和微波之间，因此也被称为“间隙区域”。
太赫兹波的能量低、穿透力强、不会损伤样本，比X光成像技术更安全，因此应用范围广泛。
太赫兹波成像的原理是利用太赫兹波在物质中传播时，因为样品的析取系数的变化使太赫兹波的振幅强度发生变化，从而将物质信息转化成电磁波信号，通过外部的太赫兹探头接收体进行信号采集与处理，进而得到样品的影像信息。
第三章仪器太赫兹波成像设备是由探头、扫描单元、信号处理器和成像软件组成。
太赫兹波探头主要有光电探测器、天线和探头套等，探头可以对材料进行高精度感测。
扫描单元主要是用来对样品进行扫描，建立样品在各空间位置上与太赫兹波传播引起的电场变化之间的关系。
信号处理器主要是用来将探头采集到的信号进行处理，增强信号的强度和清晰度，同时滤除噪声信号。
成像软件则是主要用于对信号进行重构，生成质量高的图像，展示样品的内部结构和成分信息。
第四章应用4.1 物质成分分析太赫兹波成像技术在物质成分分析的应用范围非常广泛。
由于太赫兹波在材料中传播时，不同成分对太赫兹波的吸收率不同，因此可以通过太赫兹波的散射和吸收谱来识别物质中的存在组分、探测材料无缝隙、混杂物的添加情况等。
这一特点使太赫兹波成像技术成为食品、药品、纸张、塑料、橡胶等材料成分检测和控制的重要手段。
4.2 人体影像太赫兹波成像技术在人体影像的应用领域也越来越受到关注。
太赫兹波成像技术在成像深度、分辨率、组织对比度等方面都有其独特的优势，可以用于人体组织成分、病变程度、肫合等诊断，成为医学成像领域的研究热点。
4.3 安检领域太赫兹波成像技术在安检领域也有着非常广泛的应用。
太赫兹成像检测算法研究
太赫兹成像检测算法研究太赫兹成像技术是一种新兴的非接触式无损检测方法。
它不仅可以实现对材料表面的显微成像，还可以探测材料内部的某些特性和缺陷，具有重要的应用价值。
然而，由于其特殊的成像机制和数据处理方法，太赫兹成像技术在数据采集和图像处理方面存在一些难点，如相位失调、散射、噪声等问题。
因此，对于太赫兹成像检测图像的处理算法研究至关重要。
一般来说，太赫兹成像检测算法可分为数据预处理和图像处理两个部分。
其中，数据预处理主要包括去除背景信号、相位补偿、平坦化等步骤，而图像处理主要包括去噪、增强、分割、特征提取等步骤。
下面将分别介绍这些处理算法的相关技术研究现状和发展趋势。
数据预处理1. 去除背景信号在太赫兹成像的数据处理过程中，为了提高成像的准确性，需要将背景信号从采集的数据中去除。
传统的去除背景信号的方法是进行录取率，但是该方法需要对环境进行控制，对系统的稳定性要求高，并且易受到电磁干扰的影响。
因此，近年来提出了多种基于数学模型的去背景方法，如小波变换、自适应采样等。
2. 相位补偿太赫兹成像中，不同角度和位置的信号会受到相位变化的影响，因此需要对数据进行相位补偿。
常见的相位补偿方法有基于谐波的相位补偿法、基于参考波的相位补偿法等。
其中，基于谐波的相位补偿法可将谐波信号从原始信号中分离出来，并进行相位补偿，从而避免了对参考波的依赖。
但该方法对系统的性能要求较高，且易受到干扰的影响。
3. 平坦化太赫兹成像的探测范围比较窄，而且探测深度也较浅，因此需要进行信号平坦化处理。
常见的平坦化方法有零点校正、标度化、基线补偿等。
其中，基于基线补偿的方法可通过拟合得到基线，从而减小光谱数据离散度的影响，从而提高成像的精度。
图像处理1. 去噪太赫兹成像中的信号存在着噪声干扰。
常见的去噪方法有中值滤波、小波滤波、低通滤波等。
其中，小波滤波是一种非平稳信号处理方法，可对图像进行多尺度分解，并对不同尺度的信号进行不同程度的平滑处理，从而实现对噪声的去除。
太赫兹应用技术在无损检测中的研究与应用
太赫兹应用技术在无损检测中的研究与应用一、简介太赫兹波段位于毫米波和红外线之间，其波长在0.1毫米至1毫米之间。
太赫兹技术作为一种新型检测手段，近年来得到了广泛的应用。
其在无损检测中的应用也得到了越来越多的关注。
本文将就太赫兹应用技术在无损检测中的研究与应用进行探究。
二、太赫兹无损检测的原理及特点1.原理太赫兹技术是一种利用太赫兹辐射的扫描成像技术，通过探测物体与太赫兹波的相互作用，测量物质的电磁特性，得到物体的三维图像。
太赫兹波与材料的分子结构、组分、内部结构密切相关，对物质的透明和不透明性、显微结构和各种非线性特性有着一定的探测力。
2.特点太赫兹技术的特点是它的探测和识别速度快，成像分辨率高，同时可以实现非接触性探测。
太赫兹波较弱，虽然其穿透力不如X射线和γ射线，但是可以易于穿透一些高分子材料，水、纸、塑料和大气等非金属材料，对于金属类的材料透射效果并不理想。
三、太赫兹应用技术在无损检测中的研究与应用1. 检测材料缺陷太赫兹无损检测技术可以用来检测非金属材料的表面缺陷，如裂纹、孔洞等，可以有效地检测到涂层的缺陷，以及陶瓷、玻璃等材料表面的裂纹，从而进行修补。
2. 金属离子的检测太赫兹无损检测技术对于金属离子的检测方面也具有一定的探测力。
通过反射、透射和散射等检测方法，结合多种参数计算分析，可以检测出金属离子在不同材料中的浓度和分布相关特性。
3. 人体组织检测太赫兹技术也可以用于人体组织的检测，如皮肤等组织的显微结构和组织排列模式的检测，以及癌细胞等指标的判定。
根据这些检测信息可以很好地判断人体细胞的异常情况和变异规律。
四、太赫兹无损检测技术的应用案例1. 汽车制造领域太赫兹技术在汽车制造领域的应用主要体现在对汽车涂层的质量检测工作中，能够清晰准确地检测及定位涂层内部的缺陷和甲醛气体的发散情况。
2. 食品加工领域太赫兹技术在食品加工领域的应用主要体现在食品生产、保鲜及检测过程中，可以检测食品是否新鲜、不新鲜的区分等，对食品的品质控制具有十分重要的作用。
太赫兹光学成像技术在生物医学领域中的应用研究
太赫兹光学成像技术在生物医学领域中的应用研究随着现代技术的不断发展，太赫兹光学成像技术在生物医学领域中被广泛应用，开始崭露头角。
太赫兹光学成像技术是一种新兴的非侵入式成像技术，利用太赫兹波段的特殊性质，对生物组织进行高分辨率成像分析，为生物医学领域的疾病诊断提供了一种新的方法。
一、太赫兹光学成像技术简介太赫兹光学成像技术是一种高灵敏度的无损成像技术，具有非常强的穿透力和对物质非常敏感的特点。
它利用太赫兹波段的电磁波辐射，通过物质对太赫兹波段的吸收、反射和散射来成像。
太赫兹波段的特点在很大程度上反映了物质的本质和结构，因此太赫兹光学成像技术成为了研究生物组织和疾病的重要手段。
太赫兹波段的频率范围位于红外和微波之间，波长介于0.1 mm 到1 mm之间。
这个范围的频率和波长使得太赫兹波能够在很多非常重要的物质和结构中穿透，因此它非常适合分析复杂的生物组织和疾病信息。
二、太赫兹光学成像技术应用与研究太赫兹光学成像技术在生物医学领域中的应用主要分为两个方面：医学成像和分子诊断。
1、医学成像太赫兹光学成像技术在医学成像中的应用是非常广泛的。
它可以用来诊断不同类型的癌症、皮肤病、骨骼结构等。
比如，一些研究者使用太赫兹光学成像技术对乳腺癌进行了研究，发现太赫兹成像技术可以对乳房内部的密度变化进行精细的分析和识别。
太赫兹光学成像技术对皮肤病的研究也非常有意义。
许多皮肤病的病征可以反映在皮肤的毛细血管结构上。
太赫兹光学成像技术可以通过对皮肤毛细血管的成像来分析皮肤病的发展与病理变化。
此外，太赫兹光学成像技术还可以应用于骨骼成像，用来诊断骨折、骨质疏松等疾病。
2、分子诊断太赫兹光学成像技术可以利用太赫兹波的特性对生物分子进行分析和诊断，这成为了分子诊断领域的研究热点之一。
利用太赫兹光学成像技术，研究人员可以通过分析生物分子的振动、转动和反射等信号，对生物分子的种类和结构进行识别和分析。
太赫兹光学成像技术在分子诊断中的应用非常广泛，如酶的活性分析、 DNA序列分析、蛋白质分析、糖类分析和药物的结构分析等。
太赫兹技术在材料检测中的应用研究
太赫兹技术在材料检测中的应用研究太赫兹技术是一种介于微波和红外之间的电磁辐射技术。
它的波长范围在远红外和微波之间，频率范围在30GHz到10THz之间。
由于太赫兹波的电磁辐射能够穿透一些非金属材料，因此它被广泛应用于材料检测领域，并显示出了许多潜在的应用前景。
首先，太赫兹技术在非破坏性检测方面有着巨大的应用潜力。
传统的X射线和射线检测技术需要在材料上施加高能量射线或电磁波，这可能造成材料损坏或放射性危害，而太赫兹技术可以以非破坏性的方式对材料进行检测。
太赫兹波能够穿透许多日常应用的材料，如塑料、纸张、陶瓷等，从而可以实现对这些材料的质量、厚度、密度、含水率等物理属性的非接触式检测。
其次，太赫兹技术在化学成分分析方面也有广泛的应用。
每种化学物质都有其独特的太赫兹谱图，因此太赫兹技术能够用于迅速、准确地识别和测定样品中的化学物质。
例如，在食品安全领域，太赫兹技术可以用于检测食品中的添加剂、农药残留等有害物质。
此外，在药物研发和制造过程中，太赫兹技术可以用于分析药物的结构、纯度和稳定性，以确保药物的质量和安全性。
另外，太赫兹技术在图像和显像方面也有重要的应用。
太赫兹波的频率范围正好处于一些传统的电磁波（如可见光和红外光）和微波之间，它可以通过穿透材料并在材料与反射物之间反射来产生图像。
这意味着太赫兹技术可以实现对材料内部结构和缺陷的检测，例如金属表面下的腐蚀、塑料管道中的裂纹等。
与其他成像技术相比，太赫兹技术不需要使用有害的辐射源或昂贵的检测设备，因此具有更低的成本和更高的安全性。
然而，太赫兹技术在材料检测方面还面临着一些挑战。
首先是仪器的复杂性和昂贵性，使太赫兹技术的推广应用受到一定限制。
其次，太赫兹波的穿透深度有限，只能一次性穿透较薄的材料，并对较厚的材料产生衰减。
此外，太赫兹波对湿度和温度变化十分敏感，这会对数据的准确性和可重复性造成一定影响。
因此，如何克服这些挑战并提高太赫兹技术的可靠性和实用性，是未来研究的重点。
太赫兹辐射成像技术的研究与应用
太赫兹辐射成像技术的研究与应用一、引言太赫兹波是介于微波和红外之间的电磁波，波长在0.1mm到1mm之间，频率从0.3太赫兹到30太赫兹。
自从1990年太赫兹波被首次探测以来，研究人员就开始探索其在成像领域的应用，因此太赫兹辐射成像技术便应运而生。
太赫兹辐射成像技术作为一种新兴的成像技术，在医学、安全检测、材料科学等领域都有着广泛的应用前景。
本文将对太赫兹辐射成像技术的研究进展与应用进行详细介绍。
二、太赫兹辐射成像技术概述太赫兹辐射成像技术是通过测量物体在太赫兹波段的透过和反射能量来建立物体的电磁特性图像。
太赫兹辐射成像技术具有吸收能力较弱、穿透深度较大、空间分辨率高、时间分辨率高等优点。
同时，由于太赫兹波与物质的相互作用机制与其他传统成像技术不同，因此具有诸如检测探测材料组成、分析化学结构、检查生物异物等特点。
太赫兹辐射成像技术主要基于以下三种方法：（1）透射成像：透射成像利用透过一个透明样品的太赫兹辐射强度来确定样品的特性。
这种方法的优点是能够提供高空间分辨率的成像结果，但缺点是不能用于非透明样品。
（2）反射成像：反射成像是用太赫兹辐射来照射物体，然后测量反射的的辐射强度以获取物体表面的图像。
这种方法可以用于非透明样品并且具有高表面分辨率，但是不能透射大概物体的内部信息。
（3）透射-反射成像：透射-反射成像将透射成像和反射成像结合起来，可以获取物体靠近表面的有关信息和内部的信息。
这种方法可以用于多种样品，因此具有更大的适用性。
三、太赫兹辐射成像技术的应用（1）医学领域太赫兹辐射成像技术在医学领域的应用主要分为两个方面：组织成像和药物分析。
组织成像主要应用在人体组织结构的成像研究，包括乳腺癌、皮肤癌等的诊断。
这种技术具有较高的检测灵敏度和特异度，并且可以提供组织结构更为细致的信息，是一种比较理想的组织成像技术。
药物分析方面，太赫兹辐射成像技术可以用于药物含量和组成分析，精确定位和形态分析药物颗粒，以及药品中杂质或异物的检测等。
太赫兹成像技术研究
太赫兹成像技术研究一、引言太赫兹成像技术是一种新兴的成像技术，在医学、安全、文化遗产保护等领域有着广泛的应用前景。
本文将介绍太赫兹成像技术的原理、应用、发展趋势、存在的问题以及对应的解决方案。
二、太赫兹成像技术原理太赫兹波是介于微波和红外线之间的电磁波，其频率在0.1 THz至10 THz之间。
太赫兹波的电磁波长度在物质微观结构尺度范围内，可以穿透许多非金属材料并揭示其内部结构。
太赫兹成像技术是一种通过利用太赫兹波进行成像的方法，可实现基于温度差异和物质不同介电常数的显影方法。
太赫兹成像技术可以利用太赫兹波在障碍物的反射、穿透和散射等特性，对被成像物体的内部结构进行探测。
太赫兹成像技术具有非接触、非破坏和低功率的特点，并且可以穿透非金属和非透明材料，因此在医学、安全和文化遗产保护等领域有着广泛应用。
三、太赫兹成像技术应用1.医学领域太赫兹成像技术在医学领域中被广泛应用，例如，通过太赫兹成像技术可以探测牙齿中的龋洞、蛀牙和血管中的血栓等病变，并且可以提高手术的精度和效率。
太赫兹成像技术还可以用于脑部和胃肠道的成像，以及皮肤疾病的诊断和治疗。
2.安全领域太赫兹成像技术可以检测在行李箱、数码相机等物品中隐藏的危险品，例如爆炸品、毒品和武器等。
3.文化遗产保护太赫兹成像技术可以应用于文物的非破坏性探测和图像重建，例如青铜器的成分分析、古代书画的描摹和唐三彩的断面解剖等。
四、太赫兹成像技术发展趋势1.传感器技术太赫兹成像技术的发展需要更高性能的探测器和放大器。
因此，需要深入研究和改进现有的太赫兹传感器技术，提高其灵敏度、辨别能力和信噪比。
2.成像分辨率太赫兹成像技术的成像分辨率是限制其应用的主要难点。
因此，需要推动太赫兹成像技术的分析技术和图像处理技术的进步，以提高成像的分辨率和准确性。
3.多模态成像技术太赫兹成像技术与其他成像技术的协同利用可以产生更全面和准确的成像结果。
例如，通过太赫兹成像技术和磁共振成像技术的结合可以实现人体器官的三维成像和定位。
激光器技术在太赫兹成像中的应用研究
激光器技术在太赫兹成像中的应用研究太赫兹成像技术是一种利用太赫兹波进行物体探测、成像和检测的先进技术。
在太赫兹成像中，激光器技术起到了关键作用。
本文将探讨太赫兹成像技术中激光器的应用研究，并分析其在该领域的重要性和优势。
太赫兹波是指频率范围在10^11 Hz至10^13 Hz之间的电磁波，位于微波和红外光之间。
与其他传统成像技术相比，太赫兹波具有独特的特性，例如穿透力强、非侵入性、对大多数非金属材料的透明性等。
因此，太赫兹成像技术已广泛应用于医学、安全检查、文物保护等领域。
激光器作为太赫兹成像技术中的关键元件之一，具有准直性强、波束质量高、波长稳定等特点，可以提供持续稳定的太赫兹辐射源。
激光器的应用使得太赫兹成像技术在增强是、分辨率等方面取得重大突破。
首先，激光器技术在太赫兹成像中可提供高功率的能量源，进一步增强了成像系统的探测能力。
高功率的太赫兹辐射源能够提供足够的能量以穿透物体，并收集反射或透射的太赫兹信号，从而获得清晰的成像结果。
相比之下，传统的太赫兹辐射源往往功率较低，无法提供足够的能量用于成像，导致成像结果模糊不清。
其次，激光器的波束质量优势使得太赫兹成像系统能够获得高质量的成像结果。
太赫兹波的特点是波长长、穿透力强，但相应的空间分辨率较低。
激光器的较好波束质量能够在一定程度上克服这一问题，提高成像系统的空间分辨率，获得更清晰的图像。
此外，激光器的波束质量也有助于而太赫兹成像器件的向下集成，提高系统的紧凑性和便携性。
此外，激光器技术还为太赫兹成像系统提供了波长稳定的优势。
太赫兹波的波长在太赫兹成像过程中往往需要进行频率调制，以获得更多的信息。
而激光器的波长稳定性能够提供稳定可靠的太赫兹激发源，使得频率调制更加准确和可靠。
这对于太赫兹成像系统而言至关重要，有助于获得更准确、可信的成像结果。
此外，利用激光器技术还可以实现太赫兹成像系统的非接触式扫描。
相比传统的接触式扫描方式，非接触式扫描具有许多优点，例如避免了对被测物体的干预、减少了实验操作的复杂性等。
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第25卷第3期2006年6月红外与毫米波学报J.I nfrared M illi m .W avesVol .25,No .3June,2006文章编号:1001-9014(2006)03-0217-04收稿日期:2005211201,修回日期:2006202218 Rece i ved da te:2005211201,rev ised da te:2006202218基金项目:国家自然科学基金资助项目(10390160),北京市科技新星计划资助课题作者简介:张振伟(19772),男,北京人,首都师范大学物理系2003级硕士研究生,研究方向:脉冲THz 时域光谱成像和CW THz 成像应用研究.太赫兹成像技术的实验研究张振伟, 崔伟丽, 张 岩, 张存林(首都师范大学物理系,北京 100037)摘要:建立了一套透射式逐点扫描太赫兹(THz )辐射成像装置,它采用<100>2I n A s 晶体作为高功率、宽频谱的THz 辐射源和高灵敏度、低噪声的电光取样差分探测方法,具有对隐蔽在非透明电介质材料内物体成像的能力.并且,系统能够获得成像物体上每一点的光谱数据,可以对物体进行光谱成像.利用多种基于傅立叶变换的数据处理方法给出了葵花籽样品的透射图像,并对其中的几种进行分析和对比.全面介绍透射式逐点扫描THz 成像的关键技术,包括成像装置、光束测量、数据处理和分析等几个方面,对有效利用THz 成像技术和开展THz 成像领域的相关研究具有指导意义.关 键 词:红外物理;太赫兹;太赫兹成像;数据处理;时域光谱中图分类号:047 文献标识码:ATERAHERTZ TI M E 2DOMA I N SPECTR OSCOP Y I M AGI NGZHANG Zhen 2W ei, CU IW ei 2L i, Z HANG Yang, Z HANG Cun 2L in(Depart m ent of Physics,Cap ital Nor mal University,Beijing 100037,China )Abstract:A trans m itted scanning terahertz i m aging syste m,which has the <100>2A s e m itter of high power,wide fre 2quency s pectru m and the detect or of high sensitivity and l ow noise,is p resented .It owns the capacity of detecting s omething that has been shielded by s ome opaque dielectric materials .Moreover,s pectr oscopy data at each point of the sa mp le can be acquired by using this syste m.U sing these data the s pectr oscopy i m ages can be rebuilt .Lots of THz i m ages of sunfl ower seed sa mp le by using vari ous data p r ocessing methods based on the Fourier transfor m s pectr oscopy are given and compared .I n additi on,the several i m portant fact ors of the suste m,including setup,measure t o the bea m,data p r ocessing described in detail,which are very essential t o further research and app licati on .Key words:infrared physics;THz;T Hz i m aging;data p r ocessing;ti m e 2domain s pectr oscopy引言太赫兹(THz )辐射是从0.1到10T Hz 电磁辐射(1T Hz 所对应的波长为0.3毫米),位于电磁波谱中微波与红外波段之间.太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中最具应用前景的发展方向之一.自从1995年Hu 和Nuss 首次提出逐点扫描式T Hz 时域光谱成像技术[1]以来,一系列新的THz 成像技术相继被提出,如T Hz 实时成像[2,3]、THz 层析成像[4]等等.逐点扫描系统通常存在数据获取时间较长的问题,可以通过采用CCD 器件作为探测器[2]实现同时对整个物体的时域波形进行扫描(数据格式:S x ×y ×t ),提高采集速度.更进一步,采用啁啾脉冲探测的方法,在理论上可以实现单脉冲成像[3].但是,这两种方法相对于扫描成像来说信噪比要低的多,成像质量无法与后者相比.THz 成像技术的进一步发展需求高功率、便携式、可调谐的T Hz 辐射源[5～7],宽频谱、高灵敏度、低噪声的探测器[8]和快速、高效的数据处理方法,已经有越来越多的研究小组致力于这些方面的探索和尝试.目前,T Hz 成像还是一项新兴的技术,在国内更是刚刚起步,因此对典型的T Hz 逐点扫描成像系统的关键技术进行全面研究,对深入探索和有效利用这一前沿技术具有指导意义.下面介绍一套具有较高应用价值的透射式THz 逐点扫描成像装置,采用<100>2I nA s 晶体作为高功率、宽频谱的THz 辐射源(同等条件下比选用Ga A s 材料产生的T Hz 射线功率高很多,比传统的大孔径光导天线发射源产生的T Hz 信号的频谱范围红外与毫米波学报25卷扩展了将近一倍,达到2.6T Hz以上),应用高灵敏度、低噪声、宽频谱响应的电光取样探测方法,获取样品的透射时域光谱.同时归纳总结了透射式T Hz逐点扫描透射成像的常用数据处理方法,利用其中的一些方法构建出葵花籽的透射图像,并对其进行分析和对比.接下来从成像装置、光束测量、数据处理和分析等几个方面对T Hz成像技术进行详细的讨论.1 实验装置图1是成像系统的实验装置图.激光光源是一台自锁模钛:蓝宝石飞秒激光器,脉冲宽度为100飞秒,中心波长选择在810纳米,重复频率为80MHz.飞秒脉冲被分光棱镜(CBS)分为激发光和探测光两部分.激发光通过一时间延迟台后被聚焦,并以45°角照射在<100>取向的I nA s晶体上,产生光生载流子,由于光激发的电子和空穴在浓度梯度下扩散速度不同,在晶体表面引发超快光致丹倍(Dember)电场,从而加速载流子运动并产生T Hz辐射.窄带半导体晶体I nA s中由于丹倍电场产生的THz辐射强度比相同条件下Ga A s晶体产生的T Hz辐射强很多,为THz成像提供了较高功率的辐射源.产生的THz辐射经两对离轴抛物面镜(P M)准直和聚焦,最后透过一个1mm厚的高阻硅薄片,汇聚在<110>2 ZnTe电光探测晶体上.THz电场调制电光晶体的折射率椭球,也就是发生了电光效应.另一方面,对于同时到达探测晶体的探测光,由于探测晶体的折射率椭球随着THz电场的变化而变化,使得透射的探测光的偏振特性随之变化.被调制的探测光经过四分之一波片(QW P)和渥拉斯顿棱镜(P BS)后,被一对光电二极管探测,得到的差分信号经过锁相放大器放大和计算机同步采集,得到THz辐射信号.实验中样品被安放在一个二维平移台上(扫描范围25毫米×25毫米),置于第2个抛物面镜的焦点处.通过对不同时间延迟的扫描,能够在x2y平面上每一空间点上获得带有样品信息的透射时域波(数据格式为三维格式:x×y×t).对时域波进行傅里叶变换可得到每一点的T Hz频率响应谱.只要从每一点的光谱中提取出选定振幅或位相信息,就可以获得一个二维(x×y)点阵,进行成像.数据扫描时间由锁相放大器的积分时间、扫描的空间点数和时间点数决定.对于一组积分时间设为30毫秒的23×23×256点的数据,所需时间大约为10个小时.系统产生信号的动态范围在3000以上,信号时域峰值处的信噪比超过600,频谱宽度为0.1到图1 T Hz成像装置光路图Fig.1 Schematic of a THz2T DS trans m issi on i m aging setup2.5T Hz,具有10GHz以上的频谱分辨能力.本系统所成像的空间分辨率由聚焦在样品上的THz光斑的大小决定.将THz波近似视为高斯光束,则焦斑的尺寸由下式表示:R=24λπfd ,(1)其中d为被第一个抛物面镜准直后的光束直径,f 为第2个离轴抛物面镜的焦距,λ是THz信号频谱峰值波长.由于系统测量的是T Hz电场而不是强度,所以引入系数 2.本系统中,d=2.8mm,f= 5018mm,λ～0.31mm,得出R～1.1mm.为了确保得到尽可能高的空间分辨率,首先要找到T Hz电磁波焦斑的准确位置.测量中,将金属刀片安装在一可以沿T Hz光束方向(z方向)调节的手动平移台上,并将平移台安放在图1中的二维电控平移台上.在不同的z轴位置,沿x轴和y轴分别切割THz光束得到一系列电场强度变化曲线.对其进行求微分运算,得到T Hz光束在x2y平面上的电场强度分布,所得曲线的半宽度被认为是太赫兹光斑的直径,它决定了所成像的空间分辨率.图2给出的是在x方向上T Hz光斑最小位置处THz光束的电场强度随横向位置的变化曲线(a)和它的场强分布曲线(b).由图(b)可以得出曲线的半宽度近似等于1.1mm,与前面计算得到的焦斑大小相一致.2 数据处理方法T Hz波时域光谱成像技术与一般的强度成像不同,它的一个显著特点是信息量大.每一个成像点对应一个时域波形,我们可以从时域信号或它的傅立叶变换谱中选择任意一个数据点的振幅或位相进行成像,从而重构样品的空间密度分布、折射率和厚度分布.图3是透过成像样品某一点后的T Hz时域信8123期张振伟等:太赫兹成像技术的实验研究图2 在焦点处沿x 轴切割时T Hz 电场强度变化曲线(a )和电场强度空间分布(b )Fig .2 (a )W hen a razor blade scans the THz bea m f ocal point (waist )al ong x 2axis,the different THz electr onic fields are recorded .(b )thr ough calculating differential coefficient t o (a ),the s patial distributi on of T Hz electr onic field at the x 2axis are p resented号波形(a )和它的傅立叶变换频谱(b ).根据对时域或频域中不同物理量的选取,THz 成像可以表达成多种形式,不同表达方式可以解释不同特征,以便提供更多、更精确的样品信息.因此,处理数据的方法在THz 成像中就显得尤为重要.下面列举一些可行的数据处理方法,在下一节给出利用其中的几种方法得到的葵花籽样品的THz 透射图像(见图4).图3 透射样品的THz 时域波形S (a )和对应的THz 傅立叶变换光谱(b )Fig .3 THz ti m e 2domain signal (a )of trans m itted the sa mp le and its Fourier transf or m s pectru m (b )2.1 时域模式这种模式都是在THz 电场的时域波形(如图3(a ))中提取出反映样品信息的数据进行成像的,如:a )时域信号的最大值成像;b )时域信号的最小值成像;c )信号的振幅成像(最大值与最小值之差);d )能量成像(THz 波形的脉冲能量D =∫t 2t 1E 2(t )d t,t 1和t 2界定一段时间,通常可取峰值前零点时刻和峰值后零点时刻);e )信号最大值对应的时间位置成像;f )信号最小值对应的时间位置成像;g )最大值和最小值之间的零信号对应的时间位置成像等等.以上分类大体可以分为两类:前4种是振幅成像,主要反映了样品的厚度和吸收特性;后3种是位相成像,主要反映了样品厚度及其折射率信息.不同的成像模式,反映的样品信息不同,从而重构的THz 图像对比度也不同.但是任一时域信息的变化,都是样品对频域中所有频率成分影响的综合反映,是一个平均的效果.这一特点决定了采用时域信息进行成像通常都有较好的成像效果,不同成像方法之间像质差别也比较小.2.2 频域模式这种模式都是在THz 电场的频域波谱(如图3(b ))中提取出反映样品信息的数据进行成像的.如:a )频域谱的最大值成像;b )频域谱的任意频率对应的振幅成像;c )频域谱的任意频率对应的功率成像(power =|r (ω)|2N,其中r 为傅里叶变换后任意频率对应的振幅,N 为采集数据的点数);d )频域谱的任意频率对应的位相成像;e )样品的吸收率成像(样品谱与参考谱功率的比值);f )样品的折射率成像;g )频谱的能量成像(能量D =∫ω2ω1E 2(ω)dω,ω1和ω2在频谱中界定某一频率范围)等等.以上的方法提取的信息都是针对频谱中某一或某些特定频率所对应的振幅、功率、位相、吸收系数或折射率的值,反映的是样品的吸收系数和折射率在不同电磁波的频率间存在的差异,所得图像的对比度变化明显.并且由于T Hz 光谱宽度在2THz 以上,在高频分量具有更短的波长,从而可实现更高的空间分辨率.3 成像结果分析我们利用葵花籽作为样品获取了一组数据,并利用上一节提到的部分方法获得了T Hz 透射像.图4给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz 透射图像.图a )给出了样品的白光照片,为了显示葵花籽的内部信息,在拍摄白光照片时将其剖开.在所有的T Hz 图像中都能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状,这是我们最感兴趣的.同时,由于所用方法的不同,各个图像所表征的912红外与毫米波学报25卷信息也不尽相同,下面将对它们进行对比和分析.图b )～e )对应不同的时域信息(最大峰值、最小峰值、峰峰值和最大值位置),它们反映的是样品对T Hz 光谱所有成份的响应.图b )～d )反映的是样品对THz 辐射的吸收特性,呈现出样品的空间密度和厚度分布特征,图e )反映的是样品的折射率和厚度分布信息.这四张图成像效果相近,对比度也比较明显.图f )～k )对应不同的频域信息(频谱振幅最大值、频谱中对应0.2、0.5、0.9和1.28THz 的振幅值和频谱中对应0.9THz 的位相值),它们反映的是样品对不同频谱成分的响应,其本质表现为样品的吸收系数和折射率随电磁波的频率的不同而有所差异,当然还包括样品的厚度对光谱成分的影响.与时域信息成像相似的是,对于提取振幅数据的f )～j )图,反应的是空间密度和厚度分布,而对于提取位相图4 葵花籽的THz 图像 a )实物 b )时域最大峰值 c )时域最小峰值 d )时域峰峰值 e )时域峰值位置 f )频谱最大 g )频谱0.2T Hz 振幅 h )频谱0.5THz 振幅 i )频谱0.9THz 振幅 j )频谱1.28THz 振幅 k )频谱0.9T Hz 位相Fig .4 a )The phot ograph of sa mp les b )The ti m e 2domain max 2i m u m a mp litude i m aging c )The ti m e 2domain m ini m u m a mp li 2tude i m aging d )The ti m e 2domain peak 2t o 2peak value i m aging e )The ti m e 2domain ti m e delay i m aging f )The frequency 2domain maxi m u m amp litude i m aging g )～j )The a mp litude of the fixed frequency at 0.2THz,0.5THz,019T Hz,1.28T Hz k )The phase of the fixed frequency at 0.9THz数据的k )图,反映的是样品的折射率和厚度分布,只不过所针对的是某一个特定频率.从图中可以看到,选择频谱中不同的频率成分的振幅值所成的图像的对比度存在较大的差异.在频率较低时,成像的对比度较差,这是由于空间衍射极限造成的,而且还有非常明显的边缘散射现象,如图g )所示.随着频率的提高,在较高的频率,图像的清晰度和对比度提高,如图h )、I )所示.对于图j ),反映果壳与果仁对1.28T Hz 的电磁波的透射效果差别很小,因此无法进行区分.图e )和图k )都是位相信息成像,只不过图e )反映的是样品对T Hz 脉冲包络位相变化的影响,而图k )描述单个频率0.9T Hz 的位相变化.4 结论本文全面介绍了透射式T Hz 逐点扫描成像系统的关键技术.建立了一种高功率、宽频谱范围的THz 逐点扫描成像系统,能够探测隐藏在某些非透明的电介质材料后面或内部的样品信息.应用针对透射式扫描成像的数据处理方法,给出了一些方法的THz 图像,并分析了这些方法的物理内涵,对开展THz 成像技术研究具有指导意义.REFERENCES[1]Hu B B,Nuss M C .I m aging with terahertz waves [J ].O pt .L ett .1995,20(16):1716—1718.[2]W u Q,He witt T D,Zhang X 2C .T wo 2di m ensi onal electr o 2op tic i m aging of THz bea m s [J ].A ppl .Phys .L ett .1996,69(8):1026—1028.[3]J iang Z,Zhang X 2C .Single 2shot s pati ote mporal terahertzfield i m aging [J ].O pt .L ett .1998,23(14):1114—1116.[4]W ang S H,Zhang C L ,Zhang X C,et al .Terahertz com 2puter t omography [J ].A cta .Phys .S in .(王少宏,张存林,张希成,等.Terahertz 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