太赫兹成像应用于安检THz成像的发展趋势
太赫兹成像应用于安检THz成像的发展趋势
?工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台，整合全产业链知识产权资源，积极推动知识产权保护与有效利用。THz（太赫兹）成像是THz技术的重要应用方向之一，1995年，B.B.Hu和M.C.Nuss利用THz时域光谱系统实现了对新鲜树叶和集成电路的扫描成像，该工作被视为THz成像领域的里程碑，直观而清晰的透射扫描图像证明了THz波在成像领域的巨大潜力。特别是由红外量子级联激光器（Quantum cascade laser, QCL）发展而来的THz QCL在成像方面的潜力也引起了广泛的关注，这类器件具备输出功率高、单频性好和体积小易集成等特点，作为THz源被各种成像技术及系统所采用。
?THz波介于毫米波和红外光之间，与毫米波或微波成像相比，THz波成
像可以获得更高的分辨率，因为THz波具有更短的波长；与红外相比，THz 波可以穿透很多红外无法透过的材料，如纸张，塑料，陶瓷和半导体等，完成对隐藏目标物体的成像；与在医学成像和安检成像等领域广泛应用的X射线相比，THz波具有更低的能量（1THz～4meV），可以弥补X射线容易对人体造成辐射损伤这一明显缺点，同时对低密度物质成像的对比度又要优于X 射线，基于上述优点，THz成像应用领域主要涉及隐蔽目标探测、安检成像、无损检测和癌变生物组织识别。
太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面应用
太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面应用太赫兹波(teraliertz wave)通常是指频率为0. 1一10. 0TH的电磁波。该波段介于微波和红外线之间，因此低频太赫兹波也称作亚毫米波，而高频部分则称作远红外线。太赫兹波具有微波和红外线的优点，实现了二者功能的互补。首先，太赫兹波信号具有良好的时间分辨率，但同时与微波相比还具有很好的空间分辨率，很多生物大分子的振动和转动能级都位于该波段，因此太赫兹波具有在生物医学领域应用的基础。其次，太赫兹波具有定的穿透性，能穿透陶瓷和塑料等物质，因此能够探测定深度的生物组织信息。最为重要的是，太赫兹波的光子能量极小会像x射线样产生电离效应，小会对生物组织和机体造成破坏。太赫兹波的这些特点使其在生物医学领域的应用逐渐得到重视，并取得了定的进展。 在众多生物医学领域的研究中，肿瘤的诊断治疗无疑是研究的重点之。2011年《CA：临床医师癌症杂志》两次更新了全球及美国癌症统计数据:癌症患者人数明显上升，癌症己成为发达国家的首位死亡原囚，发展中国家的第2位死亡原囚。癌症的早期诊断及早期治疗是提高肿瘤治愈率和降低肿瘤患者死亡率的关键所在。尽管影像学检查是肿瘤早期诊断的重要手段之一，但病理学检查H.以来是肿瘤诊断的金标准，该方法在定程度上受病理医生诊断经验的影}}向，并有定的创伤性，小能作为肿瘤筛
查或者常规检查项目。囚此，寻找相对安全、便捷、特异度和敏感度均佳的肿瘤诊断方法，H.是肿瘤预防、诊断和治疗领域的难题。 本文总结了太赫兹成像技术在肿瘤检测领域的诸多进展，以期提供个新的视角和方向，对临床肿瘤检测方法进行有益的探索。 1 太赫兹光谱成像的原理 根据太赫兹源的不同，太赫兹系统分为连续波形和脉冲波形。连续波使用的是固定频率，需要的太赫兹波能量相对较大，对太赫兹源和探测都有定的要求。脉冲波形系统频碧范围较宽，较容易实现，应用也较为广泛，其中太赫兹时域光谱技术(teraliertz time-domain spectroscopy,Thz-TDS)是发展最早、应用较为成熟的技术。连续型和脉冲型波的探测原理基本相同，即己知波形的太赫兹波透过样品或从样品反射后包含了样品复介电常数的空间分布，采集并处理透射或反射过来的太赫兹波的强度和相位信息，就能得到样品的空间分布和组成特性，再进一步进步通过数字处理就叫得到图像。 根据样品探测方式不同，太赫兹系统分为透射式和反射式两种。图1 所示为透射式系统，反射式系统结构与此类似，只是其探测的是从样品反射的信号。两种系统的工作原理相同，即山锁模飞秒激光器发射的激光脉冲被分束器分成两束:束为抽运光，用来激发发射元件而产生太赫兹波;另束为探测光，用来探
太赫兹的相关产品及介绍说明
TDS 以及FDS 光谱系统的成像光束 我们的太赫兹成像相机是一款测量TDS 以及FDS光速轮廓的完美工具。TERASENSE与 TOPTICA研究者在我们的研发项目中已证实了这款产品的实用性。这个研发项目是继2015 年3月19日-20日在慕尼黑的TOPTICA总部举行的技术会议而产生的。我们对在这次在TDS 以及FDS系统的应用前景相当自信，这次的相互促进合作标志着一个新时代的到来，同时也 是标志TERASENSE成像仪的时代的到来。 太赫兹时域光谱(THz-TDS) 太赫兹时域光谱运用了光谱技术，通过这个技术材料的属性可通过太赫兹辐射短脉冲探测出来。生成和检测方案对样板材料在太赫兹辐射的振幅和相位的效果都是非常敏感的。脉冲太赫兹辐射是由光电导开关产生(GaAs 或者InGaAs/InP)产生的，通过femtosecond 激光照射。最后，事实上傅立叶变换的太赫兹振幅产生的太赫兹频谱的频率范围为0.1 – 5太赫兹。 Test of TeraSense camera operation with TDS system TeraSense相机在TDS系统的检测 50 GHz – 0.7 THz 频率范围 1.5 x 1.5 mm2像素大小 1 nW√Hz噪声等效功率 每秒高达50 帧 16x16, 32x32, 64x64 总像素型号光纤耦合InGaAs光电开关0.1 – 5 THz 带宽 >90 dB动态范围峰值 平均功率25 uW 100 MHz 脉冲重复率 太赫兹频域光谱(THz-FDS) 太赫兹频域光谱运用了光谱技术，通过这个技术材料的属性可用持续波(cw)太赫兹辐射探测出。辐射是通过在高带宽的光电导体中的光外差作用获得的：两个持续波激光的输出转换成太赫兹辐射，正是在不同频率的激光。光电混频器由一个小型金属-半导体-金属结构表示。使用偏压到半导体结构中，然后产生一个振荡在跳动频率的光电流。输出频率范围从50 GHz 高达1.5 THz。 Test of TeraSense camera operation with TDS system TeraSense相机在TDS系统的检测 50 GHz – 0.7 THz 频率范围InGaAs光混频器与蝶形天线
太赫兹波谱与成像
太赫兹波谱与成像 太赫兹波简介 太赫兹波是对在电磁波谱中频率位于微波和红外辐射之间的所有电磁辐射的统称，通常也被称做太赫兹辐射、T射线、远红外等等。从频率的角度看，太赫兹波的频率在0.1THz~10THz的范围内(波长在3mm一30μm)，位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段，如图1;从能量的角度来看，太赫兹波的能量只有4.lmeV，介于电子与光子之间，是电子学和光学的交叉领域。 图1 太赫兹波在电磁波普中的位置 由于该频段介于微波和红外线之间，因此，它既不完全适合于光学理论，也不完全适合于微波的理论，用传统的方法很难获得太赫兹波。正是由于这个原因，尽管太赫兹波段两侧的红外和微波技术早已为人们所应用，而且技术非常的成熟，但是太赫兹波段仍然是电磁波谱研究上的一个“空白”地带，也就是科学家们通常所描述的“太赫兹空隙”。在上世纪八十年代以前，太赫兹波的产生和检测是从事太赫兹研究的基本出发点，也是太赫兹技术研究前进道路上的两大阻碍，这也正是科学家对该波段电磁辐射了解十分有限的主要原因。近几十年中，由于超快光电子技术与低尺度半导体技术取得了迅速发展，为太赫兹波段提供了稳定、可靠的光源与探测手段，太赫兹技术及其应用才取得蓬勃的发展。 太赫兹波的特性 太赫兹波位于光学和电子学交叉的研究领域，既不完全遵循光学的规律，也不完全属于电子学的范畴，它具有很多与众不同的优点: 1、能量低：太赫兹波的光子能量只有4.1毫电子伏(大约是X射线光子能量的1/106)，比各种化学键的键能要低，因此，当太赫兹光照射在生物体上时，不会产生对生物组织有害的电离反应。与光子能量在千电子伏数量级的X射线相比，这种不会因为电离而破坏被检测物质的特性，使太赫兹波在安全检查及生物医学领域的应用有强大的优势。
太赫兹(THz)技术
太赫兹(THz)技术 一、基本概念 (1) 1. 太赫兹波 (1) 2. 太赫兹波的特点 (1) 二、国内外研究现状 (2) 1. 美国 (3) 2. 欧洲 (3) 3. 亚洲 (3) 三、太赫兹技术的应用 (4) 1. 太赫兹雷达和成像 (4) 2. 太赫兹通信 (5) 3. 太赫兹安全检查 (6) 4. 太赫兹无损检测 (7) 5. 环境探测 (7) 6. 生物医学 (8) 7. 天文观测 (8) 8. 材料特性的研究 (9) 四、太赫兹技术的研究内容 (9) 1. 太赫兹辐射源 (9) 2. 太赫兹波段信号的探测 (10) 3. 太赫兹功能器件 (10) 五、我们能做些什么 (10)
一、基本概念 1.太赫兹波 太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。 2.太赫兹波的特点 THz波具有很多独特的性质。从频谱上看，THz 辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域， THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看, THz波段的能量介于电子和光子之间。 THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。 THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质： 1)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于) THz电磁波时域谱，并且具有对黑
太赫兹技术简介
太赫兹技术 太赫兹辐射是0.1~10THz的电磁辐射，从频率上看，在无线电波和光波，毫米波和红外线之间；从能量上看，在电子和光子之间·在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。太赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。研究该频段的辐射源不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。 太赫兹介绍 可以预料，太赫兹技术将是21世纪重大的新兴科学技术领域之一。 随着THz科技的发展，它在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐、等多个重要领域具有的独特优越性和巨大的应用前景逐渐显露。太赫兹波的传输是太赫兹波通信系统研究中的一个重要组成部分，由于太赫兹波在自由空间中的传输损耗很大，从某种意义上说很难对它加以引导和控制。为了克服这个困难，急需可以传播太赫兹波的波导[1] 。 太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，被日
本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。太赫兹泛指频率在0.1～10太赫兹波段内的电磁波，处于宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学的过渡区域。频率上它要高于微波，低于红外线；能量大小则在电子和光子之间。由于此交叉过渡区，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波的理论来研究。所以，上世纪九十年代以前，一度被人“遗忘”，也因此被称为“太赫兹空白”。 当前，各国纷纷加快了针对这唯一没有获得充分研究波段的探索，掀起一股研究太赫兹的热潮。那么，作为第五维战场空间的“拓展者”，太赫兹在军事领域具体有哪些应用？让我们走近一探究竟。太赫兹成像 远距离穿墙术，铸就反恐作战新利器。 如果问一下驻伊美军最怕的是什么，那答案肯定是路边炸弹，防不胜防的路边炸弹，成了驻伊美军不寒而栗的“头号杀手”，以至于让美国海军陆战队司令迈克尔·哈吉认为：“这种相对低级的武器将成为未来战争的一个标志。”在美军撤离伊拉克之前路边炸弹造成的伤亡一度不绝于耳。与此同时，不断发生的细菌邮件、包裹炸弹和自杀式袭击也令人神经紧绷。似乎在传统威胁面前，高新技术也无能为力，事实真是如此吗？太赫兹的穿墙透视能力或许能够扭转这种被动局面。 太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。未来城市及反恐作战中，
太赫兹成像系统的研究_向博
2013年第4期 空间电子技术 SPACE ELECTＲONIC TECHNOLOGY 太赫兹成像系统的研究①向博，王龙，孟洪福，窦文斌 （东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096） 摘要：文章介绍了工作在375GHz的太赫兹成像系统，成像系统由3个透镜、返波管源、倍频器、戈莱盒、金属线栅和示波器等部分构成。并用硬币做了太赫兹反射成像实验以验证成像系统效果。太赫兹信号照射到硬币上，逐点扫描硬币，检测经反射的太赫兹信号，提取出其信号幅度。实验结果表明成像效果良好，并采用非线性频谱外推算法对原始图像进行处理，提高了图像可视性。 关键词：太赫兹成像；返波管；非线性频谱外推法 D O I：10．3969/j．issn．1674-7135．2013．04．015 0引言 太赫兹信号具有很强的穿透力，太赫兹成像技术广泛应用于材料检测、非破坏性测试、安全扫描和医疗领域等［1］。太赫兹成像技术主要包括时域光谱成像、层析成像、全息成像和连续波成像等［2 9］。时域光谱成像系统在电场的时域波形中提取反映样品信息的数据进行成像。大体可以分为两类：振幅成像，主要反映了样品的厚度和吸收特性；相位成像，主要反映了样品厚度及其折射率信息［10］。有很多论文研究时域成像，工作带宽高，成像分辨率较高，但是扫描时间较长。相对于时域光谱成像，连续太赫兹成像只检测电磁波透过样品或经样品反射后的强度信息，不具备提供相位信息的能力，但是，连续太赫兹成像系统具有较高的辐射功率、系统简单、价格低、成像速度较快、使用方便的特点。对于扫描物体比较大而又只需要检测缺陷或者透射性质，连续太赫兹成像具有明显的优势。文献［8］报道了该方法用于检测美国航空航天局（NASA）的绝缘层结构内部缺陷。连续太赫兹成像采用的波源主要有气体激光器［6］、耿氏振荡器［11］和返波管［4］等。采用返波管作为太赫兹波源具有体积小、结构紧凑、功率较大和调频范围大等优点。 文章介绍在连续太赫兹成像方面做的研究工作，成像系统的构建主要包括硬件组成、数据采集控制软件和图像数据处理。太赫兹信号照射到硬币上，逐点扫描硬币，检测经反射的太赫兹信号，提取出其信号幅度，得到了硬币太赫兹图像。实验结果表明成像效果良好，并采用灰度调整非线性频谱外推算法对原始图像进行处理，提高了图像可视性。 1成像实验系统 1．1成像原理 太赫兹成像基本原理是基于电磁波穿透目标物体后或经目标物体反射的强度分布，它能反映目标物体的介电特性的差别，包括损伤、干湿、表面形状和缺陷等造成的介电特性的差别。 1．2系统结构 连续太赫兹成像设置方案如图1（a）所示。毫米波波源采用Microtech Instruments公司设计的返波管（型号：QS2-1500），该返波管配上?2、?3、?6或?9的VDI公司设计的倍频器能产生连续可调频率覆盖范围为111GHz 1．5THz的单频点太赫兹波源，文章设计的验证实验采用三倍频器倍频输出375GHz的太赫兹。倍频器输出的太赫兹信号经对角喇叭辐射出高斯束，经透镜变换和汇聚照射到被成像目标物体上。由目标物体反射后的太赫兹信号经戈莱盒检测其幅度大小。透镜用聚四氟乙烯制成，焦距为60mm，F数为1；被成像物体目标放置在透镜2的焦点处，固定在二维扫描的装置上，如图1（a）所示。太赫兹波束被频率为23Hz的斩波器调 56 ①收稿日期：2013-10-08。 基金项目：国家自然科学基金（编号：61101020）；高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20110092120012）。
第十五章 太赫兹在无损检测及航天器检测中的应用
第十五章太赫兹在无损检测及航天器检测中的应用 15.1 应用时域太赫兹探测航天飞机隔离层中的缺陷 太赫兹脉冲成像技术被应用于航天飞机隔离层泡沫材料中缺陷的探测。通过逐点扫描的方法得到各个点的时域波形。然后分析波形的变化来判断缺陷的大小，形状，位置和种类。太赫兹脉冲成像技术有微波成像系统的优点： （1）对非金属的穿透能力强，其衰减系数比超声波小2-3个数量级； （2）有极宽的频谱可供使用，可根据被测对象的特点选择不同的测试频率； （3）除能检测体积型缺陷外，还能检测x射线难以检测的平面型缺陷，如裂纹、分层、脱粘等； （4）非接触式检测，无需使用祸合剂，避免了祸合剂对特殊构件的污染和相互作用； （5）检测效率高，易于实现实时监控； （6）测量本身就是电信号，无需进行非电量的转换，从而简化了传感器与处理器的接口； （7）在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高低温环境中对检测信号的传播影响极小。 2003年2月1日，刚刚完成16天航行的哥伦比亚号航天飞机即将返回地球，还有16分钟着陆的时候，在距离得克萨斯上空62公里的高空发生爆炸。机上7名宇航员全部遇难。5个月之后，虽然尚未对事故原因做出明确的定论，但是事故调查委员会相信哥伦比亚号的悲剧应该归因于外置燃料箱的泡沫隔离层的脱粘所致，如图 15-1所示。
图15-1 哥伦比亚号航天飞机失事原因 如上图所示，（a）为哥伦比亚号航天飞机，图中白色箭头所指之处就是泡沫脱粘的地方，（b）外置燃料箱的泡沫隔离层内部结构的示意图，（c）航天飞机机翼被泡沫所砸出的洞。在初步报告中，调查委员会认为：根据地面上的长焦距摄像显示，在航天飞机升空的过程当中有一块泡沫材料脱落并与机身发生了撞击。导致这种悲剧的原因可能是由于泡沫中存有缺陷，一块手提箱大小的泡沫绝缘材料在起飞过程中发生脱离，然后击中航天飞机的左翼并在隔热板上砸出一个洞来。当航天飞机重返大气层的时候，隔热板上的这个洞使3000摄氏度的高温气体进入了左翼，融化了它的金属支架，最终导致机毁人亡。在一次模拟试验中，美国宇航局的研究人员将泡沫隔离块射向航天飞机机翼, 泡沫隔离块在飞机机翼的隔热板上撞出一个16英寸大小的洞。这一实验有力地支持了上述假设。据称，这已经不是第一次发生泡沫隔离材料撞击航天飞机的事情了，类似的情况在以前的发射中至少发生过7次。因此，泡沫材料中缺陷的检查成为确保之后航天飞机安全发射的关键所在。 太赫兹波成像被美国宇航局选为未来探测发射中缺陷的四种技术之一。这四种技术包括：太赫兹成像，X光成像，超声波成像和激光剪切力成像。已经证明：泡沫塑料材料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率。因此，太赫兹波可以穿过几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋其中的缺陷。图 15-2和图 15-3分别给出了航天飞机使用的泡沫绝缘材料SOFI（Sprayed-On Foam Insulation）在太赫兹频段的吸收率和折射率曲线，以及对它进行检测的太赫兹成像装置。传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点上太赫兹脉冲的整个
第十二章 太赫兹成像在生物医学中的应用
第十二章太赫兹成像在生物医学中的应用 12.1 发展机遇 太赫兹科学在医学方面存在大量机遇。例如，它可以帮助人们提高空间分辨率和数据获取速率；还能帮助人们更好地理解太赫兹在复杂介质中的传播；再如发展内窥镜来观察体内的上皮表层。 太赫兹科学在医学中应用的最好例子如图 12-1所示。利用太赫兹反射式成像，研究人员无需进入到生物体内就可以确定细胞癌肿瘤的范围和深度。另外，利用太赫兹技术还可以探测X射线所无法成像的龋齿，以及对骨组织的进行三维成像。 12.2 应用潜力 太赫兹辐射有望成为一种新的医学成像技术。水虽能强烈吸收太赫兹辐射，但不同组织中的水含量、结构和化学成分的差异正好产生了成像对比度。对于牙齿、皮肤、乳房等器官的研究表明：太赫兹成像能发现其它成像技术无法观察到的特征。图 12-1就表明了太赫兹技术作为诊断工具的潜力。图中(a)部分给出了一个典型的皮肤癌的图像，从该图很难确定这个体内癌变的范围和深度。图 (b)和(c)中给出了它的宽带太赫兹反射图。其中(b)利用表面细节特征进行了一定的优化处理。(c)对200-300μm米的深度进行了优化处理。这两副图显示出了(a)中所无法看到的肿瘤范围。将(d)和(e)中标准的病理学照片与以上这些成像照片作对比，由这些图可以看出太赫兹成像技术在医学上的实力。
图 12-1 皮肤创伤的太赫兹图像 12.3 基本原理 太赫兹辐射具有对生物材料高分辨率（100μm）成像的潜力，因为它的成像对比度机制和目前的成像技术不同。虽然核磁共振能在不同深度成像，同时还会提供一些化学信息，但它不适用于表面或很薄的上皮组织层成像。超声技术基于组织对声波的反射和吸收，其分辨率极限为500μm。目前，研究人员有可能实现太赫兹技术与超声成像技术的相互结合。光学层析(OCT)技术利用飞秒近红外光在表面或表面附近成像。该技术可以提供很高的分辨率和真实的结构信息，但成像的深度限制在1-1.25mm，而且其对比度机制基于组织中光学参数的变化。另外还有一些采用共焦结构或高频谱成像的光学技术，它们也能用于组织的表征成像。值得一提的是，上述的所有光学方法和太赫兹成像技术都是相容的。 太赫兹成像可以提供组织表层下1-2cm的信息，而这一深度取决于组织中的水含量。虽然太赫兹图像的对比度与水含量有关，但局部环境的改变对观察到的信号也有显著的影响。在波导中传输的太赫兹或许能促进内窥方面的应用，同时探测器技术和成像算法的改进应该会使成像质量得到进一步提高。 12.4 太赫兹在生物医学中的应用 在生命科学和医学诊断学领域，太赫兹成像技术势必会与已有的成像技术相抗衡，甚至会超越后者。在这一领域中，太赫兹成像有着巨大的潜力。它是研究树木年代学、病理学等的有力工具。 12.4.1 树密度测绘 树木的宏观密度是木材和纸厂的一个关键参量，而且在木材加工过程中还是要经常测定它的宏观密度。但是从科学角度来说，还是木材的微观密度波动比较有研究价值。特别地，与树的年轮相关的不同密度有着非常高的利用价值，是树木年代学研究领域的中心。从这些年轮的密度轮廓，树木年代学家能得到气候变化的情况及过去几个世纪的森林燧石信息。 太赫兹成像能够有效的对数密度进行测量。为证明这一点，现以水青冈（山毛榉）实验为例。由于太赫兹辐射对水有很高的灵敏度，所以先将14×14×1.7mm3
太赫兹近场扫描显微成像技术
太赫兹近场扫描显微成像技术 太赫兹(Terahertz, THz)辐射通常是指频率范围处于0.110THz的电磁辐射，其波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。近年来，太赫兹技术得到了迅猛发展和广泛应用，成为前沿交叉学科领域之一。太赫兹波由于光子能量很低、具有非破坏性和非等离特性，使得太赫兹在材料检测和无损探测方面有着广泛应用。更为值得提出的是太赫兹成像, 特别是在生物医学方面的成像，引起了人们的广泛关注。就目前而已，主流的成像技术包括逐点成像、实时成像、近场成像、差分成像、偏振成像等。 ?图1、太赫兹脉冲扫描近场成像系统 ?由于太赫兹辐射属于远红外辐射，其波长处于亚毫米量级，因此太赫兹光波的衍射效应限制了太赫兹成像的分辨率。在一般的太赫兹逐点成像系统和实时成像系统中，成像分辨率在毫米量级，这在一定程度上制约了太赫兹成像技术的应用。为了解决这一问题，科研人员提出了一种太赫兹近场成像系统，将太赫兹逐点成像的分辨率提高到了亚波长量级，此工作将太赫兹成像技术的性能提高到了一个新的层次。 ?图1展示了此实验的系统光路，太赫兹脉冲分别由光导天线产生和光电导采样探测。太赫兹脉冲在入射样品之前，首先被耦合进一个金属探针中，从探针端部出射后再经过样品。此方法属于基于孔径的扫描近场光学显微技术，太赫兹光波在样品上的光斑大小只受制于探针端口的尺寸。在此实验中，探针端口的尺寸为50µm乘以80µm，因此所获得的最高成像分辨率可达到55µm。从此，太赫兹近场成像技术引起了科研人员的广泛关注，目前已经成为了太赫兹成像中一个重要的研究方向。 ?通常所说的太赫兹近场成像是指太赫兹扫描近场光学显微技术（THz-
太赫兹简介及特点和应用
太赫兹简介及特点和应用 嘉兆科技 THz波（太赫兹波）或成为THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。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。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。2004年，美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之四，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。THz研究领域的开拓者之一，美国著名学者张希成博士称：“Next ray，T-Ray ！” 目前国内已经有多家研究机构开展太赫兹领域的相关研究，其中首都师范大学，是入手较早，投入较大的一家，并且在毒品和炸药太赫兹光谱、成像和识别方面，利用太赫兹对非极性航天材料内部缺陷进行无损检测方面做出了许多开拓性的工作，同时由于太赫兹射线在安全检查方面的独特优势，首都师范大学太赫兹实验室正集中力量研发能够用于实景测试的安检原型设备。 目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。
太赫兹成像技术的实验研究
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 aves Vol .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:A TERAHERTZ TI M E 2DOMA I N SPECTR OSCOP Y I M AGI NG ZHANG 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
【2019年整理】太赫兹技术发展展望
太赫兹技术发展展望 1 太赫兹波简介 1.1 太赫兹波发现 按传统的分类形式，电磁波分成无线电波、红外线、可见光、紫外线、α射线、γ射线等。随着对电磁波的深入研究，人们发现在电磁波谱中还有一个很特 殊的位置，如图 1.1所示。 这就是太赫兹波即THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线），是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远 红外射线。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。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。 1.2 太赫兹波的特点 目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多
独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。 （1）量子能量和黑体温度很低： Wave number Wavelength Frequency Energy Blackbody Temp. 1cm-110mm30GHz120μeV 1.5K 10cm-11mm300GHz 1.2meV15K 33cm-1300μm1THz 4.1meV48K 100cm-1100μm3THz12meV140K 200cm-150μm6THz25meV290K 670cm-115μm20THz83meV960K （2）许多生物大分子，如有机分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。 （3）THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等，因此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用。 （4）THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用 （5）带宽很宽（0.1—10T）Hz。 （6）很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。 在我国未来的太空研究和探月计划中, THz波也可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。综上所述, THz科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题,又是国家新一代信息产业、国家安全以及基础科学发展的重 大需求,对国民经济以及国防建设具有重大的意义。与此相适应,世界各国都对THz波的研究给予极大的关注,并部署了多个重大的国家级以及国际合作研究 计划,取得了一些突破性的成果,有些已具有实用价值。另一方面,国内在THz 研究的理论和实验方面也取得了一些重要成果,在国际上产生了一定的影响,为我国THz技术的研究和发展打下了扎实的基础。
太赫兹技术及其应用研究
太赫兹技术及其应用研究 姓名：王结库 学号：0710940414 专业班级：电科074 指导老师：于莉媛
太赫兹技术及其应用研究 摘要：太赫兹技术是一个具有广泛应用前景的新兴学科，近10年来，太赫兹技术理论研究的蓬勃发展带动了太赫兹波应用研究的迅速扩大。作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理化学、信息和生物学等基础研究领域，以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景。文章简要介绍了太赫兹波的重要特性集、太赫兹技术的研究现状及应用前景，重点介绍了太赫兹技术的特性、及在国防领域的应用。 关键词：太赫兹；特性；太赫兹波成像；应用 1 引言 太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，通常它是指频率在0.1THz一10 THz(波长在3um～3 mm)之间的电磁波，在某些特定场合，指0.3 THz一3 THz之间的电磁波，还有一种更广泛的定义，其频率范围高达100THz．直到上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”(Teraheaz Gap)，对太赫兹波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲太赫兹技术产生以后．近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，太赫兹技术表现出了极大的应用潜力．作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域。以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景．本文将对太赫兹辐射的特性进行介绍，并在介绍太赫兹技术的常见应用基础上，着重对太赫兹技术在有关国防领域的潜在应用进行介绍． 2 特性 太赫兹波之所以引起科学界浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它是一类广泛存在而并不为人所熟悉的电磁辐射，更重要的原因是它具有很多独特的性质，正是这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景．从频谱上看，太赫兹辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域。太赫兹辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间． 2.1 波粒二相性 太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性．太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性；在与物质互相作用时，太赫兹波还显示出粒子特性． 2.2 穿透性
第五章 太赫兹成像.
第五章太赫兹成像 太赫兹辐射作为一种光源和其他辐射如可见光、X射线、近/中/远红外、超声波等一样，可以作为物体成像的信号源。而且现在，太赫兹成像技术已经成为了X 射线成像、毫米波成像、超声成像等成像技术的有力补充。太赫兹成像技术分类有很多种，从大体上它可分为相干成像技术和非相干成像技术；而从成像系统对样品成像的方式又可分为透射式成像和反射式成像。在本章我们重点介绍一下太赫兹相干成像技术如：太赫兹时域光谱成像、太赫兹电光取样成像、太赫兹层析成像以及太赫兹近场成像等。而对非相干成像技术如太赫兹连续波成像只做原理性的介绍。 5.1 太赫兹成像系统 由于太赫兹辐射的独特性质，以及太赫兹成像系统能够在合理的时间内对物体成像，所以太赫兹成像技术在近几年间引起了世界范围内的广大相关科技工作者的极大关注与兴趣。另外，太赫兹成像技术已经初步覆盖了广泛的应用领域，这其中包括：生物医学诊断、包装食品中所含水分的监测和封装集成电路的缺陷检测等等。 图 5-1 用作透射成像的太赫兹时域光谱仪结构示意图 太赫兹成像的基本原理是：利用成像系统将所记录下来的样品的透射谱或反射谱信息（包括振幅和相位的二维信息）进行分析和处理，最后得到样品的太赫兹图
像。太赫兹成像系统的基本结构与太赫兹时域光谱相比，多了图像处理装置和扫描控制装置。利用反射扫描或透射扫描都可以对物体成像，选取那种成像方式主要取决于样品及成像系统的性质，根据不同的需要，可使用不同的成像方式。如图 5-1所示，它是一套典型的基于太赫兹时域光谱仪的太赫兹透射成像系统。这套系统是由飞秒激光器、光学延迟台（由计算机控制）、光学选通（optically gated）太赫兹发射极（transmitter）、太赫兹准直和聚焦系统、用于成像的样品、光学选通探测器（receiver）、电流前置放大器和同样由计算控制的数字信号处理器（DSP）等组成。其中，要求被测样品放在透镜的焦平面上，以便于实现对其二维成像。 5.1.1 飞秒激光源 在绝大多数的太赫兹成像系统中，所用的光源大都是800nm的近红外锁模钛蓝宝石激光器。这种激光器之所以使用地如此广泛主要是因为从它的激光参数（脉宽、波长和输出功率）来看，这种激光器是驱动（drive）以砷化镓（GaAs）和辐射损伤蓝宝石上硅（RD-SOS）材料为衬底的太赫兹发射极和探测器的理想之选。另外，它的脉冲重复率和脉冲稳定性都很好，并且操作起来也相对比较容易。而且世上首套商用的THz-TDS系统的光源就是锁模钛蓝宝石激光器。 尽管锁模钛蓝宝石激光器有如此之多的成功应用，但由于它的噪声性能以及抗震性能等方面还有欠缺，有待改进，而且如果要设计制造便携式的太赫兹成像系统，就得需要有那种抗震性能更好的飞秒激光器。所以还需寻求一种更理想的飞秒光源，而锁模光纤激光器（波长在1550nm附近）则是目前最为理想替代之选。这种激光器所发的激光脉冲完全是在一根光纤中传输的，而且它已经实现了商业化。另外，大量的工作业已开始研究适合这种激光器所能驱动的太赫兹发射和接收天线。如果成功的话，到那时就无需使用GaAs了，这是因为光纤激光器所发出的激光光子能量低于GaAs材料的能带隙。而且现已发现了许多适合光纤激光器的候选材料如：砷化镓(GaAs)的三元和四元合金、砷化铟（InAs）、和离子注入的锗。5.1.2 光学延迟系统 THz-TDS系统要求两束光（泵浦光和探测光）之间的时间延迟能够改变，由此来改变取样脉冲与太赫兹波形的交叉点（取样点），从而对波形的这一点进行取样。这种通过改变其中一束光的光程而达到改变两束光的相对延迟的方法在几乎所
第十章 太赫兹成像的军事应用
第十章太赫兹成像的军事用途 太赫兹成像技术在医学、国土安全和无损检测领域都能够发挥出它自己的积极影响。同样在军事领域，太赫兹也有它独有的一面。例如，宽频太赫兹雷达能够对目标物体进行高分辨率的三维成像，而且它还能从光谱数据中提取出目标物成分的详细信息；在陆、海、空、天，电磁五维战场中，太赫兹都可以对目标物进行对象识别。 10.1 太赫兹在军事领域的机遇 由于目前的太赫兹源以及相关的探测器的性能有限，再加上空气中的水汽对太赫兹的强吸收等等因素都会制约太赫兹到军事领域中的应用发展。水分对太赫兹的强吸收作用可限制太赫兹在海平面上进行远距离探测。在距海平面100米高的距离，标准大气对太赫兹波的吸收情况如图10-1所示。虽然在1THz以下以及10THz以上的频率范围内都存有多个大气窗口，但是1-10THz之间的频率范围对于太赫兹波来说却是不透明的。 图10-1 太赫兹在距海平面100米处传播的透射比 因为水蒸气的密度会随着海拔的增高而急剧衰减，所以对于处在20000英尺高的高空中（或者更高的高度）飞行的飞行器来说，它们可以和几公里外的目标进行太赫兹通信，而且它们还能和太空中的航天器之间进行太赫兹通信，这样一来就可以利用太赫兹进行长距离通信，以及对空间物体进行远距离探测。 目前，军方所感兴趣的是太赫兹雷达的高分辨率成像，以及太赫兹被动成像系统。因为与毫米波雷达相比，太赫兹雷达具有低仰角、高精度等特点，这使得
太赫兹雷达三维成像的分辨率要强于毫米波雷达。而太赫兹潜在的最大应用价值则在于它的光谱分析能力，它根据材料的分子结构的共振吸收，可以获得构成材料的组织成分的一些相关信息，由此太赫兹可用来作目标物的识别，而这是其他远距离探测方法所难以做到的。 太赫兹脉冲的持续时间可以小于1ps，而其相应的脉宽也在0.3mm以下，所以太赫兹雷达可以探测到多组分目标的详细结构，其分辨率可以达到亚毫米量级。同时根据太赫兹光谱对介电常数或吸收系数的灵敏性，用它可以来区分不同的物质材料。另外，利用光谱响应还可以探测到隐藏在伪装物或稀疏的树叶之后的武器装备和武装人员，并将他们从背景中区分出来。 太赫兹技术同样在安全成像方面也有很大的优势，它可以对隐藏在衣物内的武器，炸药包进行成像，而且所呈图像的空间分辨率也很高，并且图像中还具有许多光谱细节。同样太赫兹在探测、识别、跟踪大气中生化武器方面也有很大的应用价值。毒气战剂独特的太赫兹化学信号（利用旋转谱线），以及声子激发的生物战剂，都可以利用高分辨率太赫兹光谱仪将其探测出来。 10.2 太赫兹在军事领域中的应用 10.2.1目标识别 太赫兹成像雷达可由可调谐脉冲的光学参量振荡器，反射光学系统以及外差探测器组成。其中，反射光学系统的作用是校准发射光束和接收光束的，而探测器则是由肖特基二极管混频器和倍频毫米波源作本机振荡源。太赫兹雷达可以根据目标物的光谱响应来对目标加以识别。虽然太赫兹在大气中传输会受到相当大的影响，但是由于太赫兹调谐信号可以覆盖多个波段，所以它还是能够提供足够的信息来识别目标物的。 在海平面处，一个单脉冲太赫兹雷达对一个固态目标物进行探测，它所能探测的范围如表10-1所列。当这个单脉冲太赫兹雷达工作在低PRF模式下时，光学参量振荡器所发出的每个脉冲的能量大约为20μJ，但如果它是工作在5000pps 的扫描成像模式下时，每个脉冲能量大约是0.5μJ。假设探测器的噪音温度为9000K，如果将其应用在太空之中，那么天线耦合和外差混频的损耗至多能达到10dB。对于散射效率为10％的随机分散目标来说，天线孔径为200mm，载波噪声比为15dB的便携式雷达，它的单脉冲探测的最大距离如表1所列。