太赫兹波谱与成像.docx

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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—30pm〕，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。

10°1O101011101?

10131C14101510161017

频念（Hz）

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根本出发点，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开展，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开展。

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响。

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，使太赫兹波在平安检查及生物

医学领域的应用有强大的优势。

2、透视性强：

太赫兹波对于很多介电材料和非极性的不透明物体〔如塑料、纸箱、布料等〕有非常好的穿透能力，因此可以利用太赫兹波对已包装的不透明物体进行透视成像。

3、时间分辨能力强：

太赫兹脉冲的脉宽在皮秒量级，可以准确的描述太赫兹辐射的电场强度，有较好的时间分辨能力。

4、信噪比高：

太赫兹脉冲在用于对各种材料进行时间分辨研究时，可以通过取样测量的技术，有效抑制背景辐射噪声干扰，此时测量辐射强度的信噪比可以超过10。

5、光谱分辨性好：

太赫兹脉冲的单个脉冲通常可以覆盖从GHz至几十太赫兹的范围，大多数的物质分子，特别是有机分子，其转动和振动的跃迁，在该频段有比较强烈的吸收与色散特性，这给探测物质组成成分及分辨物体形貌提供了更加新颖而精确的研究手段。

太赫兹波的应用

太赫兹波的优良特性决定了太赫兹技术具有重要的学术价值和广阔的应用前景，目前太赫兹技术的研究和应用己经涉及到平安检测、生物医学、天文研究、

通信遥感、军事侦察和无损检测等领域。

图2放在纸盒〔左〕与毛巾〔右〕中的太赫兹图像

3、天文学：

宇宙空间里近一半的射线都是太赫兹射线，这些射线包含了恒星形成、星系演化、天体运动等方面的丰富信息。

欧洲、美国和日本己经在着手合作建设全球最大的射电天文亚毫米波干预阵列〔ALMA方案〕。

太赫兹波在研究

这对我国未来的

10GB/S的传输速

与可见光和红外

星球外表特性与极区辐射特性等方向也有非常重要的应用价值,太空研究和探月方案有十分重要的意义。

4、通信技术领域：

用于无线通信时，太赫兹波可以获得率，比当前所应用的超宽带无线通信技术快了几百甚至上千倍。

线相比，太赫兹波具有良好的方向性和云雾穿透能力，这就可以保证太赫兹通信的畅通。

尽管缺乏高功率的太赫兹发射天线和源，太赫兹无线通信暂时还无法在通信领域商业化，但是随着太赫兹研究的开展，太赫兹通信必将在通信领域得到广泛的应用。

5、雷达遥感探测方面：

与微波和毫米波相比，太赫兹波以其高的分辨率、准确的定位、较高的成像质量，在遥感探测中有很大的应用价值，特别是在恶劣天气环境下对军事目标进行侦察、识别及精确制导方面有很大的应用潜力，太赫兹雷达是遥感探测并预警生化武器的理想工具。

目前美国已经建立了机载军用太赫兹遥感雷达系统，并已实验成功。

6无损检测方面：

特别是对塑料泡沫等绝热材料内部存在的气孔、脱粘、夹杂物等瑕疵进行无损检测，太赫兹技术有着传统检测技术〔如X射线检测、超声波检测等〕无法比较的优点。

在对航空、航天材料的检测与评估时，太赫兹技术成为X射线与超声波等检测技术的有效补充，甚至在某些方面可以取代。

目前美国航天局已经将太赫兹成像技术应用于检测航天器的缺陷。

目前国内对太赫兹技术的研究主要集中在科研院所与高等院校，研究所主要

有上海微系统所、中国科学院物理所、中国计量学院太赫兹技术与应用研究所、紫金山天文台、西安光机所等；大学方面那么主要是：

首都师范大学、天津大学、南京大学、哈尔滨工业大学、西安理工大学、国防科技大学、电子科技大学等。

哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心和深圳大学采用相干公司生产的SIFIR—50光泵浦太赫兹激光器作为辐射源，热释电阵列相机Pyrocamill作为探测器，建立了透射式实时连续太赫兹波成像系统，实现了对装在信封内的纸条的

太赫兹成像。

该系统采用了124*124的探测阵列元，最大成像面积为，与扫描式太赫兹成像，成像速度提高了3个数量级以上，验证了

面阵太赫兹成像的优越性，同时也验证了太赫兹成像技术在常用包装物材料检测方面的巨大应用前景。

（a）瓶盖的照片（b）瓶盖所成的像

图3瓶盖的太赫兹图像

哈尔滨工业大学利用SIFIR—50太赫兹激光器和相干公司生产的P4一42热释电探测器，搭建了一套透射式太赫兹成像系统，成功实现了对聚四氟乙烯材料、瓶盖、树叶及金属片等物品成像，验证了太赫兹成像技术在检验材料均匀性、检测封装食品新鲜度、检测隐藏危险品等方面的应用价值，同时也验证了利用扫描成像技术在短时间内获取清晰太赫兹图像的可行性。

太赫兹成像系统

自从第一套太赫兹成像系统搭建以来，太赫兹成像广阔的应用领域和巨大的应用价值引起了国内外专家学者的普遍关注，时域光谱成像、连续波成像、太赫

兹实时成像、计算机层析成像等技术也都成为研究的热门课题。

但是在很长一段时间里，由于脉冲太赫兹波成像的设备十分昂贵，光学系统也比较复杂，太赫兹成像技术的的科学研究和实际应用都受到了很大的阻碍。

近

几年，连续太赫兹波的成功发射，使太赫兹波的产生不再依赖于昂贵的飞秒激光器，一系列小型化太赫兹系统也应运而生，这就给太赫兹成像技术的开展创造了得天独厚的条件。

1、太赫兹波的产生

太赫兹波的频率处于电和光的交叉领域，拥有电和光的双重属性，因此可以从光学和电子学两种机理来产生太赫兹波。

太赫兹波的产生方法有很多种，目前常用的有以下几种：

1、气体激光器泵浦太赫兹激光的方法。

气体激光器通常可以输出较高平均功率的太赫兹波，不过设备的造价比较昂贵并且输出的太赫兹波不连续。

2、利用光电导天线产生太赫兹波。

光电导天线的根本原理是，当砷化稼、掺杂的硅等半导体光电导材料受到超短激光脉冲的激发时，外表会激发出载流子，在外加偏置电压的作用下，载流子会加速运动，并且辐射出太赫兹脉冲，如

图4所示。

利用光电导方法辐射太赫兹波时，辐射出太赫兹电磁波的电场强度与激发光的强度和外加偏置电场的场强是成正比的，但是在实际应用中，这种线性比例关系只是在比较低的激发光强度与比较弱的偏置电场中才是适用的。

这是因为当偏

置电压升高到一定程度的时候，光电流会引起用作天线基底的半导体材料发生热致击穿。

不过，光电导天线仍然是一种能够产生较高功率的太赫兹波脉冲的方法。

图4光电导天线辐射太赫兹波示意图

3、光整流法产生太赫兹波。

光整流法是目前应用比较多的方法，它产生太

赫兹波的实质是利用飞秒激光脉冲激发半导体晶体，这种方法可以产生0.2—

2.0THZ的太赫兹脉冲，可以用于成像系统，但是功率通常小于100微瓦。

图5光整流产生太赫兹波示意图

4、利用耿氏振荡器产生太赫兹波。

这种发射器的结构比较紧凑而且本钱比较低。

耿氏振荡器产生的电磁波频率通常在O.ITHz以下，不过，如果将耿氏二极管产生的电磁波输入非线性电子元件〔如肖特基结〕进行倍频，就可以得到更高频率的太赫兹波。

5、利用返波管振荡器〔BWO〕产生太赫兹波。

返波管振荡器是一种真空电子管，是从微波技术上开展而来的。

利用返波管产生太赫兹波是一种非常实用并且比较成熟的方法。

返波管产生太赫兹波的过程如图6所示，位于返波管一端的阴极电子枪向返波管令一端的阳极发射出电子束，电子束在高压电场的作用下高速运动〔图a〕。

在阴极和阳极之间设置有一个由周期分布的电极组成的梳形电子减速系统，该系

统可产生一个周期分布的电势场，当电子束通过该电势场时，高速运动的电子被电磁场减速，其携带的动能那么被转化为电磁能，从而在电子运动的相反方向辐射出电磁波〔b〕。

⑶lb）

图6返波管产生太赫兹波原理

以上五种方法，虽然都可以产生太赫兹波，但是却各有自己的局限性。

气体激光器可以发射相对较强的太赫兹波，并且覆盖的频率范围较宽，但是体积较大，功耗也比较高；电子学的太赫兹源也可以获得较高功率的太赫兹波，而且体积比

较小，然而只能发射低频的太赫兹波；脉冲太赫兹源几乎可以覆盖整个太赫兹波谱范围，而且在常温的模式下可以获得很高的信噪比，然而它需要的飞秒脉冲激光器价格却比较高，而且平均的功率也比较低。

2、太赫兹成像技术

赫兹波可以穿透衣料、塑料、纸张等材料，即使对可见光不透明的物体也可以进行透视成像，而且其光子能量比较低，不会引起电离作用，因此成为一种十分平安的成像技术。

太赫兹成像技术有很多种，扫描式太赫兹成像技术、太赫兹实时成像技术、太赫兹层析成像技术等。

目前应用比较多的太赫兹成像技术是太赫兹时域光谱成像和连续波成像，这两种成像技术都采用了逐点扫描的方法，通常是在二维移动的平台上进行的，而太赫兹时域光谱成像一般采用太赫兹脉冲成像。

3、太赫兹时域光谱成像技术

太赫兹时域光谱成像技术，它利用飞秒激光技术获得宽波段太赫兹脉冲，首先让太赫兹脉冲透射样品，然后测量由此产生的太赫兹电场强度随时间的变化，进而得到样品信息。

这种技术己经被用于大量材料的研究，包括毒品、生物分子、有机材料、液体、气体等。

太赫兹时域光谱成像技术的根本原理是，利用波形的太赫兹波作为成像光源，根据透过成像样品〔或从样品反射〕的太赫兹电磁波的强度和相位信息，分析样品复介电函数的空间分布。

通过记录透射太赫兹电磁波的强度和相位的二维信息，并在计算机内进行适当的数据处理和分析，从而获得样品的太赫兹图像。

目前可以用来产生太赫兹波的方法很多，所以搭建的系统也各不相同，但是成像的系统根本原理都是一致的，本节就用图7来描述太赫兹时域光谱成像的基本过程。

飞秒激光器产生的激光脉冲经过分光镜后被分为两束，一束首先经过时

间延迟系统，然后入射到太赫兹发射元件〔光导天线或非线性光学晶体〕上产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲透射样品或者在样品外表发生反射，另一束激光脉冲〔探

测脉冲〕和透射样品后的太赫兹脉冲一同入射到太赫兹探测器上，通过调节探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟进行屡次采样，从而探测到太赫兹脉冲的整个时域波形，探测器输出的信号经过锁相放大器放大，传输给计算机进行数据处理，从而生成测量样品的太赫兹图像。

图7太赫兹时域光谱成像系统

图8葵花籽的太赫兹图像

太赫兹波时域光谱成像技术的一个显著特点是包含的信息量很大，每一像素

源都会相对应的产生一个太赫兹时域波形，利用时域波形的振幅成像，可以反映样品的厚度和吸收特性；利用相位成像那么可以反映样品厚度及其折射率信息。

图8

显示了首都师范大学采用多种方法处理数据而得到的瓜子的太赫兹图像，其中a

是实物的可见光图像，b是根据时域最大峰值生成的图像，c是时域最小峰值，d是根据域峰峰值而生成的太赫兹图像，e是根据时域峰值位置而生成的太赫兹图像,f是根据频谱最大值生成的图像，g是利用频谱0.2THZ时的振幅生成的图像，h是在频谱0.5THZ时的幅值生成的图像，i是根据频谱0.9THZ时的振幅而生成的图像，j是利用频谱在1.28THZ时的振幅而生成的太赫兹图像，k是利用频谱0.9THZ时的位相而生成的图像。

太赫兹成像技术的应用

1、在平安领域中的应用

太赫兹光谱技术和成像技术可以在平安领域中发挥巨大的作用，可用来监控、探测和识别致命性药剂如炸药、生化战剂和病毒等。

这对于国土平安、机场和车站安检等领域具有重要意义。

由于大多违禁物品或危险品在太赫兹波段都有指纹谱，利用太赫兹光谱或成像技术可以轻易地检测出它们。

局部样品的指纹谱如下列图所示。

从图中可以清楚

地看到，这些爆炸物或毒品在所研究的太赫兹波段都有明显的特征吸收峰。

根据

这些特征吸收峰还可以鉴别出爆炸物或毒品的种类。

另外，由于太赫兹波辐射的

低能无损性，可以利用太赫兹技术进行活体检测，可有效对人体炸弹或人体携带的毒品或其他违禁物进行检测、预警等。

图12违禁物品检测.⑻爆炸物检测:

（b）^品检测

现有的金属探测器和X光安检等设备无法识别陶瓷刀具、塑料炸药等新型

作案工具或武器。

但这些材料在太赫兹波段的透明度不如在X光波段，而且太

赫兹光谱技术可以容易测得样品的折射率，因此利用太赫兹光谱或成像技术可以有效地对它们进行成像鉴别或光谱测量识别。

另外，由于大多包装材料在太赫兹波段都有很高的透过率，所以太赫兹技术可以对包裹、信封以及其他包装物内的隐蔽物品进行排查，甚至太赫兹波辐射还有可能穿透沙土探测埋在其中的地雷等，如图下列图所示。

图13纸盒屮刀具的太赫兹透射成像

2、太赫兹在生物研究方面的应用

结果说明，各种氨基酸对太赫兹波具有灵敏的光谱相应，在有效的光谱测量范围，它们均有特征吸收峰，而且各个光谱之间具有明显的差异，由此利用太赫兹光谱能够有效地区分不同种类的太赫兹光谱。

利用太赫兹光谱技术研究氨基酸体系对于研究生物肽直至蛋白质大分子的理论和应用研究具有重要的科学和应用意义。

另外，太赫兹光谱技术对于中药和生物选种的研究也具有积极的作用。

利用太赫

兹光谱技术可以进行中药和生物种子品种的鉴定和品质的评价，为促进中医药科

学和农业开展提供有效的研究途径。

对未来的展望

太赫兹科学技术是本世纪的又一场“前沿革命〞，它已成为科学研究的热门课题之一。

太赫兹科学技术方兴未艾，已在一些重要的研究领域显示出其独特优越性。

在21世纪，太赫兹的应用研究将是相关科研人员的研究重点。

太赫兹科学技术并不是万能的，它只是在一些领域是令其他技术诸如红外技术和微波技术等所不能比较，但在另外一些方面它只是作为其他技术的补充和延伸。

虽然太

赫兹科技在辐射源、探测器及相关的功能元器件技术方面开展不够理想，尚不能实用化、商业化，但它仍具有很高的科学研究价值和巨大的开展潜力。

太赫兹成像技术还可以对半导体材料或超导体材料物理特性的分布特征进行研究，如测量超导电流的矢量场分布图像等。

而且太赫兹成像在生物医学样品中的应用也已经得到了广泛的关注。

太赫兹近场成像技术已经使得其分辨率到达了波长以下的尺度，利用近场成像和“动态孔径’的原理，目前太赫兹显微成像的分辨率已到达几十微米。

在较长的一段时间里，太赫兹成像技术应用中的障碍之一在于设备复杂昂贵，对图像信息的分析和处理技术也有待进一步实用化。

目前,THz系统已经实现了小型化，而连续THz辐射的产生技术也将使THz技术不再依赖于昂贵的飞秒激光器。

可以乐观地期望，随着技术的开展,THz成像的应用前景将是非常广阔的。