太赫兹激光在成像方面的研究.doc
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1、 武汉工业学院武汉工业学院 毕毕 业业 设设 计计 设计题目:太赫兹激光在成像方面的研究设计题目:太赫兹激光在成像方面的研究 姓姓 名名 姜贺姜贺 学学 号号 院院 (系)(系)数理科学系数理科学系 专专 业业 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 指导教师指导教师 纠纠 智智 先先 20232023 年年 6 6 月月 1 11 1 日日 目录 摘 要.错误错误!未定义书签。未定义书签。Abstract.错误错误!未定义书签。未定义书签。1 引言.错误错误!未定义书签。未定义书签。2 电磁波.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 电磁波的传播.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 电
2、磁波的基本概念及产生.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3 电磁波的一般函数表达式.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4 太赫兹波简介.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5 太赫兹波的产生.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6 太赫兹波的探测.错误错误!未定义书签。未定义书签。3 太赫兹成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 太赫兹成像的基本原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2 太赫兹成像的像素信息.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3 太赫兹波传播过程中横模分布的成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4 太赫兹成像技术.错误错误!未定义书签。未定义书签
3、。4.1 太赫兹扫描成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2 太赫兹实时成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3 连续波成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.4 太赫兹近场成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.5 太赫兹 CT.错误错误!未定义书签。未定义书签。结论.错误错误!未定义书签。未定义书签。谢 辞.错误错误!未定义书签。未定义书签。参考文献.错误错误!未定义书签。未定义书签。摘摘 要要 太赫兹辐射介于微波和红外之间,本文回顾了太赫兹射线成像的进展情况,与微波、X 射线、核磁共振 NMR(nuclear magnetic resonance)成像相比,太赫兹成像
4、不仅能给出物体的密度信息,并且能给出频率域的信息,以及在光频、微波和 X 射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息,太赫兹射线与其他频段的电磁波相比,它能量低,不会导致对生物样品的电离损伤,并且太赫兹射线很容易穿过介电材料,因而可以用于产品的安全监测、纳米材料的无损探伤,因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有也许带来新的关键性的突破.研究了焦点位置附近太赫兹波的横模分布,目的在于了解系统中太赫兹波的横向分布情况,为进行太赫兹光谱和成像实验提供依据。介绍了太赫兹成像原理及相关的时域扫描成像、实时成像、连续波成像、近场成像和层析成像技术。列举了太赫兹光谱和成像技术在国家安全、生物研究、
5、材料研究、无损检测等方面的应用。关键词:太赫兹成像;太赫兹波;横模分布;狭缝法;太赫兹成像技术 Abstract In this paper,we present an overview of recent progress of T-ray imaging.Compared with microwave,X-ray imaging and NMR(nuclear magnetic resonance),T-ray imaging can give us not only the density picture but also the phase information within the
6、 frequency range.The unique rotational,vibrational and translational responses of materials(molecular,radicals and ions)within the THz range provide information that is generally absent in optical,X-ray and NMR images.The important characteristic of T-ray is that it has potential to detect the natur
7、e of low energy processes in physics,chemistry and biomedicine without the ionization.T-rays can also easily penetrate and image inside most dielectric materials and nano materials,which make it a useful and complementary imaging source.We also believe that the key”application of terahertz technolog
8、y is for T-ray imaging bio-body.Principle in THz imaging.The transverse mode distribution of THz wave near the position of focus point was studied in this paper.It is important to know the transverse distribution of THz wave,which can be referenced as an evidence of sample positioning in THz spectro
9、scopy and THz imaging experiments.Time-domain raster scan imaging,real-time imaging,continuous-wave imaging,near-field imaging and tomography imaging are introduced.Potential applications of THZ technology,such as homeland security,biological research,materials research,non-destructive evaluation ar
10、e discussed Key words:T-ray imaging,THz wave,transverse mode distribution,slit method,THz imaging technology 1 1 引言引言 THz 辐射通常指的是波长在 3mm30m(100GHz10THz)区间的远红外电磁辐射,其波段位于微波和红外之间,在 20 世纪 80 年代中期以前,由于缺少有效的产生和检测方法,人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限,以致该波段被称为电磁波谱中的 THz 空隙,该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口,近十几年来,超快激光技术的迅速发展,为
11、THz 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使 THz 辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展,THz 技术之所以引起广泛的关注,是由于太赫兹电磁波有其独特的特点,它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、特别是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景1。可见光、X 射线、电子束、中红外、近红外和超声波是在医学诊断、材料分析以及工业生产等诸多领域中广泛应用的重要成像信号源,与以上的光源相比,太赫兹电磁波对于某些电介质材料有很强的穿透效果,除了可测量由材料吸取而反映的空间密度分布外,还可以通过相位测量得到折射率的空间分布,从而获得与材料相关的的更多信
12、息,这是太赫兹时域光谱的独特优点,电磁波成像,相对于可见光和 X 射线具有非常强的互补特性,特别适合于可见光不能透过、而 X 射线成像的对比度又不够的场合,此外,太赫兹电磁波的光子能量极低(1THz 约 4.1meV),没有 X 射线的电离性质(光子能量在 keV 量级),不会对材料导致破坏,THz 电磁波可以穿过衣服和皮肤,但是它不会像 X 射线同样对人体构成伤害,运用 THz 电磁波可以检查机场通关的旅客与行李,检查邮件中是否藏有毒品、炭疽菌粉或炸弹等违禁物品,THz 脉冲成像的非破坏性和非接触性对研究珍贵艺术作品和研究古生物化石等样品很有价值,例如透过艺术品的表面对内部可视化,无需接触或
13、破坏易损的纸张而拟定书籍的内容等。此外,对诸如火焰的热分析、塑料封装集成电路的引线图成像、聚合物内部的气泡以及陶瓷中的裂缝探测等,太赫兹时域谱成像都是极有前程的技术,自太赫兹电磁波被初次用于成像以来,各种太赫兹成像技术相继问世,如太赫兹近场成像技术,太赫兹层析成像技术,时域太赫兹逆向变换成像技术等等2,3。虽然太赫兹波的产生和探测技术只在近几年才取得一定的成果,并且目前还没有适当功率的小型化商品出现,但太赫兹技术的应用早已得到同步开展。这重要归功于太赫兹波在某些应用领域的不可替代性。例如,很多干燥的非极性非金属材料在太赫兹波段的穿透性很强;太赫兹波的能量很低(lTHz 约 4emV),对有机组
14、织无伤害;太赫兹脉冲的宽度一般在亚皮秒级,信噪比高,适合瞬态研究;采用太赫兹 TDS 技术4,5可以直接测量太赫兹波电磁场的相位和振幅。正是太赫兹波的这些特性才使它在许多领域受到了重视。太赫兹波成像技术(T-ray Imaging)相对于可见光和 X 射线有非常强的互补特性,其穿透能力介于两者之间,又不会对人体或生物组织导致伤害。太赫兹波在材料研究、安检,生物和医学中的各种成像应用是目前开展得最广泛的研究。太赫兹波成像技术可以运用相位信息进行成像,许多干电介物质对太赫兹波段基本是透明的,但是折射率不同会引起太赫兹波相位的变化,从而实现对不同材料的鉴别。例如使用太赫兹波成像技术在车站、机场对行李
15、或旅客进行安检就非常抱负,它可以准确地检查刀具、枪支、炸药及非法药品毒品等6-8。对细胞水平的生物组织进行成像,丰要是测量不同组织及其含水量对太赫兹波的吸取引起能量的变化,例如皮癌9及其它组织表层病变的初期诊断等。通过太赫兹 TDS 技术还可以同时探测太赫兹波的相位和振幅变化信息,可以实现对材料光谱特性的研究,例如测定掺杂半导体载流子的富集度和迁移率10和研究高温超导材料的特性11等。对于太赫兹成像技术的分辨率,由于瑞利极限将系统的远场分辨率限定在太赫兹波波长,即约 0.3mm,要提高空间分辨率就只有采用近场成像的方法。贝尔实验室的Mitrofanov 等人用中心波长为 600m 的太赫兹波,
16、得到了 7m 的空间分辨率12;Yamashita 等人在对大规模集成电路进行成像时实现了 3m 的分辨率。近场成像技术的分辨率仅与光学系统的孔径有关,这不仅提高了太赫兹波成像系统的分辨率,也扩大了太赫兹系统的应用领域。如前所述,由于太赫兹波对材料的敏感性,太赫兹技术可以广泛用于机场、码头等部门及国土安全检测。美国 RPI 学院进行的太赫兹波探测地雷实验,在 10m 的范围达成了 2mm 的精度13。此外有关太赫兹波炸药探测和生化武器监测的研究也正在开展。太赫兹波的大气传输特性如图 l 所示,在 870m、735m、620m、450m、350m 图 l 太赫兹波的海平面大气传输特性 附近存在着
17、相对透明的窗口。由图 1 可以看出,太赫兹波在军事领域的吸引力并不在于它的灵敏度,而是它可以提供更高的空间分辨率或减小孔径尺寸。但是由于水分和生物目的引起的衰减,太赫兹波的远距离遥感需要高灵敏度的探测器。例如,在 l00m的距离使用 1cm2的探测器,就只能接受辐射到目的上的太赫兹波能量的 107。对于太赫兹遥感技术来说,单光子探测器是比较合适的探测技术,但是目前这种探测器还需要低温技术。由于军事应用规定有高能量的光源、高灵敏度的探测技术和高稳定性的系统,目前实验室采用的太赫兹系统大多都不可以直接用于军事用途,但是由于太赫兹波具有比毫米波更好的方向性和高的空间分辨率,比红外光更大的带宽和容量,
18、太赫兹波用于军事和通信还是有很大的前景的,特别是在太空环境下。太赫兹系统在医学领域有广泛的应用空间。除了前面提到的癌症诊断外,还可以采用反射型系统进行太赫兹断层扫描成像。太赫兹系统尚有也许在外科手术中用于实时检查癌组织切除状况,使患者避免复发或切除健康组织的危险;太赫兹还可以得到比超声波更清楚的软组织成像,以方便医生研究伤口愈合、肿瘤生长等情况。由于许多蛋白质和 DNA 大分子的集体振动模式都是在太赫兹区,运用太赫兹TDS 系统研究生物分子日益成为热点。2023 年,Markclz 等人初次运用脉冲太赫兹波研究了 DNA、牛血清和胶原质三种生物分子的太赫兹光谱吸取,并且取得了与比尔一兰波特定律
19、一致的结论。随后,通过太赫兹 TDS 揭示生物分子的构象和研究分子突变、分子结构变化过程的工作便开始得到广泛开展14。运用太赫兹波直接检测基因物质的结合情况,可以实现无标记、高效率的基因探测技术和基因芯片检测手段,从而避免在基因检测中因使用荧光标记 DNA 链带来的复杂性,提高检测效率。太赫兹在生物医学上的其它用途尚有:研究药物和细胞的互相作用来指导药物生产;DNA 电荷传递分子机制的超快过程研究;核酸的电子转移超快过程研究等。天文学是太赫兹技术的另一个非常重要的应用领域。天体和星际辐射包含了星际形成过程和星际介质化学性质的丰富信息,而太赫兹波段的观测要比其它波段有更低的背景噪声。随着太赫兹技
20、术的发展,天文学家和天体物理学家对太赫兹波段天文观测的爱好日益增长。目前世界上已经建造了多台太赫兹波段的射电望远镜,用于研究银河系星际云中复杂的物理状态及结构。如德国马 普射电所和美国亚利桑那州天文台合作研制了一台 10m 直径的亚毫米波射电望远镜。2023 年,Bourdin 等人对通过星际辐射的分解来观测星系的远红外到微波辐射。2023 年,Eyal 等人在南极阿蒙森海工作站的 1.7m 直径的亚毫米波望远镜上用 1.25THzl.5THz 波段的太赫测器(TREND)进行了天文观测,由于南极干燥稀薄的大气层,这个波段将是地基望远镜可以达成最佳观测效果的波段。此外正在进行的两个项目 SOF
21、IA 和 TELIS 两个空基望远镜,分别以飞机和探空气球作为平台,前者工作在 1.70THz1.84THz,后者工作在 14THz1.9THz、2.6THz 和 4.9THz 三个波段。到 2023 年,还计划发射 HERSCHEL 太空望远镜到近地轨道,上面的两个测辐射热仪将工作在 60m210m 和 200m670m 两个波段。这些都是俄罗斯、欧洲和美国之间进行的国际合作项目15。2 2 电磁波电磁波 2.12.1 电磁波的传播电磁波的传播 关于无线电波在地球、地球大气层和宇宙空间中传播过程的理论。电波受媒质和媒质交界面的作用,产生反射、散射、折射、绕射和吸取等现象,使电波的特性参量如幅
22、度、相位、极化、传播方向等发生变化。电波传播已形成电子学的一个分支,它研究无线电波与媒质间的这种互相作用,阐明其物理机理,计算传播过程中的各种特性参量,为各种电子系统工程的方案论证、最佳工作条件选择和传播误差修正等提供数据和资料。根据电波传播原理,用无线电波来进行探测,是研究电离层、磁层等的有效手段。电波传播为大气物理和高层大气物理等的研究提供探测方法,积累大批资料,提供数据分析的理论基础。电磁波频谱的范围极其宽广,是一种巨大的资源。电波传播的研究是开拓运用这些资源的重要方面。它重要研究几赫(有时远小于 1 赫)到 3000 吉赫的无线电波,同时也研究 3000 吉赫到 384 太赫的红外线,
23、384 太赫到 770太赫的光波的传播问题。电波传播所涉及的媒质有地球(地下、水下和地球表面等)、地球大气(对流层、电离层和磁层等)、日地空间以及星际空间等。这些媒质多数是自然界存在的,但也有许多人工产生的媒质,如火箭喷焰等离子体和飞行器再入大气层时产生的等离子体等,也是电波传播的研究对象。这些媒质的结构千差万别,电气特性各异。但就其在传播过程中的作用可以分为三种类型:连续的(均匀的或不均匀的)传播媒质,如对流层和电离层等;媒质间的交界面(粗糙的或光滑的),如海面和地面等;离散的散射体如雨滴、雪、飞机、导弹等,它可以是单个的,也可以是成群的。这些媒质的特性多数随时间和空间而随机地变化。因而与它
24、互相作用的波的幅度和相位也随时间和空间而随机变化。因此,媒质和传播波的特性需要用记录方法来描述。2.22.2 电磁波的基本概念及产生电磁波的基本概念及产生 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,涉及有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。人眼可接受到的电磁辐射,波长大约在380至 780 纳米之间,称为可见光。只要是自身温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁辐射,而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。电磁波是存在于空
25、间中的交变电磁场,它是如何产生的呢?可以肯定地说,是由随时间变化的电荷、电流产生的,像电偶极子,电火花都能产生电磁辐射。而在工程应用中产生电磁波的源就是我们将要讨论的各种天线。天线的工作过程就相称于一个电偶极子,天线辐射电磁波和电磁波在空间的传播始终遵从马克斯韦方程组。具体来讲,就是变化的电荷电流产生变化的电磁场,而变化的电场又以同样方式产生磁场,磁场反过来又产生电场,即按:源电场磁场电场磁场,这样一个过程形成存在于空间的电磁波,形象表达这一过程如图 2 所示。图 2 电磁波辐射过程原理图 2.32.3 电磁波的一般函数表达式电磁波的一般函数表达式 同一物理量或物理现象在不同时空点上反复出现的
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