太赫兹成像技术发展概述.docx

《太赫兹成像技术发展概述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太赫兹成像技术发展概述.docx（8页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、太赫兹成像技术开展概述摘要：太赫兹波是指频率为IOoGHZ10THz的电磁辐射(ITHZ=IoI2GHz),因为太赫兹处于电磁波段中特殊的位置，与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能，如瞬态性、低能性、宽带性、非极性物质极强穿透力等。太赫兹波目前在生物医学领域、国防军事通讯、安检无损探测等都有广泛的应用。近十年的研究说明它有非常重要的学术和应用价值,使得全世界各国都给予极大的关注，积极开发THZ技术及其应用。关键词：太赫兹；成像；探测ReviewoftheProgressofTHzImagingtechnologyAbstract:Terahertz(THz)Wavesareelectrom

2、agneticwaveswithfrequenciesbetween100OGHzto1OTHz.(ITHz=IO12GHz),Withitsspeciallocationinfrequencyterahertzwavehasmoreparticularperformancethanotherwaves,suchasinstantaneous,lowenergy,broadbandwidth,andpiercestronglythroughnonpolarmatters.CurrentlyTHzwavehasawiderrangeofapplicationsinbiomedicine,nati

3、onaldefenseandmilitarycommunications,securityandnon-destructivedetection.Studiesoverthepastdecadehaveshownthatithasveryimportantvalueonacademiesandapplications,whichattractedagreatdealofworldwideattention,andthusactivelydevelopedTHztechnologiesanditsapplications.Keyword:THz;imaging;detection引言THz波通常

4、指的是波长在3mm-30um(100GHz-1OTHz)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，由于缺乏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开展，为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开展。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、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重

5、大的科学价值和广阔的应用前景。本文主要综述了太赫兹成像技术在生物医学、空间通信和雷达领域的最新开展概况。1太赫兹波1.1 太赫兹波简介太赫兹波是指频率为IooGHZTOTHz的电磁辐射(波长在3mm30um),从频率上看，THz所处的位置正好处于微波毫米波与红外线光学之间，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，但是处在无线电波和光波之间的太赫兹技术那么形成了一个相对落后的“空白。THz的长波方向，主要依靠电子学(EIeCtrOniCS)科学技术，而THz的短波长方向那么主要是光子学(PhotoniCS)科学技术，从而在电子学与光子学之间形成一个

6、THz-G叩”。这使得研究THZ时不能完全用光学理论来处理，也不能完全用微波的理论来研究。研究该频段的辐射不仅将推动理论研究工作的重大开展,而且对固态电子学和电路技术也将起到重大促进作用。这一特殊波段的研究近年来取得了许多进展，成为一个引人瞩目的前沿领域。尤其是随着超快激光技术的迅速开展，为THz波的产生提供了稳定可靠的激发光源及有效的探测手段，在很大程度上促进了THZ辐射的波源研究、检测技术和应用技术的开展。相对于目前被广泛应用的X射线检查，太赫兹技术检测会是一种非常有效的补充措施。可以预料，太赫兹技术的开发和应用将是21世纪重大的新兴科学技术领域之一。1.2 太赫兹波特征太赫兹技术之所以成

7、为科学前沿关注的对象,是因为太赫兹处于电磁波段中的特殊位置,与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能。与短波长的电磁波相比：(I)THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，通过取样测量技术，能够防止背景辐射噪音的干扰。目前太赫兹辐射强度能够得到的探测效果,远远优于傅立叶变换红外光谱的探测技术,并且太赫兹技术稳定性也很高。(2)太赫兹波源通常包含假设干个周期的电磁振荡，频带覆盖范围很宽。单个脉冲的频带可以到达GHz到几十THz的范围，可以在大范围内分析研究物质的光谱特性。(3)太赫兹辐射的产生机制决定了THZ波具有很高的时间和空间相干性。而运用太赫兹时域光谱技术

8、可以直接测量出太赫兹电场的振幅和相位，更为方便地提取测量样品的相关物理信息。(4)太赫兹波段中正好对应许多特定材料的能隙，他们的太赫兹光谱会存在明显的特征吸收。比方许多有机大分子、违禁易爆品等对THZ波呈现出强烈的吸收和色散特性；利用THZ波特有的光谱特征可做指纹识别。所以生物探测、危险爆炸物品检测将成为太赫兹技术重要开展前景之一。(5)THZ波的光子能量很低，约为X射线光子能量的1/10,更是远远低于各种化学健的键能,因此它对活体生物组织不会造成电离损伤。可以应用THz技术研究酶的特性、进行DNA鉴别等。另外由于水分子、氨分子等大多数极性分子对太赫兹波有非常强烈的吸收，所以太赫兹波不能穿透人

9、体的皮肤，因此即使很强烈的太赫兹辐射，它对人体的影响也仅仅停留在皮肤表层，而不像微波那样直接穿透到人体的内部。这一点可以应用在对旅客身体以及生物样品的探测检查，可做为X射线成像检测手段的有益补充。(6)THZ辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、陶瓷、纸箱、布料、硅片、干木材等材料有很强的穿透能力，可用来对已经包装的物品进行质检或者用于今后的平安检查。THz波的这些特殊性使开展THz技术具有了重要的意义。与长波长的电磁波相比：(1)与微波相比，THz波的频率那么更高,相同条件下通信传输的容量可以更大，因此在作为通信载体时，单位时间内THZ波可以承载更多的信息量，同时由于太赫兹波的波长更短

10、，实施同样的传输功能的情况下，可以把天线的尺寸做得更小，那么相应的系统结构及设备也可以做得更简单、更经济，从而节省本钱。(2)由于THZ波波长更短、波束更窄，它的方向性要远远好于微波，成像应用中那么具有更高的空间分辨率，或者在保持同等空间分辨率时能够具有更长的景深。这一点可以用来探测更小的目标，在天文及军事领域可用于更精确地定位。(3)与微波相比，THz波具有更好的保密性和抗干扰能力。综上这些优势，THz在中短距离、高容量、无线通信技术中具有很强应用潜力。2太赫兹波应用这些独特的性质赋予了THZ波广泛的应用前景，使它在在根底研究、天体物理学、等离子体物理与工程、材料科学与工程、生物医学工程、环

11、境科学工程、光谱与成像技术，乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力。目前，国内外众多科研机构相继开展了THZ技术的研究，在工业领域，已有数百公司参与或资助了太赫兹的研究工作，他们那么是瞄准了太赫兹有“无损伤探测的商业利用价值。国内外众多机构在THZ技术应用领域的研究己取得了许多有价值的成果。2.1 生物医学领域由于生物体对THZ波具有独特的响应，DNARNA蛋白等重要生物大分子的旋转及振动能级多处于THZ波段，因此可以对生物大分子的结构、性质进行分析鉴定乃至精确操控和调节，不仅可以获得目标样品的轮廓信息，还可以对其成分进行分析。此外，THz波对组织有一定的穿透能力，同时具有较高的时间分辨

12、率和灵敏度，信噪比高，频率极宽，能量只有X射线的百万分之一，不会引起生物组织的光离化，在生物医学成像方面非常平安，适用于生物医学成像。这些特殊优势提示THz波的应用可能为生物医学研究带来革命性进展4叫因此，THZ波一经产生就成为生物医学研究焦点。2004年，美国政府将THZ科技评为“改变未来世界的十大技术之一；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，并将太赫兹生物医学应用列为主要方向之一，举全国之力进行研发；欧洲、亚洲、澳大利亚等国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THZ生物医学应用的研发热潮之中，向“太赫兹生物医学空隙发起挑战。国际上已经开

13、展的太赫兹技术在生物医学中的应用包括疾病诊断，蛋白状态识别，检测受体绑定，无标记DNA测序，生物组织对太赫兹波的吸收及其差异机制，对生物样本和生物过程的辐射影响等。这些研究的本质均在于研究太赫兹波与生物介质的相互作用并揭示其内在机制。一方面研究太赫兹波经过生物样品后波谱信息本身的特点，获得特征性物理参数(波谱指纹)，成为生物大分子、细胞乃至病理或生理组织的波谱学检测标记，对样本进行物质识别或反响过程解读，并可进一步利用波谱差异或强度差异结合一定的数学方法实现多种成像;另一方面研究太赫兹波经过生物样品后生物样品的变化,获得生物性质变化指标，以研究太赫兹生物效应及其平安性或开发特殊的应用方式。这两

14、方面的研究，前者可归纳为“太赫兹生物表征研究，后者可归纳为“太赫兹生物效应研究。两类研究相同点在于其核心内容均为太赫兹波与生物介质的相互作用，包括从生物分子到亚细胞结构、细胞、组织、器官、系统、个体等至少6个尺度的研究范围，均依赖于太赫兹技术本身的进步，均有待在不同检测环境(在体、离体、液相环境等)下获得开展；不同点在于检测分析手段不同，获得的数据不同，研究的出发点和应用的开展方向不同。下面将对太赫兹波生物表征技术研究进展做简要综述。太赫兹波生物表征技术主要包括波谱检测和成像技术两大方面，而成像方法往往又依赖于成像对象的特征性太赫兹波谱信息，因此，被测物质的波谱特征成为太赫兹表征研究的重点。生

15、物分子检测方面，太赫兹波对糖、脂类、氨基酸乃至蛋白质的分子构像、状态以及水分子与蛋白质间相互作用十分敏感。Kikuchi等首次利用变角THz-TDS(Time-DomainspectroscopySystem)测定L-半胱氨酸和L-组氨酸的氨基酸单晶体；PlUSqUCniC等】利用THZ-FTIR(FOUriCrTransformInterferOmetCr)技术检测不同晶型的多肽，获得了明显不同的THZ波谱，并且发现短链晶型的多肽在THZ波段有明显的特征吸收；中国北京大学JUnhUiXUC等利用0.2THZ2.25THZ波段时域光谱仪检测了糖-金属复合物的太赫兹吸收光谱；中国西安光机所Zhu

16、anpingZheng等报道了L-丙氨酸在0.5THZ4.0THz之间的光谱吸收特征。蛋白质太赫兹检测方面，2000年开始出现了太赫兹TDS系统被应用到蛋白质检测的文献报道。目前，对生物大分子的检测大多还仅限于物质识别阶段，虽有少量分子动力学方面的研究，如碱性磷酸酶活性和抗原抗体远距离相互作用的太赫兹检测等1，但运用太赫兹技术进行微量乃至单个生物分子静态结构和动态反响过程的研究仍有很长的路要走。在特定生物组织检测方面，国际上众多研究机构对人体或模式动物在进行正常组织太赫兹特征研究的同时还进行了病变组织的诊断学研究。英国利兹大学Fitzgerald等对健康志愿者捐献的血液、横纹肌、皮肤、脂肪、静脉甚至神经组织进行了0.5THz2.0THz之间的太赫兹折光率和吸光系数检测，研究结果发现太赫兹检测对人体不同组织具有良好的辨识度，初步证实了临床在体检测或成像研究的可行性。近来较多的研究报道了THz光谱与成像可在肿瘤切除