太赫兹(THz)科学技术和应用
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三. 在医学成像、诊断上的特殊作用
● MR, CT, PET 在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。
● CT, PET 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; ● MR 和 CT不能对骨头成像； ● PET 有很高的灵敏度但空间分辨率差。
● T-ray 成像可能解决上述问题： THz 与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量 比 X-ray 小约百万倍，没有离子化辐射问题； THz 频率段正好处在分子相互作用段，它可以给出位置和密 度的信息。可用于分子活动的研究，并给出很高的空间分辨率 （~ 300um）。 它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。 THz –ray在成像中的最重要的特性是，在THz –ray 作用下， 不同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料 确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。 THz –ray可用于计算机照相，THz –ray CT可获得三维分子 或化学的图象，其分辨率可达 um 量级。
Stage
M11
A2
PM1 PM2
InAs Emitter
Chopper
L1 M7
A4
CBS
HWP A1
M1
A3
M2
Laser
M6
M5
(四) THz波的应用
目前全世界有
100个以上的研 究小组在进行 与THz 有关的 研究
美国: 主要研究力量
欧洲: Teravision, Tera-
bridge
Teraview Ltd.
600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
几种炸药的远红外谱线
二. THz在无损检测中的应用
使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因
Defects near the Foam/Substrate Interface
49 of 57 defects were detected
（三）THz 辐射对于很多非极性物质，如电介质 材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透 力, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安 全检查。
（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射 有强烈的吸收。
在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生 物组织的不同状态，如对人体烧伤部位的损伤程度进行诊断， 还可以进行产品质量控制，如测量食品表面水分含量以确定 其新鲜程度。
厂家：北京益民制药厂、天津力生制药厂
120
2.52 100
Pure diazepam 2.18
80
60
2.00
1.62
40
2.55
20
1.23
0
2.5
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Frequency (THz)
不同厂家地西泮药(a)以及其有效成分纯地西泮(b)在0.2~2.6 THz范围的吸收光谱
原因：1、有效成分含量小； 2、不同厂家掺杂物成分不同。
Capital Normal University
http://thz.cnu.edu.cn
3. THz在爆炸物检测中的应用
Absorbance
0.20
0.15
2,4-DNT
0.15
0.10
0.10
1,3-DNT
0.05
0.05
Absorbance
0.00 600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
Radio Microwave T-rays Infrared
UV X-rays
108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017
Frequency (Hz)
1THz~1ps~300μm~33cm-1 ~4.1eV~48K
THz波具有波的特性: 衍射和干涉
THz 在医学中的应用
mm
电光信号 (nA)
标准照片 Standard photo
THz 成像 THz Imaging
00 0
5
10
15
20
肿瘤 a tumor
25 05
10 15 20 25 mm
THz 乳腺肿瘤(模型)成像
THz 波形
4 3
癌正变常组组织织
2
1
0
பைடு நூலகம்
0 10 20 30 40 Time Delay (ps)
五. THz 技术在国防上的重要作用。
● THz 雷达可成为未来高精度雷达的发展方向:
癌变组织和正常组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间 延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。
四. THz 在生物、环境监测上的应用
● 由于生物大分子的振动和转动能量均在 THz 波段， 因而利用THz 辐射技术可得到 DNA 的重要信息，这对 粮食选种、优良菌种选择等起着重要作用； ● THz 在生物化学应用以及药物的分析和检测等方面 都具有良好的功能； ● THz 辐射可以穿透烟雾，又可检测有毒或有害分 子，所以在环境监测和保护方面将得到应用。
0.50 2-amino-4,6-DNT
0.40
0.30
0.20
0.10
Absorbance
0.00 600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
0.15 TNT
0.12 0.09
0.06
0.03
0.00
0.00
600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
1 THz
2
1
cm
1
cm
20
20
0
1
2
1.5 THz
0
1
2
2 THz
1
cm
1
cm
0
0
0
1
2
0
1
2
(二) THz波的主要特征
T-射线的几个主要特性
（一）相干性 THz技术的相干测量技术能够直接测量电场振幅和 相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数.
（二）低能性 (4.1 meV ～1 THz) X-射线~30kev 相差7个数量级 !!
最后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这
个电流即可。其中，这个光电流与THz瞬时电场
是成正比的。
返回
电光取样的方法
电光取样测量技术基于线性电光效应：当太赫 兹脉冲通过电光晶体时，它会发生瞬态双折射，从 而影响探测（取样）脉冲在晶体中的传播。
当探测脉冲和太赫兹脉冲同时通过电光晶体时， 太赫兹脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性 的改变，致使探测脉冲的偏振态发生变化。
返回
光整流的基本原理
光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制，它是一种非 线性效应，是电光效应的逆过程。
超短激光脉冲入射到非线性介质中，由差频振荡效应 会产生一个低频振荡的时变电极化场。这个电极化场 就可以辐射出太赫兹波来。
这是因为所辐射出的电磁波的频率上限与入射激光的 脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐 射出的电磁波的频率上限就会在太赫兹量级，由此这 种光整流效应被称作为亚皮秒光整流效应，或太赫兹 光整流效应，
光学前沿------
THz 科学技术及应用
内容概要
(一) 什么是THz波？ (二) THz波的主要特征 (三) THz波的产生与探测 (四) THz波的应用
(一) 什么是THz波?
THz在电磁波谱中的位置
THz辐射(Ｔ射线)通常指的是频率在0.1THz～ 10THz(波长在3mｍ～ 30μｍ)之间的电磁波，其 波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此 波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。
塑料板上的单孔 T-ray
单孔衍射 (f=1.8 mm)
2
2
0.5 THz
1 THz
1
cm
1
cm
20
20
0
1
2
1.5 THz
0
1
2
2 THz
1
cm
1
cm
0
0
0
1
2
0
1
2
杨氏干涉实验
空间相干 20
10
双缝干涉 T-ray
X (mm)
00
14
27
Time (ps)
T-射线的干涉图样
2
0.5 THz
调整探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟， 检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到太 赫兹脉冲电场的时域波形。
基于InAs半导体的太赫兹时域光谱系统
M9
M8
L2 lock in
M10
QWP
M12 P PM4
M14 M13 PBS L3
Si Wafer ZnTe Sensor
PM3
M4 M3
Delay
THz 成像 (Hu & Nuss， 1995)
树叶 火腿肉
新鲜
2天后
（五）瞬态性： THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量 技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小 于3THz时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红 外光谱技术，而且其稳定性更好。
（六）宽带性：
THz脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单 个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围， 便于在大的范围里分析物质的光谱性质。
甲基安非他明（MA）、3,4-亚甲二氧基安非他明（MDMA）和 阿司匹林空间图样成分分析方法得到的实验结果[1]：
黄色为MDMA, 蓝色为阿司匹林, 红色为MA
[1]Kodo Kawase, Yuichi Ogawa, Yuuki Watanable, Hiroyuki Inoue, OPTICS EXPRESS. 11, 2549-2554 (2003)
日本: Tera-photonics
台湾: Tera-photonics
China: NNSFC 新的 THz 项目
THz辐射主要应用领域
生物医学 安全检查 工业无损检测 空间物理和天文学 环境监测 化学分析 军事和通信领域
一、THz 在国家安全、反恐方面的作用
由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张 和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而且 能够根据物质的THz“指纹谱”，对物质进行识别， 所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非接触安 全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反 恐、保安和海关检查等部门的高度重视。
2.不同厂家卡马西平药及其有效成分的太赫兹光谱比较
有效成分含量约： 59%
厂家：上海复旦复华制药厂和上海三维制药厂
Absorption (cm-1) Absorption (cm-1)
100
shfdfhkmxp
80
shswkmxp
1.85
60
40
1.25
100
Pure carbamazepine
80
不同厂家镇静类药的太赫兹光谱研究
1.不同厂家地西泮药及其有效成分的太赫兹光谱比较
Absorption (cm-1) Absorption (cm-1)
有效成分含量： 3.7%
120
1.39
100
tjlsdxp
bjymdxp
80
60
40
0.55
20
0 0.5
1.0
1.5
2.0
Frequency (THz)
光电导偶极天线 (高灵敏度)等。
THz波的产生
常用的两种产生方法： 光电导天线的方法 光整流的方法
光电导天线的基本原理
在光电导半导体材料表面淀积上金属电极制成偶 极天线结构，金属电极在这里的作用是对这些光电 导半导体施加偏压。当超快激光打在两电极之间的 光电导材料上时，会在其表面瞬间（10-14s量级） 产生大量的电子－空穴对。这些光生自由载流子会 在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动， 从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流。 最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出 太赫兹脉冲。
60
1.85
40
1.25
20
20
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Frequency (THz)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Frequency (THz)
不同厂家卡马西平药(a)以及其有效成分纯卡马西平(b)在0.2~2.6 THz范围的吸收光谱
意义：1、 不同类型药物的鉴定 2、 同类药物不同厂家的鉴定 3、对于有效成分含量较高的还可以进行定量计算
T-射线的这些特性使得THz技术在很多方面 可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线 技术的互补技术。
(三) THz波的产生与探测.
太赫兹辐射源和探测器介绍
辐射源: 电光晶体 (光整流) 光电导天线 (更高功率) Gunn 振荡器， 冷等离子体 等等。
探测器: 电光晶体 (电光效应) 热辐射探测器 (bolometer)
THz波的探测
常用的两种方法： 光导天线的方法 电光取样的方法
光导天线的探测方法
将一个未加偏置电压的光导天线放置于太赫兹光 路之中，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这 时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流 子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在 光导天线上的偏置电场，以此来驱动那些载流子 运动，从而在光导天线中形成光电流。
1. THz在安全检查上的应用
报纸
尖刀 !!
THz在安全检查上的应用
T-射线 收发器
恐怖分子 人质
当警察需要从屋外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和 状况的时候，我们可否使用THz收发器来帮忙?
2. THz在毒品检测中的应用
测量环境：充氮气后，测量系统湿度低于4%，温度为室温
以氯胺酮为例的THz光谱测量结果
三. 在医学成像、诊断上的特殊作用
● MR, CT, PET 在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。
● CT, PET 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; ● MR 和 CT不能对骨头成像； ● PET 有很高的灵敏度但空间分辨率差。
● T-ray 成像可能解决上述问题： THz 与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量 比 X-ray 小约百万倍，没有离子化辐射问题； THz 频率段正好处在分子相互作用段，它可以给出位置和密 度的信息。可用于分子活动的研究，并给出很高的空间分辨率 （~ 300um）。 它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。 THz –ray在成像中的最重要的特性是，在THz –ray 作用下， 不同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料 确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。 THz –ray可用于计算机照相，THz –ray CT可获得三维分子 或化学的图象，其分辨率可达 um 量级。
Stage
M11
A2
PM1 PM2
InAs Emitter
Chopper
L1 M7
A4
CBS
HWP A1
M1
A3
M2
Laser
M6
M5
(四) THz波的应用
目前全世界有
100个以上的研 究小组在进行 与THz 有关的 研究
美国: 主要研究力量
欧洲: Teravision, Tera-
bridge
Teraview Ltd.
600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
几种炸药的远红外谱线
二. THz在无损检测中的应用
使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因
Defects near the Foam/Substrate Interface
49 of 57 defects were detected
（三）THz 辐射对于很多非极性物质，如电介质 材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透 力, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安 全检查。
（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射 有强烈的吸收。
在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生 物组织的不同状态，如对人体烧伤部位的损伤程度进行诊断， 还可以进行产品质量控制，如测量食品表面水分含量以确定 其新鲜程度。
厂家：北京益民制药厂、天津力生制药厂
120
2.52 100
Pure diazepam 2.18
80
60
2.00
1.62
40
2.55
20
1.23
0
2.5
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Frequency (THz)
不同厂家地西泮药(a)以及其有效成分纯地西泮(b)在0.2~2.6 THz范围的吸收光谱
原因：1、有效成分含量小； 2、不同厂家掺杂物成分不同。
Capital Normal University
http://thz.cnu.edu.cn
3. THz在爆炸物检测中的应用
Absorbance
0.20
0.15
2,4-DNT
0.15
0.10
0.10
1,3-DNT
0.05
0.05
Absorbance
0.00 600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
Radio Microwave T-rays Infrared
UV X-rays
108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017
Frequency (Hz)
1THz~1ps~300μm~33cm-1 ~4.1eV~48K
THz波具有波的特性: 衍射和干涉
THz 在医学中的应用
mm
电光信号 (nA)
标准照片 Standard photo
THz 成像 THz Imaging
00 0
5
10
15
20
肿瘤 a tumor
25 05
10 15 20 25 mm
THz 乳腺肿瘤(模型)成像
THz 波形
4 3
癌正变常组组织织
2
1
0
பைடு நூலகம்
0 10 20 30 40 Time Delay (ps)
五. THz 技术在国防上的重要作用。
● THz 雷达可成为未来高精度雷达的发展方向:
癌变组织和正常组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间 延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。
四. THz 在生物、环境监测上的应用
● 由于生物大分子的振动和转动能量均在 THz 波段， 因而利用THz 辐射技术可得到 DNA 的重要信息，这对 粮食选种、优良菌种选择等起着重要作用； ● THz 在生物化学应用以及药物的分析和检测等方面 都具有良好的功能； ● THz 辐射可以穿透烟雾，又可检测有毒或有害分 子，所以在环境监测和保护方面将得到应用。
0.50 2-amino-4,6-DNT
0.40
0.30
0.20
0.10
Absorbance
0.00 600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
0.15 TNT
0.12 0.09
0.06
0.03
0.00
0.00
600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
1 THz
2
1
cm
1
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1.5 THz
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1
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(二) THz波的主要特征
T-射线的几个主要特性
（一）相干性 THz技术的相干测量技术能够直接测量电场振幅和 相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数.
（二）低能性 (4.1 meV ～1 THz) X-射线~30kev 相差7个数量级 !!
最后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这
个电流即可。其中，这个光电流与THz瞬时电场
是成正比的。
返回
电光取样的方法
电光取样测量技术基于线性电光效应：当太赫 兹脉冲通过电光晶体时，它会发生瞬态双折射，从 而影响探测（取样）脉冲在晶体中的传播。
当探测脉冲和太赫兹脉冲同时通过电光晶体时， 太赫兹脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性 的改变，致使探测脉冲的偏振态发生变化。
返回
光整流的基本原理
光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制，它是一种非 线性效应，是电光效应的逆过程。
超短激光脉冲入射到非线性介质中，由差频振荡效应 会产生一个低频振荡的时变电极化场。这个电极化场 就可以辐射出太赫兹波来。
这是因为所辐射出的电磁波的频率上限与入射激光的 脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐 射出的电磁波的频率上限就会在太赫兹量级，由此这 种光整流效应被称作为亚皮秒光整流效应，或太赫兹 光整流效应，
光学前沿------
THz 科学技术及应用
内容概要
(一) 什么是THz波？ (二) THz波的主要特征 (三) THz波的产生与探测 (四) THz波的应用
(一) 什么是THz波?
THz在电磁波谱中的位置
THz辐射(Ｔ射线)通常指的是频率在0.1THz～ 10THz(波长在3mｍ～ 30μｍ)之间的电磁波，其 波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此 波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。
塑料板上的单孔 T-ray
单孔衍射 (f=1.8 mm)
2
2
0.5 THz
1 THz
1
cm
1
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1.5 THz
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杨氏干涉实验
空间相干 20
10
双缝干涉 T-ray
X (mm)
00
14
27
Time (ps)
T-射线的干涉图样
2
0.5 THz
调整探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟， 检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到太 赫兹脉冲电场的时域波形。
基于InAs半导体的太赫兹时域光谱系统
M9
M8
L2 lock in
M10
QWP
M12 P PM4
M14 M13 PBS L3
Si Wafer ZnTe Sensor
PM3
M4 M3
Delay
THz 成像 (Hu & Nuss， 1995)
树叶 火腿肉
新鲜
2天后
（五）瞬态性： THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量 技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小 于3THz时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红 外光谱技术，而且其稳定性更好。
（六）宽带性：
THz脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单 个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围， 便于在大的范围里分析物质的光谱性质。
甲基安非他明（MA）、3,4-亚甲二氧基安非他明（MDMA）和 阿司匹林空间图样成分分析方法得到的实验结果[1]：
黄色为MDMA, 蓝色为阿司匹林, 红色为MA
[1]Kodo Kawase, Yuichi Ogawa, Yuuki Watanable, Hiroyuki Inoue, OPTICS EXPRESS. 11, 2549-2554 (2003)
日本: Tera-photonics
台湾: Tera-photonics
China: NNSFC 新的 THz 项目
THz辐射主要应用领域
生物医学 安全检查 工业无损检测 空间物理和天文学 环境监测 化学分析 军事和通信领域
一、THz 在国家安全、反恐方面的作用
由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张 和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而且 能够根据物质的THz“指纹谱”，对物质进行识别， 所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非接触安 全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反 恐、保安和海关检查等部门的高度重视。
2.不同厂家卡马西平药及其有效成分的太赫兹光谱比较
有效成分含量约： 59%
厂家：上海复旦复华制药厂和上海三维制药厂
Absorption (cm-1) Absorption (cm-1)
100
shfdfhkmxp
80
shswkmxp
1.85
60
40
1.25
100
Pure carbamazepine
80
不同厂家镇静类药的太赫兹光谱研究
1.不同厂家地西泮药及其有效成分的太赫兹光谱比较
Absorption (cm-1) Absorption (cm-1)
有效成分含量： 3.7%
120
1.39
100
tjlsdxp
bjymdxp
80
60
40
0.55
20
0 0.5
1.0
1.5
2.0
Frequency (THz)
光电导偶极天线 (高灵敏度)等。
THz波的产生
常用的两种产生方法： 光电导天线的方法 光整流的方法
光电导天线的基本原理
在光电导半导体材料表面淀积上金属电极制成偶 极天线结构，金属电极在这里的作用是对这些光电 导半导体施加偏压。当超快激光打在两电极之间的 光电导材料上时，会在其表面瞬间（10-14s量级） 产生大量的电子－空穴对。这些光生自由载流子会 在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动， 从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流。 最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出 太赫兹脉冲。
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Frequency (THz)
0
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1.5
2.0
2.5
Frequency (THz)
不同厂家卡马西平药(a)以及其有效成分纯卡马西平(b)在0.2~2.6 THz范围的吸收光谱
意义：1、 不同类型药物的鉴定 2、 同类药物不同厂家的鉴定 3、对于有效成分含量较高的还可以进行定量计算
T-射线的这些特性使得THz技术在很多方面 可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线 技术的互补技术。
(三) THz波的产生与探测.
太赫兹辐射源和探测器介绍
辐射源: 电光晶体 (光整流) 光电导天线 (更高功率) Gunn 振荡器， 冷等离子体 等等。
探测器: 电光晶体 (电光效应) 热辐射探测器 (bolometer)
THz波的探测
常用的两种方法： 光导天线的方法 电光取样的方法
光导天线的探测方法
将一个未加偏置电压的光导天线放置于太赫兹光 路之中，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这 时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流 子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在 光导天线上的偏置电场，以此来驱动那些载流子 运动，从而在光导天线中形成光电流。
1. THz在安全检查上的应用
报纸
尖刀 !!
THz在安全检查上的应用
T-射线 收发器
恐怖分子 人质
当警察需要从屋外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和 状况的时候，我们可否使用THz收发器来帮忙?
2. THz在毒品检测中的应用
测量环境：充氮气后，测量系统湿度低于4%，温度为室温
以氯胺酮为例的THz光谱测量结果