太赫兹检测技术..
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
太赫兹检测技术
吕英 仪器仪表工程
引言
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，包括有无线电波、微波、 红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等 等
THz的特性: (1)低能性:THz光子的能量只有几个毫电子伏特， 约为X射线光子能量的1/106，对大部分生物细胞 无害，适合于对生物组织进行活体检查。(据悉, 目前国际上用太赫兹技术制成的医疗诊断设备降 能将这种照射对人体的伤害降低100万倍)。
(2) 瞬态性:THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不 但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、 超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，而 且通过相干取样测量技术，能够有效地抑制背景 辐射噪音的干扰。目前，辐射强度测量的信噪比 可以大于1010，远远高于傅立叶变换红外光谱技 术，而且其稳定性更好
THz技术用于安全检查的优势在于： (1)THZ波能够穿透衣物、纸盒、塑料等多种非金 属和非极性材料，可以利用THz波透过这些包装 材料对危险物品成像； (2)不同种类的炸药、毒品分子在THz波段具有不 同的特征吸收，可以用mz技术来进行鉴别 ； (3)THz波的辐射能量比较低，不会导致有害的生 物组织电离，可以对人体、生物材料等进行无损 检查。
THz成像所依据的基本原理是:透过成像样品 (或从样品反射)的THz电磁波的强度和相位包含 了样品复介电函数的空间分布。将透射THz电磁 波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适 当的处理和分析，就能得到样品的THz图像。
THz成像系统的构成和工作原理与THz时域谱 测试系统相似。THz波被聚焦元件聚焦到样品的 某一点上，收集元件则将透过样品(或从样品反 射)的THz波收集后聚焦到THz探测元件上。THz探 测元件将含有位置信息的THz信号转化为相应的 电信号，图像处理单元将此信号转换为图像。利 用反射扫描或透射扫描都可以成像，主要取决于 成像样品及成像系统的性质。THz成像系统的构 成如图所示。
来自百度文库
(3)宽带性:THz脉冲源通常只包含若干个周期的 电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz到几 十THz的范围，覆盖了各种包括蛋白质在内的大 分子的转动和振荡频率，许多大分子在太赫兹辐 射段表现出很强的吸收和谐振，构成了相应的太 赫兹“指纹”特征谱，这些光谱信息对于物质结 构的研究很有价值。
（4)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，可用来对已经包装好的物品进行质量检查或 者用于安全检查。
THz波在无线电物理领域称为亚毫米波，在 光学领域则习惯称之为远红外辐射；从能量辐射 上看，其大小在电子和光子之间。 在电磁频谱上，THz波段两侧的红外和微波 技术已经很成熟，但是THz技术还不完善。究其 原因是因为此频段既不完全适和用光学理论来处 理，也不完全适合用微波理论来研究，缺乏有效 的产生和检测THz波的手段，从而形成了所说的 “THz空隙”
（2）利用时域谱的应用研究：对于太赫兹波与 物质的相互作用，通过振幅和相位变化的测量， 可以表征固体、液体和气体材料的电子、晶格振 动和化学成分等性质。可以研究材料的吸收系数 、折射率、介电常数、频移等性质。许多对可见 光不透明而对X光完全透明的材料，可以用太赫 兹波进行测量。 （3）利用THZ波能够多种非金属和非极性材料的 特性。
太赫兹波(Terahert或称太赫兹辐射、T-射 线、亚毫米波、远红外，简称THz) 通常指频率 在0.1~10THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射。
若以应用频率范围的载体为坐标,则太赫兹波位 于“雷达”与“人”之间。是电磁波谱上由电子 学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论 向微观量子理论的过渡区域。
(5)太赫兹辐射的频带宽度是微波的1000倍,是很 好的宽带信息载体，特别适合局域网的宽带无线 移动通信。
太赫兹的产生和探测
太赫兹空白存在的根本原因是太赫兹波的产 生和检测十分困难，传统的电子学方法和光学方 法都难以产生太赫兹波和探测太赫兹波。 光学方法是在过去几十年里主要采用的、研 究的比较多的太赫兹波源产生方法。第二种方法 是最近研究开发的太赫兹量子级联激光器(THz一 QCL)，这种方法仍处在不断的发展完善阶段。第 三种方法是采用固态电子设备，这种方法目前已 经在电子学的低频段得到了很好的发展。
光电导天线图
THz信号的探测是另一项关键技术，由于目 前THz辐射源普遍功率较低，高灵敏度、高信噪 比的探测技术显得更加重要。
THz波的探测方法有两种基于采样测量原理 的探测方法：光电导天线采样法 和自由空间电光 取样法 。
光电导产生/探测THz
太赫兹成像技术
THz辐射和其它电磁辐射(如可见光、X射线、 中近远红外、超声波等)一样，可以作为物体成 像的信号源。 自从1995年利用太赫兹波成像的第一篇文章 发表以后，太赫兹波成像技术受到普遍重视，最 初利用振幅的变化研究了塑料封装的集成电路的 内部引线等结构和树叶中含水量的分布图像。
THz成像系统示意图
太赫兹检测
由于太赫兹的特点，太赫兹检测技术的应用 已经扩展到越来越广泛的领域：生物医学科学； 无损探测技术；食品的质量控制；全球环境监测 等。太赫兹检测主要基于以下几个方面： （1）利用频谱的应用研究：每种分子都有特 定的振动能级和转动能级，对太赫兹波产生特定 的吸收谱线。研究生物组织和化学物质的特征谱 ，可以用来鉴别化学成份。
绝热泡沫
航天飞机外挂燃料箱的铝制外壳覆盖有热防 护系统,所用的是几英寸厚的泡沫状材料，它们被 逐层喷涂在基底上。图为火箭燃料箱泡沫板内的 缺陷的太赫兹成像，图中的4个缺陷是用锡箔纸 做的人工缺陷，从泡沫板的太赫兹图像中可以清 晰地看出4个缺陷的边缘以及缺陷的凸起和凹陷 。
安全检查
THz波可穿过衣服纸张等,对报纸遮挡下的陶 瓷匕首成像。THz波相对其他电磁波如微波、X射 线、γ 射线等有很强的互补特征,是对常用安检 方法的有益补充。 THz辐射源的光子能量极低，不容易破坏被检 测物质，且许多非金属非极性材料对THz波的吸 收很少，THz波可穿透相对其它波段不透明的物 体。
吕英 仪器仪表工程
引言
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，包括有无线电波、微波、 红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等 等
THz的特性: (1)低能性:THz光子的能量只有几个毫电子伏特， 约为X射线光子能量的1/106，对大部分生物细胞 无害，适合于对生物组织进行活体检查。(据悉, 目前国际上用太赫兹技术制成的医疗诊断设备降 能将这种照射对人体的伤害降低100万倍)。
(2) 瞬态性:THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不 但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、 超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，而 且通过相干取样测量技术，能够有效地抑制背景 辐射噪音的干扰。目前，辐射强度测量的信噪比 可以大于1010，远远高于傅立叶变换红外光谱技 术，而且其稳定性更好
THz技术用于安全检查的优势在于： (1)THZ波能够穿透衣物、纸盒、塑料等多种非金 属和非极性材料，可以利用THz波透过这些包装 材料对危险物品成像； (2)不同种类的炸药、毒品分子在THz波段具有不 同的特征吸收，可以用mz技术来进行鉴别 ； (3)THz波的辐射能量比较低，不会导致有害的生 物组织电离，可以对人体、生物材料等进行无损 检查。
THz成像所依据的基本原理是:透过成像样品 (或从样品反射)的THz电磁波的强度和相位包含 了样品复介电函数的空间分布。将透射THz电磁 波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适 当的处理和分析，就能得到样品的THz图像。
THz成像系统的构成和工作原理与THz时域谱 测试系统相似。THz波被聚焦元件聚焦到样品的 某一点上，收集元件则将透过样品(或从样品反 射)的THz波收集后聚焦到THz探测元件上。THz探 测元件将含有位置信息的THz信号转化为相应的 电信号，图像处理单元将此信号转换为图像。利 用反射扫描或透射扫描都可以成像，主要取决于 成像样品及成像系统的性质。THz成像系统的构 成如图所示。
来自百度文库
(3)宽带性:THz脉冲源通常只包含若干个周期的 电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz到几 十THz的范围，覆盖了各种包括蛋白质在内的大 分子的转动和振荡频率，许多大分子在太赫兹辐 射段表现出很强的吸收和谐振，构成了相应的太 赫兹“指纹”特征谱，这些光谱信息对于物质结 构的研究很有价值。
（4)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，可用来对已经包装好的物品进行质量检查或 者用于安全检查。
THz波在无线电物理领域称为亚毫米波，在 光学领域则习惯称之为远红外辐射；从能量辐射 上看，其大小在电子和光子之间。 在电磁频谱上，THz波段两侧的红外和微波 技术已经很成熟，但是THz技术还不完善。究其 原因是因为此频段既不完全适和用光学理论来处 理，也不完全适合用微波理论来研究，缺乏有效 的产生和检测THz波的手段，从而形成了所说的 “THz空隙”
（2）利用时域谱的应用研究：对于太赫兹波与 物质的相互作用，通过振幅和相位变化的测量， 可以表征固体、液体和气体材料的电子、晶格振 动和化学成分等性质。可以研究材料的吸收系数 、折射率、介电常数、频移等性质。许多对可见 光不透明而对X光完全透明的材料，可以用太赫 兹波进行测量。 （3）利用THZ波能够多种非金属和非极性材料的 特性。
太赫兹波(Terahert或称太赫兹辐射、T-射 线、亚毫米波、远红外，简称THz) 通常指频率 在0.1~10THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射。
若以应用频率范围的载体为坐标,则太赫兹波位 于“雷达”与“人”之间。是电磁波谱上由电子 学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论 向微观量子理论的过渡区域。
(5)太赫兹辐射的频带宽度是微波的1000倍,是很 好的宽带信息载体，特别适合局域网的宽带无线 移动通信。
太赫兹的产生和探测
太赫兹空白存在的根本原因是太赫兹波的产 生和检测十分困难，传统的电子学方法和光学方 法都难以产生太赫兹波和探测太赫兹波。 光学方法是在过去几十年里主要采用的、研 究的比较多的太赫兹波源产生方法。第二种方法 是最近研究开发的太赫兹量子级联激光器(THz一 QCL)，这种方法仍处在不断的发展完善阶段。第 三种方法是采用固态电子设备，这种方法目前已 经在电子学的低频段得到了很好的发展。
光电导天线图
THz信号的探测是另一项关键技术，由于目 前THz辐射源普遍功率较低，高灵敏度、高信噪 比的探测技术显得更加重要。
THz波的探测方法有两种基于采样测量原理 的探测方法：光电导天线采样法 和自由空间电光 取样法 。
光电导产生/探测THz
太赫兹成像技术
THz辐射和其它电磁辐射(如可见光、X射线、 中近远红外、超声波等)一样，可以作为物体成 像的信号源。 自从1995年利用太赫兹波成像的第一篇文章 发表以后，太赫兹波成像技术受到普遍重视，最 初利用振幅的变化研究了塑料封装的集成电路的 内部引线等结构和树叶中含水量的分布图像。
THz成像系统示意图
太赫兹检测
由于太赫兹的特点，太赫兹检测技术的应用 已经扩展到越来越广泛的领域：生物医学科学； 无损探测技术；食品的质量控制；全球环境监测 等。太赫兹检测主要基于以下几个方面： （1）利用频谱的应用研究：每种分子都有特 定的振动能级和转动能级，对太赫兹波产生特定 的吸收谱线。研究生物组织和化学物质的特征谱 ，可以用来鉴别化学成份。
绝热泡沫
航天飞机外挂燃料箱的铝制外壳覆盖有热防 护系统,所用的是几英寸厚的泡沫状材料，它们被 逐层喷涂在基底上。图为火箭燃料箱泡沫板内的 缺陷的太赫兹成像，图中的4个缺陷是用锡箔纸 做的人工缺陷，从泡沫板的太赫兹图像中可以清 晰地看出4个缺陷的边缘以及缺陷的凸起和凹陷 。
安全检查
THz波可穿过衣服纸张等,对报纸遮挡下的陶 瓷匕首成像。THz波相对其他电磁波如微波、X射 线、γ 射线等有很强的互补特征,是对常用安检 方法的有益补充。 THz辐射源的光子能量极低，不容易破坏被检 测物质，且许多非金属非极性材料对THz波的吸 收很少，THz波可穿透相对其它波段不透明的物 体。