【正文】 太赫茲光譜和成像應(yīng)用及展望。同時，在論文寫作過程中，我還參考了有關(guān)的書籍和論文，在這里一并向有關(guān)的作者表示謝意。本論文設(shè)計在糾智先老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，論文初稿與定稿無不凝聚著糾智先老師的心血和汗水，在我的畢業(yè)設(shè)計期間，糾智先老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的建議，糾智先老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴謹求實的態(tài)度使我深受感動。在國內(nèi)，太赫茲研究也已受到了極大的重視。圖34 太赫茲CT實驗圖圖35 一個球狀物體的太赫茲CT像結(jié)論 進入21世紀以來，太赫茲波的產(chǎn)生和探測技術(shù)取得了突破性進展，太赫茲科學(xué)技術(shù)進入了加速發(fā)展時期。Mitrofanov等人報道了基于光導(dǎo)天線機制的太赫茲近場成像，他們在100的半絕緣CaAs(50μm)上用分子束外延法生長上1μm厚的CaAs，為了控制刻蝕，在LTCaAs和GaAs間用50 nm的AlCaAs隔開；然后在LTCaAs上制作長60μm的偶極天線，為了得到尖錐形狀，他們將50μm厚的CaAs用Photoresist遮上，通過刻蝕的方法刻在偶極天線上形成的錐形高25μm，如圖33所示。利用．太赫茲連續(xù)波成像系統(tǒng)可以快速進行相關(guān)的安全檢查、無損探傷、質(zhì)量檢測、雷達掃描等應(yīng)用，如圖31所示。樣品被置于一個二維平移臺上，通過計算機控制平移臺，可實現(xiàn)對樣品的二維成像。在太赫茲連續(xù)波成像系統(tǒng)中，也通常是利用非相干探測器或探測陣列來直接成像的。圖29 （a）塑料玩具手槍的光學(xué)照片；（b）THz圖像；（c）覆蓋帆布的實物照片；（d）可以清晰確認隱匿物體的THz圖像 連續(xù)波成像 和迅速發(fā)展的太赫茲脈沖成像一樣，太赫茲連續(xù)波成像也引起了人們的注意。盡管此法的信噪比較小，但如果與單脈沖太赫茲成像相結(jié)合，將非常有前景。與太赫茲脈沖共線通過探測晶體，捕獲圖像使用的是CCD像機(系統(tǒng)中的曝光時間為32ms)。該裝置為反射式太赫茲實時成像系統(tǒng)的一種。圖24太赫茲實時成像示意圖 圖25蚯蚓和螞蟻的二維THz實時像1996年，張希成等人利用上述原理實現(xiàn)了實時成像，具體的光路圖見圖24[23,24]，圖25為他們獲得的活體昆蟲（蚯蚓和螞蟻）的二維實時像。該方法測量結(jié)果分辨率高，受背景噪聲的干擾小，信噪比高可達104。太赫茲逐點扣描成像系統(tǒng)就是在THzTDS系統(tǒng)巾將樣品放置在二維掃描平移臺，樣品可以在垂直于 太赫茲波傳輸方向的xy平面移動，從而使太赫茲射線通過樣品的不同點，記錄樣品不同位置的透射和反射信息，實現(xiàn)對樣品上每一個像素點提取太赫茲時域波形。為了提高深40度分辨率，他們利用了位相轉(zhuǎn)換的干涉儀裝置，這可以去除背景噪聲，從而可以大大提高信噪比，提高了深度分辨率，可分辨相干長度的2%。本研究對進一步的太赫茲光譜和成像實驗具有參考價值[19]。本文對實驗裝置中經(jīng)常被用來進行光譜測量和成像的兩拋物鏡PM3和PM2之間的太赫茲光束的橫模分布進行了研究。在其他位置所成的像或是接近于圖17 圖18 圖19 圓形光斑但半徑較大，如圖18所示；或是為扁長橢圓形，如圖19所示，都不是進行實驗的最好位置。圖14的太赫茲波橫向分布曲線也可以證明，太赫茲波的橫向分布為高斯型。同樣，在PM2，PM3兩拋物鏡的公共焦點附近的多個位置，利用“狹縫法”測得了太赫茲波在這些位置的橫模大小?？紤]到成像所得的橫模大小和縫的透過率，其中也用到了實驗中的經(jīng)驗值，焦點附近太赫茲波的光斑直徑在1～3 mm之間。通過與“狹縫法”得到的橫模大小的結(jié)果進行比較，選擇了邊長為1mm的正方形小孔進行成像實驗。本文將對此位置附近的太赫茲波橫模分布情況進行研究。角入射到p型100)砷化銦(InAs)晶體上，激光脈沖激發(fā)InAs產(chǎn)生光生載流子，~(～)的脈沖。 L : 透鏡。 PM1 ～ PM4 : 拋物面鏡。前一種是靠飛秒激光激發(fā)半導(dǎo)體表面發(fā)射來產(chǎn)生太赫茲波，后一種是利用光導(dǎo)激發(fā)機制或光整流方法來產(chǎn)生太赫茲波。利用“狹縫法”測量了太赫茲光束的束寬。圖9 太赫茲成像的時域信息一般地，首先未加樣品時，利用Sampling方法得到THz波形，作為參考信息；然后加進樣品，得出該像素的波形信息，傳統(tǒng)的透射型太赫茲成像，每個像素能給出的信息包括：歸一化峰值振幅信息，歸一化脈沖延遲信息，脈寬信息等，視具體情況去提取各種不同的信息，太赫茲成像的時域信息的情況見圖9：其中紅色波形是參考信號，白色波形是通過樣品后的信號，它包含有樣品的信息，具體的信息提取可用圖示的方程。 4)功率譜成像：對各像素點THz頻域信號在某一段頻率范圍內(nèi)的振幅平方值積分的信息成像，如圖8(a)中的D所示。 目前對于樣品重構(gòu)的方法主要有以下5種： l)飛行時間成像：利用各像素點對THz信號的時間延遲信息成像，如圖8(a)中的a，b．c和d所示。利用反射掃描或透射掃描都可以成像，這主要取決于成像樣品及成像系統(tǒng)的性質(zhì)。1995年，Hu等在THzTDS系統(tǒng)中增加二維掃描平移臺，首次實現(xiàn)脈沖太赫茲時域光譜成像，并成功對樹葉、芯片等樣品成像。通過對輸出信號的分析,可以得知THz信號的相關(guān)信息。 連續(xù)THZ場外差法探測：在微波、毫米波和THz頻率范圍內(nèi),最靈敏的探測器制作原理都以外差法原理為基礎(chǔ),它是由兩個信號混合而成,被探測的THz連續(xù)場信號和局部振蕩信號。兩場傳播方向相同,但偏振方向不同。光導(dǎo)天線法和電光取樣法。兩束激光(其中至少一個為連續(xù)可調(diào))在光導(dǎo)體內(nèi)進行光混頻,可以產(chǎn)生一個頻率為它們差值的光電流。根據(jù)Wp=Wi+WTHz,產(chǎn)生THz電磁波。圖5 產(chǎn)生THz場的非線性設(shè)備由于非線性特性和固有散射之間的平衡,在裝置內(nèi)產(chǎn)生震蕩波或者孤子波,可以產(chǎn)生一定頻率的THz電磁場輻射。常用的非線性介質(zhì)有LiNbOLiTaO半導(dǎo)體GaAs、InTe、InP和有機晶體DAST(圖4) 。要求一束超短激光脈沖聚焦在電光材料上。此外為了增大THz信號功率,可采用天線陣列。圖3 利用光導(dǎo)激發(fā)產(chǎn)生THz場及相應(yīng)探測THz電磁輻射發(fā)射系統(tǒng)的性能主要決定于三個因素:光導(dǎo)體、天線幾何結(jié)構(gòu)和泵浦激光脈沖寬度。太赫茲的應(yīng)用仍在不斷的開發(fā)研究當中，其廣闊的科學(xué)前景為世界所公認 太赫茲波的產(chǎn)生一、THz波的產(chǎn)生 寬帶THz脈沖的產(chǎn)生主要有光導(dǎo)激發(fā)和光整流方法,此外還有非線性傳輸線方法等。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短，所以具有很高的時間分辨率。在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是太赫茲技術(shù)基本上還是一個“空白”，究其緣由是因為在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波理論來研究，從而也就形成了科學(xué)家們通常所說的“太赫茲空隙”。之所以這樣表示，是因為隨著時間t的增加，波的傳播距離z也跟著增加，而二者構(gòu)成的宗量(t)卻能保持不變，從而與宗量有關(guān)的函數(shù)?(t)才能保持一個周期性變化，這是波動的基本要求。具體來講，就是變化的電荷電流產(chǎn)生變化的電磁場，而變化的電場又以同樣方式產(chǎn)生磁場，磁場反過來又產(chǎn)生電場，即按：源→電場→磁場→電場→磁場……，這樣一個過程形成存在于空間的電磁波，形象表示這一過程如圖2所示。只要是本身溫度大于絕對零度的物體，都可以發(fā)射電磁輻射，而世界上并不存在溫度等于或低于絕對零度的物體。因此，媒質(zhì)和傳播波的特性需要用統(tǒng)計方法來描述。這些媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)千差萬別，電氣特性各異。電波傳播的研究是開拓利用這些資源的重要方面。電波傳播已形成電子學(xué)的一個分支，它研究無線電波與媒質(zhì)間的這種相互作用，闡明其物理機理，計算傳播過程中的各種特性參量，為各種電子系統(tǒng)工程的方案論證、最佳工作條件選擇和傳播誤差修正等提供數(shù)據(jù)和資料。到2007年，還計劃發(fā)射HERSCHEL太空望遠鏡到近地軌道，上面的兩個測輻射熱儀將工作在60μm～210μm和200μm～670μm兩個波段。普射電所和美國亞利桑那州天文臺合作研制了一臺10m直徑的亞毫米波射電望遠鏡。天體和星際輻射包含了星際形成過程和星際介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的豐富信息，而太赫茲波段的觀測要比其它波段有更低的背景噪聲。隨后，通過太赫茲TDS揭示生物分子的構(gòu)象和研究分子突變、分子結(jié)構(gòu)變化過程的工作便開始得到廣泛開展[14]。除了前面提到的癌癥診斷外，還可以采用反射型系統(tǒng)進行太赫茲斷層掃描成像。例如，在l00m的距離使用1cm的探測器，就只能接收輻射到目標上的太赫茲波能量的10。另外有關(guān)太赫茲波炸藥探測和生化武器監(jiān)測的研究也正在開展。貝爾實驗室的Mitrofanov等人用中心波長為600μm的太赫茲波，得到了7μm的空間分辨率[12]；Yamashita等人在對大規(guī)模集成電路進行成像時實現(xiàn)了3μm的分辨率。例如使用太赫茲波成像技術(shù)在車站、機場對行李或旅客進行安檢就非常理想，它可以準確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等[68]。正是太赫茲波的這些特性才使它在許多領(lǐng)域受到了重視。另外，對諸如火焰的熱分析、塑料封裝集成電路的引線圖成像、聚合物內(nèi)部的氣泡以及陶瓷中的裂縫探測等，太赫茲時域譜成像都是極有前途的技術(shù)，自太赫茲電磁波被首次用于成像以來，各種太赫茲成像技術(shù)相繼問世，如太赫茲近場成像技術(shù)，太赫茲層析成像技術(shù)，時域太赫茲逆向變換成像技術(shù)等等[2,3]。介紹了太赫茲成像原理及相關(guān)的時域掃描成像、實時成像、連續(xù)波成像、近場成像和層析成像技術(shù)。列舉了太赫茲光譜和成像技術(shù)在國家安全、生物研究、材料研究、無損檢測等方面的應(yīng)用。雖然太赫茲波的產(chǎn)生和探測技術(shù)只在近幾年才取得一定的成果，而且目前還沒有適當功率的小型化商品出現(xiàn)，但太赫茲技術(shù)的應(yīng)用早已得到同步開展。 太赫茲波成像技術(shù)(Tray Imaging)相對于可見光和X射線有非常強的互補特征，其穿透能力介于兩者之間，又不會對人體或生物組織造成傷害。對細胞水平的生物組織進行成像，豐要是測量不同組織及其含水量對太赫茲波的吸收引起能量的變化，例如皮癌[9]及其它組織表層病變的早期診斷等。近場成像技術(shù)的分辨率僅與光學(xué)系統(tǒng)的孔徑有關(guān)，這不僅提高了太赫茲波成像系統(tǒng)的分辨率，也擴大了太赫茲系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。 太赫茲波的大氣傳輸特性如圖l所示，在870μm、735μm、620μm、450μm、350μm圖l太赫茲波的海平面大氣傳輸特性附近存在著相對透明的窗口。對于太赫茲遙感技術(shù)來說，單光子探測器是比較合適的探測技術(shù)，但是目前這種探測器還需要低溫技術(shù)。太赫茲系統(tǒng)還有可能在外科手術(shù)中用于實時檢查癌組織切除狀況，