【正文】 頻域展寬，利用電光晶體將THz波形編碼到展寬的光脈沖上，然后在CCD上一次性探測(cè)到太赫茲的波形，為此要求先拍一張背景圖，然后將信號(hào)圖減去背景圖可得到THz波形，這樣可以進(jìn)一步提高信號(hào)的提取速率，具體的光路圖見圖26。圖23 葵花籽太赫茲逐點(diǎn)掃描成像，（a）飛行時(shí)間成像；（b）時(shí)域最大值成像；（c）頻域最大值成像 太赫茲實(shí)時(shí)成像 利用電光晶體和CCD實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像，與掃描成像相比，可以很快地提高信息的提取速度，由于CCD不能捕捉到太赫茲信號(hào)，為此必須利用電光晶體進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，每個(gè)像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電光晶體的折射率的變化是由太赫茲電場(chǎng)的強(qiáng)度所決定的，當(dāng)另一束激光穿過電光晶體時(shí)，由于太赫茲場(chǎng)所引起的晶體的折射率的變化將會(huì)調(diào)制通過晶體的激光，因而太赫茲信息被轉(zhuǎn)化為光頻信息。但同時(shí)它也存在一些問題，如掃描時(shí)間過長(zhǎng)，成像時(shí)間取決于像素點(diǎn)的多少，成一幅像需要幾十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)，所以要提高成像速度必須改進(jìn)方法。太赫茲時(shí)域光譜二維逐點(diǎn)掃描成像適用于高精度測(cè)量。利用各個(gè)點(diǎn)的樣品信息實(shí)現(xiàn)物體重構(gòu)。每一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)域波形，可以從時(shí)域信號(hào)及伸里葉變換頻譜中選擇任意一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的振幅或相位進(jìn)行成像．從面重構(gòu)樣品的空間密度分布、折射率和厚度分布，并且由于太赫脈沖沖對(duì)大多數(shù)非極性電解質(zhì)材科（塑料、陶瓷、紙張，衣物等）具有良好的穿透性，而炸藥、毒品．病毒等危險(xiǎn)品在太赫茲波段存在特征吸收峰，因此這一技術(shù)只有探測(cè)并識(shí)別隱蔽物體的能力。圖22 太赫茲反射型掃描成像示意圖 太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)與許多遠(yuǎn)紅外系統(tǒng)不同，它可以擺脫低溫的限制，并且太赫茲脈沖在亞皮秒量級(jí)對(duì)位相探測(cè)十分敏感。圖20 太赫茲透射型掃描成像示意圖圖21 新鮮樹葉和兩天后的樹葉的含水量分布圖像D．M．Dorney等人[21,22]研究了太赫茲反射成像的情況，從物體反射回來的波被用來作為成像信息，太赫茲脈沖從折射率不連續(xù)的物體反射回來，時(shí)間延遲必然與物體的折射率有關(guān)（見圖22）。4太赫茲成像技術(shù) 太赫茲掃描成像 第一個(gè)太赫茲成像，是1995年由Hu Binbinm[20]等人得到，該成像系統(tǒng)是基于電光太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，太赫茲時(shí)域波形通過800納米的脈沖激光激發(fā)光導(dǎo)體轉(zhuǎn)換到太赫茲的范圍內(nèi)得到，他們利用數(shù)字電路進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理，每個(gè)像素的信息是通過在1～3太赫茲范圍內(nèi)積分得到，具體光路圖見圖20。光路不同，太赫茲的光斑大小、形狀及其橫向分布的最理想狀態(tài)可能不同，但可以通過上面的方法，對(duì)具體的太赫茲光路中太赫茲波的橫模分布加以確定，有利于實(shí)驗(yàn)中選擇放置樣品的位置及樣品的大小。在某些位置橫向分布較接近于圓形，在某些位置其分布為扁長(zhǎng)橢圓形。本實(shí)驗(yàn)確定了我們的實(shí)驗(yàn)裝置中最佳的太赫茲波焦點(diǎn)位置，為有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提供了可靠的參照。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在太赫茲波的焦點(diǎn)位置附近，太赫茲電場(chǎng)的橫模分布有很大的變化。此處光斑不是我們所希望的實(shí)驗(yàn)光斑。根據(jù)國際測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光束寬度的定義，得到了橫模大小為△x= mm，△y= mm，在此位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較理想。從圖15可以看出，在此位置太赫茲波的橫模形狀已經(jīng)非常接近于激光中的基模了，并且可直接看出光斑為高斯斑，“中間亮，兩邊暗”。結(jié)果顯示，所得光斑最接近于圓，光斑半徑也較小。為此在PM3，PM2兩拋物鏡公共焦點(diǎn)附近的多個(gè)位置進(jìn)行了成像，得到了太赫茲波橫模分布的圖像。 mm的縫。根據(jù)國際測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了避免縫的卷積修正，縫的寬度應(yīng)約為光束寬度的1/20，%的兩點(diǎn)之間的距離，從而測(cè)得太赫茲波的橫模大小。圖12是用剃須刀片做成的邊長(zhǎng)為1 mm的正方形小孔。用不同邊長(zhǎng)的正方形小孔和不同直徑的圓孔分別進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)孔的形狀對(duì)所成像的形狀基本沒有影響，但孔的大小對(duì)所成像的大小有較大影響，這是由太赫茲波的衍射效應(yīng)所致，適當(dāng)調(diào)整小孔的大小，可以消除衍射效應(yīng)的影響。該實(shí)驗(yàn)是在室溫（大約20℃），濕度為30%左右的空氣環(huán)境中進(jìn)行的。PMPM3兩拋物鏡間距的中點(diǎn)，也即其公共焦點(diǎn)處是通常放置樣品的位置，測(cè)物質(zhì)的太赫茲譜或是對(duì)樣品進(jìn)行太赫茲成像，一般都將樣品放在此位置，足見此位置附近的太赫茲波橫模形狀及其大小的重要性。光束II為探測(cè)光束，它通過與抽運(yùn)光同樣的光程后，由電光晶體對(duì)太赫茲電場(chǎng)進(jìn)行取樣。由鈦寶石激光器(MaiTai Laser)發(fā)出的飛秒脈沖經(jīng)分束鏡(CBS)分為I和II兩束，半波片(HWP)可以調(diào)節(jié)兩束光的能量分配，光束I作為抽運(yùn)光，(Chopper)斬波再通過時(shí)間延遲后，以45。Si :硅片。QWP :1/ 4 波片。PBS :偏振分束鏡。 CBS :分束鏡。本文測(cè)得的是首都師范大學(xué)物理系太赫茲實(shí)驗(yàn)室中反射式光路所產(chǎn)生的太赫茲波在PM3，PM2兩拋物鏡的公共焦點(diǎn)附近的橫模分布情況，反射式光譜系統(tǒng)光路如圖11所示。目前世界上比較流行的利用飛秒激光激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生太赫茲電磁波的光路有兩種，一種是反射式的，另一種是透射式的。結(jié)果表明，太赫茲波在焦點(diǎn)附近不同位置的橫向分布有較大差異，這說明太赫茲波的聚焦有一定的限度。通過太赫茲波逐點(diǎn)掃描成像，對(duì)經(jīng)常被用來放置測(cè)試樣品位置附近的太赫茲波橫模分布情況進(jìn)行了定性的分析。經(jīng)過傅立葉變換后，我們得到頻域的信息，它包括：①某一頻率的振幅變化信息；②某一頻率的位相變化信息；③某一頻率范圍的強(qiáng)度積分信息；④某一頻率的In(a/n)值（同時(shí)考慮了振幅和位相）以及透射率，時(shí)間延遲，吸收率，折射率等，如圖10所示。(a)時(shí)域成像；(b)頻域成像 太赫茲成像的像素信息太赫茲電磁波成像的基本原理是：利用已知波形的太赫茲電磁波作為成像射線，透過成像樣品（或從樣品反射）的太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位包含了樣品復(fù)介電常數(shù)的空間分布，將透射的太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位的二維信息記錄下來，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)字處理和頻譜分析，就能得到樣品的太赫茲電磁波的三維圖像，太赫茲波成像技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是信息量大，每一像源對(duì)應(yīng)一個(gè)太赫茲時(shí)域譜，通過對(duì)時(shí)域譜進(jìn)行傅里葉變換又可得到每一點(diǎn)的太赫茲頻率響應(yīng)譜。5)脈寬成像：利用太赫茲主峰值的脈寬成像，如圖8(a)中的所示，該成像模型主要反映物體的色散特性，它可以清晰地呈現(xiàn)物體的輪廓[18]。 3)特定頻率振幅（相位）成1像：利用各像素點(diǎn)THz領(lǐng)域信號(hào)在某一頻率的振幅（相位）值成像，如圖8(b)中的E所示。其中，b為最大峰值時(shí)間成像，該成像方法反映了太赫茲在樣品的折射率。而太赫茲圖像的重構(gòu)通常就是基于太赫茲時(shí)域波形的特定參數(shù)或峰位的延遲時(shí)間。根據(jù)不同的需要，可以采用不同的成像方法． 對(duì)于太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)，它所獲取的數(shù)據(jù)集合實(shí)際是三維時(shí)空的數(shù)據(jù)（二維空間(x，y)軸向和一維時(shí)間軸向）。 利用太赫茲成像系統(tǒng)把成像樣品的透射譜或反射譜的信息（包括振幅和相位的二維信息）進(jìn)行處理、分析，得到樣品的大赫茲圖像，太赫茲成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成與太赫茲時(shí)域光譜相比，多了圖像處理裝置和掃描控制裝置。由于這種成像方法獲得的是樣品的光譜信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)成像，而且能夠?qū)崿F(xiàn)功能成像。3 太赫茲成像 太赫茲波和其他波段的電磁輻射一樣可以用來對(duì)物體成像，而且根據(jù)太赫茲波高透性、無損性以及大多物質(zhì)在太赫茲波段都有指紋譜等特性使太赫茲成像相比其他成像方式更具優(yōu)勢(shì)。一般說來THz技術(shù)從產(chǎn)生到探測(cè)都離不開超快激光技術(shù),所以設(shè)備龐大,價(jià)格昂貴。輸出信號(hào)的頻率和THz信號(hào)與局部振蕩信號(hào)差值成比例。局部振蕩信號(hào)有一個(gè)固定的輸出能量,且該能量大于接收信號(hào)。電光取樣可探測(cè)較寬的范圍,一般為100GHz～37THz,而光導(dǎo)天線僅為3T～4THz,這是由于天線參數(shù)的限制。 通過對(duì)探測(cè)光的偏振方向改變的分析,可以得到THz電磁輻射場(chǎng)的波形（圖7）。電光取樣利用被探測(cè)光場(chǎng)和THz場(chǎng)同時(shí)激發(fā)的電光晶體的線性電光效應(yīng)。光導(dǎo)天線利用光導(dǎo)偶極子天線和遠(yuǎn)紅外相干技術(shù)來探測(cè)自由空間傳播的THz電磁波。超短電脈沖的光譜在THz范圍內(nèi), 主要有兩種探測(cè)方法。若頻率在THz范圍內(nèi),光電流可以沿傳輸線或通過天線自由輻射,從而形成THz電磁波。通過改變泵浦光的入射角可以得到不同頻率的THz電磁波。可以通過Si棱鏡傳播出去。泵浦光頻率為Wp,當(dāng)它激發(fā)非線性晶體時(shí),產(chǎn)生一個(gè)頻率為Wi的閑置光。窄帶THz電磁波產(chǎn)生可以利用光學(xué)參量轉(zhuǎn)換光晶體的線光混頻方法。整個(gè)裝置集成如圖5。圖4 利用光整流產(chǎn)生THz場(chǎng)非線性傳輸線是分布式的裝置,由一個(gè)高阻抗的傳輸線,周期地加載非線性元件。光整流的關(guān)鍵問題是相位匹配,它可以放大激光和THz脈沖在非線性材料中的相互作用以及增強(qiáng)THz產(chǎn)生效果。THz輻射強(qiáng)度與非線性介質(zhì)的極化電場(chǎng)強(qiáng)度P(t)的低頻部分的二次時(shí)間偏微商成正比。包含在光整流過程中的物理過程是瞬時(shí)極化過程。光整流效應(yīng)是一種非線性效應(yīng),是電光效應(yīng)的逆過程,利用激光脈沖(脈寬在亞皮秒量級(jí)) 和非線性介質(zhì)相互作用而產(chǎn)生低頻電極化場(chǎng)。天線一般采用基本偶極子天線,因其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。光導(dǎo)體是產(chǎn)生THz場(chǎng)的關(guān)鍵部件,性能良好的光導(dǎo)體應(yīng)具有盡可能短的載流子壽命、高的載流子遷移率和介質(zhì)耐擊穿強(qiáng)度。探測(cè)和產(chǎn)生所用的設(shè)備相同,只是光導(dǎo)體不加偏置電壓(圖3)。光導(dǎo)激發(fā)是利用超短激光脈沖泵浦電場(chǎng)偏置的半導(dǎo)體,使其激發(fā)載流子,產(chǎn)生電子空穴對(duì),它們?cè)谕饧与妶?chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于一個(gè)瞬時(shí)電流源。另外，由于生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種等農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。太赫茲具有瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、低能性等獨(dú)特性能，在寬帶通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測(cè)、安全檢查等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。20世紀(jì)80年代中期以前，由于缺乏有效的太赫茲產(chǎn)生方法和檢測(cè)手段，科學(xué)家對(duì)于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限。從頻率上看，該波段位于毫米波和紅外線之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段；從能量上看，在電子和光子之間。波函數(shù)反映了物理量隨時(shí)間t和空間位置量z的一種變化關(guān)系，至于?1，?2的具體函數(shù)形式，主要由場(chǎng)源形式、空間媒質(zhì)來決定。二者的合成便是天線輻射出的一列波德函數(shù)表示式，叫波函數(shù)。圖2 電磁波輻射過程原理圖 同一物理量或物理現(xiàn)象在不同時(shí)空點(diǎn)上重復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象，叫波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。天線的工作過程就相當(dāng)于一個(gè)電偶極子，天線輻射電磁波和電磁波在空間