【正文】 像，即皮秒量級的電影．另外由于在一個時間點上的太赫茲圖像所包含的信息量很少，所以通常要獲取整個三雛的數(shù)據(jù)集合。 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。2) 時域最大值、最小值、峰值成像：利用備像素點THz域信號的最大值、最小值或最大值與最小值的差值成像，分別如圖8(a)中的A，B，C所示．其中，時城最大值成像反映了樣品對太赫茲波的消光系數(shù)。 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。圖8 太赫茲成像的重構(gòu)方法。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。圖10 太赫茲成像的頻域信息研究了焦點位置附近太赫茲波的橫模分布，目的在于了解系統(tǒng)中太赫茲波的橫向分布情況，為進行太赫茲光譜和成像實驗提供依據(jù)。利用“狹縫法”測量了太赫茲光束的束寬。實驗確定了系統(tǒng)中放置樣品的最佳位置，對開展太赫茲光譜和成像研究有參考價值。前一種是靠飛秒激光激發(fā)半導體表面發(fā)射來產(chǎn)生太赫茲波，后一種是利用光導激發(fā)機制或光整流方法來產(chǎn)生太赫茲波。圖11 反射式光譜系統(tǒng)實驗裝置圖M1 ～ M14 : 平面反射鏡。 PM1 ～ PM4 : 拋物面鏡。 HWP :半波片。 L : 透鏡。Stage :電動平移 該實驗室所使用的飛秒激光器是由光譜物理公司生產(chǎn)的鈦寶石飛秒脈沖激光器，其重復頻率為82MHz，中心波長為810nm，脈寬為100fs，平均功率為980mW。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。InAs晶體上產(chǎn)生太赫茲輻射的位置正好處于拋物鏡PMi的焦點處，因此太赫茲電磁波經(jīng)拋物鏡PM1準直后在PM1與PM2之間為平行光束，太赫茲波經(jīng)PM2會聚于焦點后又傳至PM3上，按圖1光路直至照射到電光晶體(ZnTe)上。本文將對此位置附近的太赫茲波橫模分布情況進行研究。將三維電動平移臺固定于PM2和PM3兩拋物鏡的公共焦點附近，然后將自制的小孔固定在電動平移臺上，利用電動平移臺移動小孔的位置不同，通過小孔的太赫茲波的橫模部分也就不同，這樣就可以把太赫茲波橫模不同部分的信息（包括振幅和相位）記錄下來，然后進行數(shù)據(jù)處理，就能得到太赫茲波橫模分布的圖像。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。 圖12 邊長為1mm的孔 圖13 采用“狹縫法”來精確測量橫模大小，將自制的狹縫固定在電動平移臺上，利用電動平移臺分別在x，y，方向移動狹縫，縫的位置不同，就把太赫茲波橫模不同部分通過狹縫的信息（包括振幅和相位）記錄了下來，然后進行數(shù)據(jù)處理，就得到太赫茲波在x，y方向分布的曲線了?？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。圖11實驗裝置中，PM3的公共焦點處太赫茲光束最小，但實驗結(jié)果表明， cm處所成的像并不是最小的，且通過成像得到的橫模形狀也可以看出此處不是進行實驗的最好位置。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。圖14是“狹縫法”所得到的太赫茲波橫模分別在x(水平）和y(豎直)方向的分布曲線，通過成像所得到的太赫茲波的橫模圖像。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。圖14 圖15 圖16 ，是經(jīng)常被用來進行實驗的位置，其橫模圖像如圖16所示，通過“狹縫法”測得其大小為△x=，△y=，如圖17所示。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。由于實驗光路與理想光路之間的差別，加之有關(guān)光學元器件的不完善性，導致太赫茲波的焦點位置附近太赫茲電場的橫模分布扭曲和變形，這直接影響到太赫茲光譜和成像實驗的準確性。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。從實驗中得到，而不是PM3和PM2的中點。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]。他們未采用鎖相放大器，因此S/N很低，對于數(shù)據(jù)處理他們提出語音識別算法用于提取振幅和位相信息，共取了30000像素，．圖21為利用透射掃描成像獲得的新鮮樹葉和兩天后的樹葉的含水量的分布圖像。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%。 太赫茲脈沖時城光譜成像技術(shù)與一殷的強度成像不同，它的一個顯著特點是信息最大。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。以葵花籽逐點掃描成像為例，圖23中列舉了3種太赫茲時域逐點掃描成像處理結(jié)果，其中，圖23(a)為飛行時間成像，圈23(b)為時城最大值成像，圖23(c)為頻域最大值成像。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。另外，該方法也小適合用于大樣品的成像，不能對動態(tài)變化的信息進行測量和監(jiān)控。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。在此基礎(chǔ)上他們拓展了條紋像機的測量范圍，具體的光路圖見圖27。該裝置為反射式太赫茲實時成像系統(tǒng)的一種。焦距為150 mm的聚乙烯透鏡將物體成像存大尺寸的ZnTe探測晶體(40mm40mm2mm)上。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)。當探測光束透過一對相互垂直的起偏器、檢偏器后，電光晶體中的太赫茲二維電場分布就轉(zhuǎn)化為探測光的二維光強分布，于是太赫茲圖像間接地被CCD像機記錄。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。實時二維太赫茲成像技術(shù)利用CCD像機間接讀出太赫茲信號，獲得對樣品的太赫茲圖像。圖29 （a）塑料玩具手槍的光學照片；（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。太赫茲連續(xù)波成像技術(shù)的發(fā)展在很大程度上會受到太赫茲連續(xù)源和探測器發(fā)展的影響。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30為首都師范大學太赫茲實驗室的太赫茲連續(xù)波成像系統(tǒng)示意圖。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。由此可將耿氏管和肖特基二極管集成為一個太赫茲單元，如圖30虛線框中所示，既縮小了系統(tǒng)尺寸，又可進行高速反射式成象。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、雷達掃描等應用，如圖31所示。成像目標為裝在信封中()的硬幣、曲別針和用鉛筆寫的字母“THz”；(d)為(b)的成像結(jié)果，是耿氏管的反射遠距離(25 m)測量結(jié)果，成像目標為一架波音客機模型。Mitrofanov等人報道了基于光導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。透過樣品的太赫茲波經(jīng)準直后再由離軸拋物面反射鏡將其聚焦到一塊ZnTe電光晶體上，成像的方式是在x和z方向上平移掃描成像樣品，這等效于用細太赫茲波束掃描成像樣品，為提高成像速率，實驗中應用了啁啾探測光的技術(shù)探測太赫茲波。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，太赫茲科學技術(shù)進入了加速發(fā)展時期。 目前美國和歐洲在太赫茲技術(shù)領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢，約有一百個研究小組對太赫茲的基礎(chǔ)理論和各種應用研究開展了廣泛的討論和實驗。在國內(nèi)，太赫茲研究也已受到了極大的重視。 太赫茲成像技術(shù)還可以對納米材料、半導體材料或超導體材料物理特性的分布特征進行研究，如測量超導電流的矢量場分布圖像等，而且太赫茲成像在生物醫(yī)學樣品中的應用也已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，太赫茲近場成像技術(shù)已經(jīng)使得其分辨率達到了波長以下的尺度，利用近場成像和“動態(tài)孔徑”的原理，目前太赫茲顯微成像的分辨率已達到幾十微米，在較長的一段時間里，太赫茲成像技術(shù)應用中的障礙之一在于設(shè)備復雜昂貴，對圖像信息的分析和處理技術(shù)也有待進一步實用化，目前，THz系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了小型化，而連續(xù)THz輻射的產(chǎn)生技術(shù)也將使THz技術(shù)不再依賴于昂貴的飛秒激光器，可以樂觀地期望，隨著技術(shù)的發(fā)展，THz成像的應用前景將是非常廣闊的。本論文設(shè)計在糾智先老師的悉心指導和嚴格要求下業(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)知識上的指導和一些富于創(chuàng)造性的建議，糾智先老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度使我深受感動。沒有老師的幫助、關(guān)懷和熏陶，我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計。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。太赫茲射線成像的進展概況。太赫茲光譜和成像應用