太赫兹连续波成像.pdf

太赫兹连续波成像太赫兹连续波成像 如前文所讲，太赫兹成像是一项新兴的技术，但是它已经在许多研究领域和工 作中显示出了无与伦比的实用价值，这其中包括无损检测、安全检查、质量监测、 病变组织检测等如果单从太赫兹波的形式上对太赫兹成像进行分类的话，大体上 可以分为太赫兹脉冲成像和太赫兹连续波（CW）成像我们前文所介绍的都为太 赫兹脉冲的成像技术而 THz－CW 成像技术可以进行实时成像，其扫描速度和成 像质量都能满足人们在实际应用中的需要 太赫兹连续波源和相应的探测器现有很多种， THz-CW 源常见的主要有五 种：热源、光电子源、非线性光学过程、偏置半导体中的光混频以及电子源其中 光电子源有包括：自由电子激光器、气体激光器、半导体激光器相应的探测器主 要有三种，它们分别是基于热效应、光学效应和电子学效应的探测器（详细内容可 参看第 2章和第 3 章的相关部分） 5.7.1 太赫兹连太赫兹连续波成像续波成像系统系统 在本节，将会介绍一套价格相对低廉、成像效率较高的 THz-CW 成像系统 （简称 CW 系统） ，如图 5-17 所示它是由美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute， RPI）物理系的太赫兹研究中心于 2003 年率先搭建。

目前， 拥有这种系统且投入实用的只有 RPI、美国国家航空航天管理局（NASA）以及国 内的首都师范大学物理系的太赫兹波谱和成像实验室（以后简称为太赫兹实验 室） 当然现在，还有其他种的 THz-CW 系统，这里只是拿太赫兹实验室的这套系 统作代表性的介绍此系统仍采用逐点扫描的方法进行成像，但是它只只记录透过 样品或经样品反射后的太赫兹波的强度信息，所以成像单元无需在扫描点上暂停； 同时，又由于太赫兹光束的孔径较大，所以扫描步长可以取的相对较大，使其成像 速度比脉冲成像速度提高了许多倍，并且还可以对大尺寸样品进行快速成像，其成 像分辨率可达 4mm 以内此系统可以对航空航天材料进行缺陷和损伤探测由于 太赫兹成像技术在分析美国哥伦比亚号航天飞机失事原因时发挥了重大的作用，提 供了有力的证据，现在 NASA 已经将太赫兹成像作为其常规检测的四种手段之 一尽管此系统现在不具备光谱成像能力，但是由于它的成本相对较低，数据获取 速度较快，信号强度较高，信噪比高，操作简便，使得它具有十分高的实用价值 （具体应用可参看第 11章的部分内容及第 15 章） 图 5-17 太赫兹连续波（CW）反射成像系统 如图 5-17 所示，它是一套典型的 THz-CW 实时成像系统。

这套系统包括太赫 兹-CW 源（现有 0.2、0.38、0.6 太赫兹的耿氏振荡器） 、用于准直和聚焦的光具组 （抛面镜，直径为 40cm 的菲涅尔聚乙烯透镜或平凸聚乙烯透镜） 、二维平移台 （可包括旋转台） 、太赫兹探测器（肖特基二极管） 、电路控制板、电源和计算机等 构成其中 CW 源、探测器和准直、聚焦光具组通常可集成为太赫兹单元所以 在结构上，CW系统要比 THz-TDS 系统简单的多 5.7.2 太赫兹连续波成像原理太赫兹连续波成像原理 不同于太赫兹脉冲成像技术，利用 THz-CW 成像技术无法得到样品的光谱信 息，即无法获得物体的频域和时域信息但是，由于通常 CW 源能够提供比脉冲 源更高的射线强度，因此，尽管只有强度信息，也能够满足许多的应用要求而 且，由于 CW 成像系统不需要采用泵浦探测方法，因此系统的复杂程度大大降 低，成本也大大地降低，能够更加容易普及再者，由于不用像脉冲系统那样获得 物体的光谱数据，成像速度也极大的提高 CW 系统根据不同的应用目的，既可以制成透射式的，也可以制成反射式的 它们的原理如图 5-18 所示，THz-CW 源现有频率为 0.2 或 0.38、0.6 太赫兹耿氏振 荡器，它们的发射功率在毫瓦量级。

太赫兹光经抛面镜反射后被聚焦，随后又被一 个机械斩波器调制，调制频率为 400Hz在离此点 2f 处放置有聚乙烯菲涅尔透 镜，其中，f 为透镜的焦距相应在透镜的另一侧 2f 处，太赫兹光束再次会被聚焦 在样品上，此时，样品可放在一套二维平移台上太赫兹光之后再次被一个聚乙烯 透镜会聚到一个二极管探测器（肖特基二极管）上，此后，信号经过锁相放大器可 被采集其中，肖特基二极管是一种比较好的探测器，它的动态范围比热释电探测 器要高得多，与高莱探测器的动态范围相当，但其探测速度要比它们快，从而可获 得更快的数据获取速度，而且使用肖特基二极管作为探测器也更加方便，并且不需 要偏压在对物体成像时，根据物体内部的缺陷或损伤的边缘对太赫兹光的散射效 应，从而会影响到太赫兹电场的强度分布，反应到物体的太赫兹图像上显示为明暗 的不同，即它们的强度不同，据此可推出物体内部的缺陷或损伤所在的位置 图 5-18 （a）透射式 CW成像系统原理图， （b）反射式 CW成像系统原理图 5.8 太赫兹成像太赫兹成像技术技术应用应用 由于太赫兹波与众不同的特性，太赫兹物体成像技术在环境监测、医疗诊断、 射、无损探伤、安全检测和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前 景。

目前，出于对反恐、防恐、安检等因素的考虑，美国国防部（DARPA）正投 入大量的资金，责成 RPI-MIT-JPL联合研制太赫兹成像阵列技术，最终目的是研制 出对人体无伤害的、快速的、便携式的、非接触型的太赫兹成像系统 太赫兹成像与 X 射线成像相比，由于太赫兹光子能量较低，所以可用来对人 体或物品进行无损成像其次，根据水分对太赫兹光有强吸收的特性，且太赫兹又 对塑料、纸箱等包装材料有很强的穿透性，基于此可利用太赫兹对包装物品进行成 像，通过测量包装物品中所含的水含量，可以达到质量监控的目的，且不存在安全 问题另外，根据包装食品所反射回的太赫兹强度信息，可以判断其表面的水含量 以此来确定其新鲜程度在对肉制品的检测当中，瘦肉对太赫兹有吸收，而脂肪则 对太赫兹几乎是完全透明的，据此可以鉴定肉制品的质量好坏而太赫兹时域光谱 成像技术则可对水分的动态变化特征进行测量同样，它也可用于医学诊断和生物 医学研究之中，例如依据癌变组织中的水分含量不同于正常组织的，可以来诊断皮 肤癌等癌变组织如果利用太赫兹显微成像的话，其分辨率可达到几十微米，能够 很清晰地看到病变皮肤中的肿瘤此外，通过测量物体的太赫兹光谱，不仅能得到 它的的强度（振幅）信息，还可得到其相位信息，因而可以用来对物体进行三维立 体成像。

因此，太赫兹成像技术完全可以应用于大气污染检测当中TH 成像技术 在 IT 领域也可以发挥出巨大的作用目前，贝尔实验室的已成功地应用太赫兹扫 描成像技术拍摄到了封装在 IC 芯片中的金属引线在对半导体材料或超导体材料 物理特性的分布特征研究上，太赫兹成像技术也可以一展身手，如测量超导电流的 矢量场分布图像等 与太赫兹成像技术相关的太赫兹雷达技术可以进行敏感探测太赫兹和微波一 样能用来制成雷达，利用来自目标各个层次界面所反射的太赫兹电磁波的波形和时 间差信息，就能探知目标或探其内部形貌而且已经有人利用此项技术获得了硬币 不同层面的太赫兹反射图像在实验室中，利用“太赫兹雷达”技术对动物组织的 烧伤进行了探测，并且还能标定处烧伤的深度和程度，以辅助诊断皮肤的烧伤程度 （有关太赫兹雷达的详细的相关内容可参见第 9章） 太赫兹成像技术的发展对进一步研究生物分子也起到了推动作用在太赫兹波 段对生物样品分析和成像已经成为太赫兹研究领域最重要的研究方向之一目前， 在很多相关的活跃研究领域，太赫兹技术扮演了越来越重要的角色，它在蛋白质等 大分子指纹谱的获取、分子反应的无标记测量、生物芯片的无标记读出技术、完全 确立的功能性成像方法、生物分子在实现其生理功能时可能发生的构型和构象变化 的探测、实现细胞分辨水平的太赫兹成像等研究中已经取得了一些初步成果。

从总体上来看，太赫兹成像技术还处于发展的初始阶段，现在还存在一些困难 和问题亟待解决目前，太赫兹成像系统已经实现了小型化的目标，特别是太赫兹 连续波成像系统利用半导体激光器可是其体积大大减小随着太赫兹相关技术的发 展，太赫兹成像技术将会具有十分美好的应用前景。