太赫兹激光在成像方面的研究.doc

武汉工业学院武汉工业学院 毕毕 业业 设设 计计 设计题目：太赫兹激光在成像方面的研究设计题目：太赫兹激光在成像方面的研究 姓姓 名名 姜贺姜贺 学学 号号 院院 （系）（系）数理科学系数理科学系 专专 业业 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 指导教师指导教师 纠纠 智智 先先 20232023 年年 6 6 月月 1 11 1 日日 目录 摘 要.错误错误!未定义书签。未定义书签。Abstract.错误错误!未定义书签。未定义书签。1 引言.错误错误!未定义书签。未定义书签。2 电磁波.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 电磁波的传播.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 电磁波的基本概念及产生.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3 电磁波的一般函数表达式.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4 太赫兹波简介.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5 太赫兹波的产生.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6 太赫兹波的探测.错误错误!未定义书签。未定义书签。3 太赫兹成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 太赫兹成像的基本原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2 太赫兹成像的像素信息.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3 太赫兹波传播过程中横模分布的成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4 太赫兹成像技术.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1 太赫兹扫描成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2 太赫兹实时成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3 连续波成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.4 太赫兹近场成像.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.5 太赫兹 CT.错误错误!未定义书签。未定义书签。结论.错误错误!未定义书签。未定义书签。谢 辞.错误错误!未定义书签。未定义书签。参考文献.错误错误!未定义书签。未定义书签。摘摘 要要 太赫兹辐射介于微波和红外之间，本文回顾了太赫兹射线成像的进展情况，与微波、X 射线、核磁共振 NMR(nuclear magnetic resonance)成像相比，太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息，并且能给出频率域的信息，以及在光频、微波和 X 射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息，太赫兹射线与其他频段的电磁波相比，它能量低，不会导致对生物样品的电离损伤，并且太赫兹射线很容易穿过介电材料，因而可以用于产品的安全监测、纳米材料的无损探伤，因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有也许带来新的关键性的突破.研究了焦点位置附近太赫兹波的横模分布，目的在于了解系统中太赫兹波的横向分布情况，为进行太赫兹光谱和成像实验提供依据。介绍了太赫兹成像原理及相关的时域扫描成像、实时成像、连续波成像、近场成像和层析成像技术。列举了太赫兹光谱和成像技术在国家安全、生物研究、材料研究、无损检测等方面的应用。关键词：太赫兹成像；太赫兹波；横模分布；狭缝法；太赫兹成像技术 Abstract In this paper,we present an overview of recent progress of T-ray imaging.Compared with microwave,X-ray imaging and NMR(nuclear magnetic resonance),T-ray imaging can give us not only the density picture but also the phase information within the frequency range.The unique rotational，vibrational and translational responses of materials(molecular,radicals and ions)within the THz range provide information that is generally absent in optical，X-ray and NMR images.The important characteristic of T-ray is that it has potential to detect the nature of low energy processes in physics,chemistry and biomedicine without the ionization.T-rays can also easily penetrate and image inside most dielectric materials and nano materials，which make it a useful and complementary imaging source.We also believe that the key”application of terahertz technology is for T-ray imaging bio-body.Principle in THz imaging.The transverse mode distribution of THz wave near the position of focus point was studied in this paper.It is important to know the transverse distribution of THz wave,which can be referenced as an evidence of sample positioning in THz spectroscopy and THz imaging experiments.Time-domain raster scan imaging,real-time imaging,continuous-wave imaging,near-field imaging and tomography imaging are introduced.Potential applications of THZ technology,such as homeland security,biological research,materials research,non-destructive evaluation are discussed Key words:T-ray imaging,THz wave,transverse mode distribution,slit method,THz imaging technology 1 1 引言引言 THz 辐射通常指的是波长在 3mm30m(100GHz10THz)区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外之间，在 20 世纪 80 年代中期以前，由于缺少有效的产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致该波段被称为电磁波谱中的 THz 空隙，该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口，近十几年来，超快激光技术的迅速发展，为 THz 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使 THz 辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展，THz 技术之所以引起广泛的关注，是由于太赫兹电磁波有其独特的特点，它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、特别是在卫星通讯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1。可见光、X 射线、电子束、中红外、近红外和超声波是在医学诊断、材料分析以及工业生产等诸多领域中广泛应用的重要成像信号源，与以上的光源相比，太赫兹电磁波对于某些电介质材料有很强的穿透效果，除了可测量由材料吸取而反映的空间密度分布外，还可以通过相位测量得到折射率的空间分布，从而获得与材料相关的的更多信息，这是太赫兹时域光谱的独特优点，电磁波成像，相对于可见光和 X 射线具有非常强的互补特性，特别适合于可见光不能透过、而 X 射线成像的对比度又不够的场合，此外，太赫兹电磁波的光子能量极低(1THz 约 4.1meV)，没有 X 射线的电离性质（光子能量在 keV 量级），不会对材料导致破坏，THz 电磁波可以穿过衣服和皮肤，但是它不会像 X 射线同样对人体构成伤害，运用 THz 电磁波可以检查机场通关的旅客与行李，检查邮件中是否藏有毒品、炭疽菌粉或炸弹等违禁物品，THz 脉冲成像的非破坏性和非接触性对研究珍贵艺术作品和研究古生物化石等样品很有价值，例如透过艺术品的表面对内部可视化，无需接触或破坏易损的纸张而拟定书籍的内容等。此外，对诸如火焰的热分析、塑料封装集成电路的引线图成像、聚合物内部的气泡以及陶瓷中的裂缝探测等，太赫兹时域谱成像都是极有前程的技术，自太赫兹电磁波被初次用于成像以来，各种太赫兹成像技术相继问世，如太赫兹近场成像技术，太赫兹层析成像技术，时域太赫兹逆向变换成像技术等等2,3。虽然太赫兹波的产生和探测技术只在近几年才取得一定的成果，并且目前还没有适当功率的小型化商品出现，但太赫兹技术的应用早已得到同步开展。这重要归功于太赫兹波在某些应用领域的不可替代性。例如，很多干燥的非极性非金属材料在太赫兹波段的穿透性很强；太赫兹波的能量很低(lTHz 约 4emV)，对有机组织无伤害；太赫兹脉冲的宽度一般在亚皮秒级，信噪比高，适合瞬态研究；采用太赫兹 TDS 技术4,5可以直接测量太赫兹波电磁场的相位和振幅。正是太赫兹波的这些特性才使它在许多领域受到了重视。太赫兹波成像技术(T-ray Imaging)相对于可见光和 X 射线有非常强的互补特性，其穿透能力介于两者之间，又不会对人体或生物组织导致伤害。太赫兹波在材料研究、安检，生物和医学中的各种成像应用是目前开展得最广泛的研究。太赫兹波成像技术可以运用相位信息进行成像，许多干电介物质对太赫兹波段基本是透明的，但是折射率不同会引起太赫兹波相位的变化，从而实现对不同材料的鉴别。例如使用太赫兹波成像技术在车站、机场对行李或旅客进行安检就非常抱负，它可以准确地检查刀具、枪支、炸药及非法药品毒品等6-8。对细胞水平的生物组织进行成像，丰要是测量不同组织及其含水量对太赫兹波的吸取引起能量的变化，例如皮癌9及其它组织表层病变的初期诊断等。通过太赫兹 TDS 技术还可以同时探测太赫兹波的相位和振幅变化信息，可以实现对材料光谱特性的研究，例如测定掺杂半导体载流子的富集度和迁移率10和研究高温超导材料的特性11等。对于太赫兹成像技术的分辨率，由于瑞利极限将系统的远场分辨率限定在太赫兹波波长，即约 0.3mm，要提高空间分辨率就只有采用近场成像的方法。贝尔实验室的Mitrofanov 等人用中心波长为 600m 的太赫兹波，得到了 7m 的空间分辨率12；Yamashita 等人在对大规模集成电路进行成像时实现了 3m 的分辨率。近场成像技术的分辨率仅与光学系统的孔径有关，这不仅提高了太赫兹波成像系统的分辨率，也扩大了太赫兹系统的应用领域。如前所述，由于太赫兹波对材料的敏感性，太赫兹技术可以广泛用于机场、码头等部门及国土安全检测。美国 RPI 学院进行的太赫兹波探测地雷实验，在 10m 的范围达成了 2mm 的精度13。此外有关太赫兹波炸药探测和生化武器监测的研究也正在开展。太赫兹波的大气传输特性如图 l 所示，在 870m、735m、620m、450m、350m 图 l 太赫兹波的海平面大气传输特性 附近存在着相对透明的窗口。由图 1 可以看出，太赫兹波在军事领域的吸引力并不在于它的灵敏度，而是它可以提供更高的空间分辨率或减小孔径尺寸。但是由于水分和生物目的引起的衰减，太赫兹波的远距离遥感需要高灵敏度的探测器。例如，在 l00m的距离使用 1cm2的探测器，就只能接受辐射到目的上的太赫兹波能量的 107。对于太赫兹遥感技术来说，单光子探测器是比较合适的探测技术，但是目前这种探测器还需要低温技术。由于军事应用规定有高能量的光源、高灵敏度的探测技术和高稳定性的系统，目前实验室采用的太赫兹系统大多都不可以直接用于军事用途，但是由于太赫兹波具有比毫米波更好的方向性和高的空间分辨率，比红外光更大的带宽和容量，太赫兹波用于军事和通信还是有很大的前景的，特别是在太空环境下。太赫兹系统在医学领域有广泛的应用空间。除了前面提到的癌症诊断外，还可以采用反射型系统进行太赫兹断层扫描成像。太赫兹系统尚有也许在外科手术中用于实时检查癌组织切除状况，使患者避免复发或切除健康组织的危险；太赫兹还可以得到比超声波更清楚的软组织成像，以方便医生研究伤口愈合、肿瘤生长等情况。由于许多蛋白质和 DNA 大分子的集体振动模式都是在太赫兹区，运用太赫兹TDS 系统研究生物分子日益成为热点。2023 年，Markclz 等人初次运用脉冲太赫兹波研究了 DNA、牛血清和胶原质三种生物分子的太赫兹光谱吸取，并且取得了与比尔一兰波特定律一致的结论。随后，通过太赫兹 TDS 揭示生物分子的构象和研究分子突变、分子结构变化过程的工作便开始得到广泛开展14。运用太赫兹波直接检测基因物质的结合情况，可以实现无标记、高效率的基因探测技术和基因芯片检测手段，从而避免在基因检测中因使用荧光标记 DNA 链带来的复杂性，提高检测效率。太赫兹在生物医学上的其它用途尚有：研究药物和细胞的互相作用来指导药物生产；DNA 电荷传递分子机制的超快过程研究；核酸的电子转移超快过程研究等。天文学是太赫兹技术的另一个非常重要的应用领域。天体和星际辐射包含了星际形成过程和星际介质化学性质的丰富信息，而太赫兹波段的观测要比其它波段有更低的背景噪声。随着太赫兹技术的发展，天文学家和天体物理学家对太赫兹波段天文观测的爱好日益增长。目前世界上已经建造了多台太赫兹波段的射电望远镜，用于研究银河系星际云中复杂的物理状态及结构。如德国马 普射电所和美国亚利桑那州天文台合作研制了一台 10m 直径的亚毫米波射电望远镜。2023 年，Bourdin 等人对通过星际辐射的分解来观测星系的远红外到微波辐射。2023 年，Eyal 等人在南极阿蒙森海工作站的 1.7m 直径的亚毫米波望远镜上用 1.25THzl.5THz 波段的太赫测器(TREND)进行了天文观测，由于南极干燥稀薄的大气层，这个波段将是地基望远镜可以达成最佳观测效果的波段。此外正在进行的两个项目 SOFIA 和 TELIS 两个空基望远镜，分别以飞机和探空气球作为平台，前者工作在 1.70THz1.84THz，后者工作在 14THz1.9THz、2.6THz 和 4.9THz 三个波段。到 2023 年，还计划发射 HERSCHEL 太空望远镜到近地轨道，上面的两个测辐射热仪将工作在 60m210m 和 200m670m 两个波段。这些都是俄罗斯、欧洲和美国之间进行的国际合作项目15。2 2 电磁波电磁波 2.12.1 电磁波的传播电磁波的传播 关于无线电波在地球、地球大气层和宇宙空间中传播过程的理论。电波受媒质和媒质交界面的作用，产生反射、散射、折射、绕射和吸取等现象，使电波的特性参量如幅度、相位、极化、传播方向等发生变化。电波传播已形成电子学的一个分支，它研究无线电波与媒质间的这种互相作用，阐明其物理机理，计算传播过程中的各种特性参量，为各种电子系统工程的方案论证、最佳工作条件选择和传播误差修正等提供数据和资料。根据电波传播原理，用无线电波来进行探测，是研究电离层、磁层等的有效手段。电波传播为大气物理和高层大气物理等的研究提供探测方法，积累大批资料，提供数据分析的理论基础。电磁波频谱的范围极其宽广，是一种巨大的资源。电波传播的研究是开拓运用这些资源的重要方面。它重要研究几赫（有时远小于 1 赫）到 3000 吉赫的无线电波，同时也研究 3000 吉赫到 384 太赫的红外线,384 太赫到 770太赫的光波的传播问题。电波传播所涉及的媒质有地球（地下、水下和地球表面等）、地球大气（对流层、电离层和磁层等）、日地空间以及星际空间等。这些媒质多数是自然界存在的，但也有许多人工产生的媒质，如火箭喷焰等离子体和飞行器再入大气层时产生的等离子体等，也是电波传播的研究对象。这些媒质的结构千差万别，电气特性各异。但就其在传播过程中的作用可以分为三种类型：连续的（均匀的或不均匀的）传播媒质，如对流层和电离层等；媒质间的交界面(粗糙的或光滑的)，如海面和地面等；离散的散射体如雨滴、雪、飞机、导弹等，它可以是单个的，也可以是成群的。这些媒质的特性多数随时间和空间而随机地变化。因而与它互相作用的波的幅度和相位也随时间和空间而随机变化。因此，媒质和传播波的特性需要用记录方法来描述。2.22.2 电磁波的基本概念及产生电磁波的基本概念及产生 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，涉及有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。人眼可接受到的电磁辐射，波长大约在380至 780 纳米之间，称为可见光。只要是自身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。电磁波是存在于空间中的交变电磁场，它是如何产生的呢？可以肯定地说，是由随时间变化的电荷、电流产生的，像电偶极子，电火花都能产生电磁辐射。而在工程应用中产生电磁波的源就是我们将要讨论的各种天线。天线的工作过程就相称于一个电偶极子，天线辐射电磁波和电磁波在空间的传播始终遵从马克斯韦方程组。具体来讲，就是变化的电荷电流产生变化的电磁场，而变化的电场又以同样方式产生磁场，磁场反过来又产生电场，即按：源电场磁场电场磁场，这样一个过程形成存在于空间的电磁波，形象表达这一过程如图 2 所示。图 2 电磁波辐射过程原理图 2.32.3 电磁波的一般函数表达式电磁波的一般函数表达式 同一物理量或物理现象在不同时空点上反复出现的现象，叫波动，简称波。按波动的一般定义，物理学中把一列沿 z 轴方向传播的波用如下数学式子表达：=1(t-zv)+2(t+z)（1）1(t-z)表达以速度 v 向+z 方向传播的波；2(t+z)表达以速度 v 向-z 方向传播的波。两者的合成便是天线辐射出的一列波德函数表达式，叫波函数。之所以这样表达，是由于随着时间 t 的增长，波的传播距离 z 也跟着增长，而两者构成的宗量(t-z)却能保持不变，从而与宗量有关的函数(t-z)才干保持一个周期性变化，这是波动的基本规定。波函数反映了物理量随时间 t 和空间位置量 z 的一种变化关系，至于1，2的具体函数形式，重要由场源形式、空间媒质来决定。作为常用的，也是电磁场量基本的一种变化形式，随宗量 tz按正弦规律变化，可表达成（假定波只沿 z 轴传输）16 1212(,)sin()sin()sin()sin()mmmzmzf t zFtzFtzFtk e zFtk e z （2）2.4 2.4 太赫兹波简介太赫兹波简介 太赫兹（THz）（1THz1012Hz）波通常指的是频率在 0.1THz10THz（波长在3mm30）范围内的电磁辐射。从频率上看，该波段位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间。在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个“空白”，究其缘由是由于在此频段上，既不完全适合用光学理论来解决，也不完全适合微波理论来研究，从而也就形成了科学家们通常所说的“太赫兹空隙”。20 世纪 80 年代中期以前，由于缺少有效的太赫兹产生方法和检测手段，科学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近十几年来，超快激光技术的迅速发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。太赫兹具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等独特性能，在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域产生了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个重要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与 X 射线相比更具有优势。此外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍在不断的开发研究当中，其广阔的科学前景为世界所公认 2.5 2.5 太赫兹波的产生太赫兹波的产生 一、THz 波的产生 宽带 THz 脉冲的产生重要有光导激发和光整流方法,此外尚有非线性传输线方法等。光导激发是运用超短激光脉冲泵浦电场偏置的半导体,使其激发载流子,产生电子-空穴对,它们在外加电场作用下加速运动,相称于一个瞬时电流源。可以通过一个天线在短时间内向自由空间传播 THz 电磁波。探测和产生所用的设备相同,只是光导体不加偏置电压(图 3)。图 3 运用光导激发产生 THz场及相应探测 THz 电磁辐射发射系统的性能重要决定于三个因素:光导体、天线几何结构和泵浦激光脉冲宽度。光导体是产生 THz 场的关键部件,性能良好的光导体应具有尽也许短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。目前应用最多的是 Si 和低温生长的 GaAs。天线一般采用基本偶极子天线,因其结构相对简朴。此外为了增大THz 信号功率,可采用天线阵列。光整流效应是一种非线性效应,是电光效应的逆过程,运用激光脉冲(脉宽在亚皮秒量级)和非线性介质互相作用而产生低频电极化场。辐射出 THz 电磁波。包含在光整流过程中的物理过程是瞬时极化过程。规定一束超短激光脉冲聚焦在电光材料上。THz 辐射强度与非线性介质的极化电场强度 P(t)的低频部分的二次时间偏微商成正比。通过这种方法得到的 THz 电磁波频率较低。光整流的关键问题是相位匹配,它可以放大激光和 THz 脉冲在非线性材料中的互相作用以及增强 THz 产生效果。常用的非线性介质有 LiNbO3、LiTaO3、半导体 GaAs、InTe、InP 和有机晶体 DAST(图 4)。图 4 运用光整流产生 THz 场 非线性传输线是分布式的装置,由一个高阻抗的传输线,周期地加载非线性元件。非线性元件通常为肖特基变容二极管。整个装置集成如图 5。图 5 产生 THz 场的非线性设备 由于非线性特性和固有散射之间的平衡,在装置内产生震荡波或者孤子波,可以产生一定频率的 THz 电磁场辐射。窄带 THz 电磁波产生可以运用光学参量转换光晶体的线光混频方法。光学非线性晶体,例如 LiNbO3，在近红外区(波长为 1.064 微米),被较强的纳秒脉冲激时,产生受激极化散射现象。泵浦光频率为 Wp,当它激发非线性晶体时,产生一个频率为 Wi的闲置光。根据 Wp=Wi+WTHz,产生 THz 电磁波。可以通过 Si 棱镜传播出去。整个过程规定动量守恒恒 Kp=Ki+KTHz(图 6)。通过改变泵浦光的入射角可以得到不同频率的 THz电磁波。两束激光(其中至少一个为连续可调)在光导体内进行光混频,可以产生一个频率为它们差值的光电流。若频率在 THz 范围内,光电流可以沿传输线或通过天线自由辐射,从而形成 THz 电磁波。图 6 运用光学参量产生 THz 场 2.6 2.6 太赫兹波的探测太赫兹波的探测 假如 THz 信号很弱,探测则是相称艰难的任务,并且由于光子能量很低,外界热的噪声超过 THz 信号,因此需要控制探测器的温度使其在较低的情况下工作。超短电脉冲的光谱在 THz 范围内,重要有两种探测方法。光导天线法和电光取样法。光导天线运用光导偶极子天线和远红外相干技术来探测自由空间传播的 THz 电磁波。所探测的波形信号和所用天线的共振响应函数有关。电光取样运用被探测光场和 THz 场同时激发的电光晶体的线性电光效应。两场传播方向相同,但偏振方向不同。通过对探测光的偏振方向改变的分析,可以得到 THz 电磁辐射场的波形（图 7）。图 7 超短 THz 脉冲信号探测(a)光导天线(b)电光取样 在低频范围内,光导天线法有很好的信噪比和灵敏度,随频率增长,电光取样逐渐发挥作用。电光取样可探测较宽的范围,一般为100GHz37THz,而光导天线仅为3T4THz,这是由于天线参数的限制。连续 THZ 场外差法探测：在微波、毫米波和 THz 频率范围内,最灵敏的探测器制作原理都以外差法原理为基础,它是由两个信号混合而成,被探测的THz连续场信号和局部振荡信号。局部振荡信号有一个固定的输出能量,且该能量大于接受信号。外差法的解决通过一个非线性设备进行,称为混合器。输出信号的频率和 THz 信号与局部振荡信号差值成比例。通过对输出信号的分析,可以得知 THz 信号的相关信息。一般说来 THz 技术从产生到探测都离不开超快激光技术,所以设备庞大,价格昂贵。要想 THz 技术应用到气体检测、环境监测、医疗设备等方面,就必须使其小型化,低廉化、逐渐发展的纳米技术等有也许使其从学术阶段过渡到工业应用方面17。3 3 太赫兹成像太赫兹成像 太赫兹波和其他波段的电磁辐射同样可以用来对物体成像，并且根据太赫兹波高透性、无损性以及大多物质在太赫兹波段都有指纹谱等特性使太赫兹成像相比其他成像方式更具优势。1995 年，Hu 等在 THz-TDS 系统中增长二维扫描平移台，初次实现脉冲太赫兹时域光谱成像，并成功对树叶、芯片等样品成像。由于这种成像方法获得的是样品的光谱信息，不仅可以实现结构成像，并且可以实现功能成像。随着对太赫兹波新特性的进一步了解，太赫兹成像技术快速发展起来，涌现出了许多诸如太赫兹二维电光取样成像、层析成像、太赫兹啁啾脉冲时域场成像、近场成像、太赫兹连续波成像等，可应用于生物医学、质量检测、安全检查、无损检测等众多应用领域。3 3.1.1 太赫兹成像的基本原理太赫兹成像的基本原理 运用太赫兹成像系统把成像样品的透射谱或反射谱的信息（涉及振幅和相位的二维信息）进行解决、分析，得到样品的大赫兹图像，太赫兹成像系统的基本构成与太赫兹时域光谱相比，多了图像解决装置和扫描控制装置。运用反射扫描或透射扫描都可以成像，这重要取决于成像样品及成像系统的性质。根据不同的需要，可以采用不同的成像方法 对于太赫兹时域光谱成像系统，它所获取的数据集合实际是三维时空的数据（二维空间(x，y)轴向和一维时间轴向）。运用该三维数据集合可得到一系列样品的太赫兹图像，即皮秒量级的电影此外由于在一个时间点上的太赫兹图像所包含的信息量很少，所以通常要获取整个三雏的数据集合。而太赫兹图像的重构通常就是基于太赫兹时域波形的特定参数或峰位的延迟时间。目前对于样品重构的方法重要有以下 5 种：l)飞行时间成像：运用各像素点对 THz 信号的时间延迟信息成像，如图 8(a)中的a，bc 和 d 所示。其中，b 为最大峰值时间成像，该成像方法反映了太赫兹在样品的折射率。2)时域最大值、最小值、峰值成像：运用备像素点 THz 域信号的最大值、最小值或最大值与最小值的差值成像，分别如图 8(a)中的 A，B，C 所示其中，时城最大值成像反映了样品对太赫兹波的消光系数。3)特定频率振幅（相位）成 1 像：运用各像素点 THz 领域信号在某一频率的振幅（相位）值成像，如图 8(b)中的 E 所示。4)功率谱成像：对各像素点 THz 频域信号在某一段频率范围内的振幅平方值积分的信息成像，如图 8(a)中的 D 所示。5)脉宽成像：运用太赫兹主峰值的脉宽成像，如图 8(a)中的f所示，该成像模型重要反映物体的色散特性，它可以清楚地呈现物体的轮廓18。图 8 太赫兹成像的重构方法。(a)时域成像；(b)频域成像 3.23.2 太赫兹成像的像素信息太赫兹成像的像素信息 太赫兹电磁波成像的基本原理是：运用已知波形的太赫兹电磁波作为成像射线，透过成像样品（或从样品反射）的太赫兹电磁波的强度和相位包含了样品复介电常数的空间分布，将透射的太赫兹电磁波的强度和相位的二维信息记录下来，并通过适当的数字解决和频谱分析，就能得到样品的太赫兹电磁波的三维图像，太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大，每一像源相应一个太赫兹时域谱，通过对时域谱进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频率响应谱。图 9 太赫兹成像的时域信息 一般地，一方面未加样品时，运用 Sampling 方法得到 THz 波形，作为参考信息；然后加进样品，得出该像素的波形信息，传统的透射型太赫兹成像，每个像素能给出的信息涉及：归一化峰值振幅信息，归一化脉冲延迟信息，脉宽信息等，视具体情况去提取各种不同的信息，太赫兹成像的时域信息的情况见图 9：其中红色波形是参考信号，白色波形是通过样品后的信号，它包具有样品的信息，具体的信息提取可用图示的方程。通过傅立叶变换后，我们得到频域的信息，它涉及：某一频率的振幅变化信息；某一频率的位相变化信息；某一频率范围的强度积分信息；某一频率的 In(a/n)值（同时考虑了振幅和位相）以及透射率，时间延迟，吸取率，折射率等，如图 10所示。图 10 太赫兹成像的频域信息 3.33.3 太赫兹波传播过程中横模分布的成像太赫兹波传播过程中横模分布的成像 研究了焦点位置附近太赫兹波的横模分布，目的在于了解系统中太赫兹波的横向分布情况，为进行太赫兹光谱和成像实验提供依据。通过太赫兹波逐点扫描成像，对经常被用来放置测试样品位置附近的太赫兹波横模分布情况进行了定性的分析。运用“狭缝法”测量了太赫兹光束的束宽。结果表白，太赫兹波在焦点附近不同位置的横向分布有较大差异，在焦点处相应于最长波长 1.5mm 的最小光斑直径约为 1.0mm，这说明太赫兹波的聚焦有一定的限度。实验拟定了系统中放置样品的最佳位置，对开展太赫兹光谱和成像研究有参考价值。目前世界上比较流行的运用飞秒激光激发半导体产生太赫兹电磁波的光路有两种，一种是反射式的，另一种是透射式的。前一种是靠飞秒激光激发半导体表面发射来产生太赫兹波，后一种是运用光导激发机制或光整流方法来产生太赫兹波。本文测得的是首都师范大学物理系太赫兹实验室中反射式光路所产生的太赫兹波在 PM3，PM2两抛物镜的公共焦点附近的横模分布情况，反射式光谱系统光路如图 11 所示。图 11 反射式光谱系统实验装置图 M1 M14:平面反射镜;CBS:分束镜;PM1 PM4:抛物面镜;PBS:偏振分束镜;HWP:半波片;QWP:1/4 波片;L:透镜;Si:硅 片;Stage:电动平移 该实验室所使用的飞秒激光器是由光谱物理公司生产的钛宝石飞秒脉冲激光器，其反复频率为 82MHz，中心波长为 810nm，脉宽为 100fs，平均功率为 980mW。由钛宝石激光器(MaiTai Laser)发出的飞秒脉冲经分束镜(CBS)分为 I 和 II 两束，半波片(HWP)可以调节两束光的能量分派，光束 I 作为抽运光，经频率为 1.1kHz 的斩波器(Chopper)斩波再通过时间延迟后，以 45。角入射到 p 型100)砷化铟(InAs)晶体上，激光脉冲激发 InAs 产生光生载流子，通过载流子在半导体表面耗尽层电场中的加速运动而辐射出频率范围约为 0.20.3THz(波长范围为 0.11.5mm)的脉冲。光束 II 为探测光束，它通过与抽运光同样的光程后，由电光晶体对太赫兹电场进行取样。InAs晶体上产生太赫兹辐射的位置正好处在抛物镜 PMi 的焦点处，因此太赫兹电磁波经抛物镜 PM1准直后在 PM1与 PM2之间为平行光束，太赫兹波经 PM2会聚于焦点后又传至 PM3上，按图 1 光路直至照射到电光晶体(ZnTe)上。PM2、PM3两抛物镜间距的中点，也即其公共焦点处是通常放置样品的位置，测物质的太赫兹谱或是对样品进行太赫兹成像，一般都将样品放在此位置，足见此位置附近的太赫兹波横模形状及其大小的重要性。本文将对此位置附近的太赫兹波横模分布情况进行研究。该实验是在室温（大约 20），湿度为 30%左右的空气环境中进行的。将三维电动平移台固定于 PM2和 PM3两抛物镜的公共焦点附近，然后将自制的小孔固定在电动平移台上，运用电动平移台移动小孔的位置不同，通过小孔的太赫兹波的横模部分也就不同，这样就可以把太赫兹波横模不同部分的信息（涉及振幅和相位）记录下来，然后进行数据解决，就能得到太赫兹波横模分布的图像。用不同边长的正方形小孔和不同直径的圆孔分别进行了成像实验，发现孔的形状对所成像的形状基本没有影响，但孔的大小对所成像的大小有较大影响，这是由太赫兹波的衍射效应所致，适当调整小孔的大小，可以消除衍射效应的影响。通过与“狭缝法”得到的横模大小的结果进行比较，选择了边长为 1mm 的正方形小孔进行成像实验。图 12 是用剃须刀片做成的边长为 1 mm 的正方形小孔。图 12 边长为 1mm 的孔 图 13 缝宽为 0.1mm 的缝 采用“狭缝法”来精确测量横模大小，将自制的狭缝固定在电动平移台上，运用电动平移台分别在 x，y，方向移动狭缝，缝的位置不同，就把太赫兹波横模不同部分通过狭缝的信息（涉及振幅和相位）记录了下来，然后进行数据解决，就得到太赫兹波在 x，y 方向分布的曲线了。根据国际测量标准规定，为了避免缝的卷积修正，缝的宽度应约为光束宽度的 1/20，光束宽度取强度为最大值 13.5%的两点之间的距离，从而测得太赫兹波的横模大小。考虑到成像所得的横模大小和缝的透过率，我们选择了缝宽为 0.1mm 的狭缝，其中也用到了实验中的经验值，焦点附近太赫兹波的光斑直径在 13 mm 之间。图 13 为用剃须刀片做成的宽度为 0.1 mm 的缝。图 11 实验装置中，抛物镜 PM3的前沿与抛物镜 PM2的后沿间的距离为 13.6cm，一般认为在距 PM2为 6.8cm 处也即 PM2，PM3的公共焦点处太赫兹光束最小，但实验结果表白，在 6.8 cm 处所成的像并不是最小的，且通过成像得到的横模形状也可以看出此处不是进行实验的最佳位置。为此在 PM3，PM2两抛物镜公共焦点附近的多个位置进行了成像，得到了太赫兹波横模分布的图像。同样，在 PM2，PM3两抛物镜的公共焦点附近的多个位置，运用“狭缝法”测得了太赫兹波在这些位置的横模大小。结果显示，在距 PM3抛物镜 5.8cm 处，所得光斑最接近于圆，光斑半径也较小。图14 是“狭缝法”所得到的太赫兹波横模分别在 x(水平）和 y(竖直)方向的分布曲线，图15 是在距抛物镜 PM35.8cm 处，通过成像所得到的太赫兹波的横模图像。从图 15 可以看出，在此位置太赫兹波的横模形状已经非常接近于激光中的基模了，并且可直接看出光斑为高斯斑，“中间亮，两边暗”。图 14 的太赫兹波横向分布曲线也可以证明，太赫兹波的横向分布为高斯型。根据国际测量标准对光束宽度的定义，得到了横模大小为 x=0.90 mm，y=1.12 mm，在此位置进行实验比较抱负。图 14 距抛物镜 PM35.8cm 处太赫兹波的横向分布曲线 图 15 距抛物镜 PM35.8cm 处的成像 图 16 距抛物镜 PM36.8cm 处的成像 PM3和 PM2的公共焦点也即距抛物镜 PM36.8cm 处，是经常被用来进行实验的位置，其横模图像如图 16 所示，通过“狭缝法”测得其大小为 x=2.35mm，y=2.11mm，如图 17 所示。此处光斑不是我们所希望的实验光斑。在其他位置所成的像或是接近于 图 17 距抛物镜 PM36.8cm 处太赫兹波的横向分布曲线 图 18 距抛物镜 PM35.5cm 处的成像 图 19 距抛物镜 PM37.4cm 处的成像 圆形光斑但半径较大，如图 18 所示；或是为扁长椭圆形，如图 19 所示，都不是进行实验的最佳位置。上述实验结果表白，在太赫兹波的焦点位置附近，太赫兹电场的横模分布有很大的变化。由于实验光路与抱负光路之间的差别，加之有关光学元器件的不完善性，导致太赫兹波的焦点位置附近太赫兹电场的横模分布扭曲和变形，这直接影响到太赫兹光谱和成像