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《光电世界》第十一章：太赫兹波谱与成像技术，编写者：沈京玲教授；教材内容：本章介绍太赫兹波的基本概念和性质，太赫兹辐射的应用前景和发展现状，太赫兹辐射的产生与探测方法，太赫兹波及其光谱、成像和通信研究简介，重点介绍太赫兹时域光谱技术和成像技术。第十一章太赫兹波谱与成像技术太赫兹波在电磁波谱上位于微波和红外之间，属于远红外波段。THz是一个频率单位，1THz =1012Hz，英文为terahertz，译成中文为“太赫兹”，所以通常把位于0.1THz~10THz之间的电磁辐射称为太赫兹波（THz波）。太赫兹波长在30um-3mm，波数在3.3-330cm-1之间。图11.1 THz波在电磁波谱中的位置太赫兹波段两侧的红外和微波辐射技术已经非常成熟，但长期以来由于缺乏有效的产生和探测的手段，人们对于太赫兹波的了解非常有限，以至于这一波段一度成为了电磁波谱上的研究空白。20世纪80年代以来，由于高功率超短脉冲激光器的发展，THz辐射源和探测器的研究不断取得新进展，极大促进了THz波的理论和应用研究。 THz波作为电磁波谱上新开发的最后一个频率窗口，由于其独特的性质，在物理、化学、生物医学、通信、雷达、安全检查等各方面都有广阔的应用前景。目前，全世界有多个研究小组在从事THz相关研究，比如美国伦斯勒理工大学、Rice大学、英国剑桥大学和里兹大学、德国汉堡大学、韩国首尔大学、日本大阪大学等等。我国，在THz研究方面有中国科学院物理研究所、上海应用物理研究所、西安光学与精密仪器研究所、天津大学、上海理工大学、首都师范大学物理系等科研院所和高校。THz研究已经成为全世界科学家研究的一个热点。本章将介绍太赫兹波的产生和探测方法和原理、太赫兹波的基本性质、用太赫兹波进行光谱探测和成像等应用、以及我们的最新研究成果等。第一节太赫兹波及其基本性质太赫兹波是指位于电磁波谱中一个特定频率段的电磁波，这个频率段通常认为是1011-1013 Hz。该频率段恰好是位于微波和红外波段之间，所以也称为远红外光。让我们计算频率为1THz的一个太赫兹光子的能量：由，其中，频率所以有：再看看1THz电磁波对应的真空中的波长：根据有：对应的波数为：而1THz对应的热力学温度为：。太赫兹辐射之所以能引起科学家广泛的关注，是因为物质的THz谱（包括发射谱、反射谱和透射谱）包含着丰富的物理和化学信息，而且THz脉冲具有很多独特的性质，这使得THz技术在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线技术的互补技术，使THz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。随着THz技术的发展，THz技术的应用领域也在不断拓宽，THz波段的光电器件的开发研究，以及它在生物学、医学、微电子学、农业及其它领域有很大的应用潜力和十分重要的发展空间。 THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：一、瞬态性：THz脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体、各种生物样品等进行时间分辨光谱的研究。例如在半导体材料研究方面，通过THz时间分辨测量可以确定出载流子的浓度和迁移速率；在气体研究方面，通过THz时间分辨测量可以对混合气体的各个组分进行识别，从而使得对大气监测成为可能。二、宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十太赫兹的范围，便于在大的范围里分析物质光谱特性。三、高信噪比：通过取样测量技术，可以有效地抑制背景辐射噪声的干扰，从而使THz技术具有较高的信噪比。在10GHz~4THz频率范围内，THz时域光谱（THz-TDS）的信噪比可以达到104，而传统的傅立叶变换红外光谱（FTIR）的信噪比只有300左右。但是超过这个频率范围，FTIR的信噪比要优于THz-TDS，当带宽增加到40THz时，THz-TDS的信噪比将显著下降。可以看出THz-TDS在低频波段具有较高的信噪比。四、相干性：THz的相干性源于其相干产生机制。一般THz是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学整流效应产生。THz相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数，与利用Kramers-Kronig关系的方法相比，大大减少了计算和不确定性。而传统的FTIR技术只能测量出电场的强度信息。五、低能性：THz光子的能量只有毫电子伏特，与X射线相比，不会因为光致电离而破坏被检测的物质，所以THz更适合于对“活体”进行检查。六、高穿透性：THz 辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透性, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。七、吸水性：THz辐射对于水分子有强烈的吸收，可以通过分析产品中水分的含量来对产品的质量进行控制。另外，由于肿瘤组织中水分的含量与正常组织明显不同，所以通过分析组织中水分的含量可以确定出肿瘤的部位以及扩散情况。八、指纹光谱：许多生物大分子例如氨基酸、生物肽、毒品和炸药分子的振动和转动能级间的间距正好处于THz频率范围，使得获得它们的THz指纹光谱成为可能，从而为THz光谱技术在分析和研究生物大分子的物理化学性质、反恐、缉毒等提供了相关理论依据。太赫兹光谱技术不仅信噪比高，而且是一种非接触、非破坏测量技术，因此也是很多其它测量技术的有益补充。第二节THz波的产生与探测原理首先让我们了解目前的太赫兹光源和探测器。太赫兹光源包括两大类，一类是基于光学效应的太赫兹辐射源，另一另类是基于电子学的太赫兹辐射源。具体地说，基于光学效应的太赫兹辐射源有：光电导天线，电光晶体 (光整流)，空气等离子体，太赫兹参量振荡器，光泵浦太赫兹激光器；基于电子学的太赫兹辐射源有：行波管，返波管（BWO），自由电子激光器，耿氏（Gunn）振荡器，量子级联激光器等。上述太赫兹源产生的太赫兹波分为连续太赫兹波和脉冲太赫兹波。所谓连续波，就是指波长单一、波振幅和强度随时间不变化的电磁波，例如上述太赫兹激光器、返波管等太赫兹源产生的是连续太赫兹波；而脉冲波其振幅和强度在时间轴上是一个个脉冲，因此在频域上不是单一的，包含了一个频率范围，或者波长范围。例如上述利用光电导天线、光整流效应、空气等离子体产生的太赫兹波都是脉冲太赫兹波，由此可以获得宽带太赫兹波源。太赫兹波的探测分为连续太赫兹信号的探测和脉冲太赫兹信号的探测。连续太赫兹信号的探测使用热辐射探测器 (Bolometer)、热释电探测器 (Pyroelectric detector)，高莱探测器（Golay cell）、肖特基二极管、场效应管等。这些探测器或者是基于热吸收效应，或者是基于电子变频技术，其特点就是成本低，结构紧凑。但是这些探测器只能做非相干探测，不能获取相干太赫兹波的位相信息。脉冲太赫兹信号的探测使用光电导天线、电光晶体 (电光取样)、空气等离子体等方法。其中光电导天线和电光取样是应用最为广泛的两种脉冲太赫兹波探测方法，它们通常都是在太赫兹时域光谱系统中与光电导天线或光整流晶体等脉冲太赫兹发射器共同被使用。这些探测方法最大的特点就是能够实现太赫兹波的相干探测，即同时得到信号的振幅和位相信息。下面我们分别介绍常用的太赫兹产生和太赫兹探测方法及其原理。一、太赫兹波的产生目前最常用的产生脉冲THz波的方法有光导天线和光整流方法。 (1)光导天线光导天线辐射机制利用超快激光脉冲泵浦光导材料，在其内部产生电子空穴对，这些载流子在外加偏置电场作用下做加速运动形成一个瞬态光电流，从而辐射出低频THz脉冲,。如图11.2所示，光导天线由两个金属电极组成，之间的距离从微米量级到毫米量级不等，由泵浦光源脉冲能量和实验需要而定，相应通以几十伏至几千伏的直流偏置电压，电极安装在半绝缘低温砷化镓晶片或者辐射损伤的宝石外延硅（SOS）的衬底上。在天线正极附近产生强的耗尽场，再用激光器发出的飞秒激光脉冲照射该区域，就会产生很强的THz波，经衬底背面的硅透镜辐射出去。图11.2 光导天线辐射机制 (2)光整流光整流方法是利用电光晶体作为非线性介质，使超快激光脉冲通过非线性介电材料，进行二阶非线性光学过程（光整流效应或称差频产生）或高阶非线性光学过程来产生THz电磁脉冲。这里以ZnTe晶体为例介绍光整流。 ZnTe晶体有很好的物理稳定性和位相匹配性，被广泛使用。如果使用宽的聚焦泵浦光束和ZnTe晶体进行光整流，就能够减小介质引起的衰减，得到THz波的平均功率能够达到nW量级。如图11.3所示，入射到电光晶体的激光脉冲的脉宽为，与频谱带宽的关系为，在晶体内产生光整流效应，其非线性过程的表达式如下：电极化强度： THz电场强度：图11.3 ZnTe晶体进行光整流相比以上两种常用的产生THz脉冲的方法，用光导天线辐射的THz电磁波能量通常比用光整流效应产生的THz波能量高。因为光整流效应产生的THz波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量，而光导天线辐射的THz波的能量既可以来自入射的激光脉冲，还可以来自天线上所加的偏置电场的能量, 可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的THz波。同时，利用光整流效应可以产生更宽频谱的THz电磁辐射脉冲，但是提高THz电磁辐射脉冲的能量非常困难。两种方法相比较，光整流方法在光路调节方面比较简单。二、太赫兹波的探测 (1)电光取样自由空间电光取样方法是基于线性电光效应(又称朴克尔效应) 进行的，1995年，电光取样技术首次用来探测自由空间的THz脉冲。电光取样探测一般使用ZnTe晶体，常用它的<110>面，如图11.4所示，激光脉冲经过一个偏振片与THz波同时打到薄膜分光片上，这个薄膜分光片对于THz波是完全透过的，而对于探测激光脉冲是全反射的，两束光入射到电光晶体，THz波在电光晶体中作为电场，改变电光晶体的折射率椭球，经过电光效应，线偏振的探测光的偏振态将会因折射率的改变而变化，此变化反映的是THz波的信息。而后探测光经片（作为检偏器）和渥拉斯顿棱镜，分为垂直方向和平行方向的两束光，分别打到光电二极管的两个探头上，双眼探头的平衡二极管由于同时得到两个信号，所以能够抑制普通激光器的噪音，由光电二极管把光信号变为电信号，检测出两个电流的差，而后把输入锁相放大器，最后输入电脑进行信号分析。图11.4 THz波的电光效应探测 (2)光电导偶极天线探测 THz偶极天线探测器与光导天线发射器相同，如图11.5所示，由平板固定金属电极组成，安装在SOS衬底或低温砷化镓上，在衬底背面安装硅球面透镜。与发射器不同的是探测器的两极不加偏压。当两极之间通过飞秒激光探测脉冲时，半导体产生自由电子，同时离轴抛面镜把THz光聚焦到天线结构的探测晶片上。THz波作为电场使自由电子加速运动产生瞬时电流，由检流计测量出正比于瞬态THz脉冲电场强度的电流,最后使用锁相放大器来探测这个电流，输入电脑进行信号分析。图11.5光导偶极天线探测器以上两种探测方法都可用于自由传播THz脉冲的测量，各有优缺点。其一，光电导探测THz脉冲时由于产生光电流的载流子寿命较长，其探测带宽较窄(3-4THz)，同时光路的调节也相对复杂。电光取样技术不受光电流速度的影响，只与所用的电光晶体的非线性性质有关,有较宽的探测带宽(100GHz-37THz)。通常采用的ZnTe 电光晶体，探测的灵敏度、探测带宽、稳定性等方面均优于其它电光晶体，但是由于ZnTe 晶体在5.3THz处存在横向声子吸收，因此对于探测带宽的提高有一定的限制。同时由于THz 电磁辐射脉冲和激光脉冲在ZnTe 晶体中存在相位失配，因此要求探测晶体越薄越好。其二，在低频(kHz)调制下，光电导取样对于特定的THz辐射有更好的信噪比(约两个量级)和灵敏度。当调制频率大于1MHz后，自由空间电光取样表现很出色，例如其信噪比可大于104 。第三节THz时域光谱技术 THz时域光谱技术（THz-TDS）是20世纪80年代由AT&T，Bell实验室和IBM公司的T.J .Watson 研究中心发展起来的一种相干探测技术，能够同时获得THz脉冲的振幅信息和相位信息。它利用THz辐射透射样品或在样品上发生反射，分别探测通过样品前后的THz时域脉冲波形，分别称之为参考波形和样品波形，然后对这两个时间波形进行快速傅立叶变换，得到参考和样品的频谱信息，然后对频谱进行分析和处理就可以将被测样品的折射率、吸收系数、消光系数等光学参数提取出来。通过进一步分析实验得到的这些光学参数，可以对样品的种类进行鉴别并得到样品一些相关的物理和化学信息。THz时域光谱技术通过使用更窄波段的可调谐THz光源或者探测器可以实现更高的光谱分辨率，可以弥补传统的傅里叶变换光谱(FTS)光谱分辨率有限的缺点，所以它具有更好的应用前景。典型的THz时域光谱系统主要由飞秒激光器、THz辐射产生装置、THz辐射探测装置和时间延迟控制系统组成。飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为两束，一束激光脉冲(泵浦脉冲) 经过时间延迟系统后入射到THz辐射源上产生THz辐射，另一束激光脉冲（探测脉冲）和THz脉冲共同入射到THz探测器件上，通过调节探测脉冲和THz脉冲之间的时间延迟探测THz脉冲的整个波形。下面以首都师范大学物理系太赫兹实验室的系统为例，详细介绍一下THz时域光谱系统的实验装置及其原理。一、THz时域光谱系统反射式THz源时域光谱系统光路如图11.6所示。所用的THz发射晶体是InAs，探测晶体是ZnTe，图11.6中RM1~RM13是反射镜，PM1~PM4为离轴抛物面镜，L1~L3为聚焦透镜，P为检偏器。图11.6 反射式THz发射器时域光谱系统采用光谱物理公司生产的Maitai激光器作为泵浦和探测光源，它的中心波长为810nm，脉宽为100fs，重复频率为82MHz。Maitai激光器产生的飞秒激光从图11.6右下方经RM1进入系统，经过分束镜分成两束光：透射的一束光较强作为泵浦光，它入射到发射晶体（InAs <100>）上产生THz波, THz波经过抛物面镜PM1~PM4，被PM4聚焦到探测晶体（ZnTe <110>）；反射的一束光作为探测光，它经过一系列反射镜M6~M11，经过检偏器P由高阻硅片反射到探测晶体上，与被PM4聚焦的THz波在该处重合。THz辐射电场使通过电光探测晶体的探测脉冲的偏振态发生改变，从而反映出THz电场的大小及变化。偏振方向发生改变的探测脉冲通过探测晶体后，经过λ/4片，被渥拉斯顿棱镜分成偏振方向相互垂直的两束光，通过一个双眼探测器接锁相放大器，通过计算机进行数据采集。在图11.6的太赫兹时域光谱系统中，RM2 和RM3置于一平移台上，构成一个光路延迟器，使探测光相对太赫兹脉冲在时域上产生延迟，当平移台逐点移动时，就可以记录下一个太赫兹时域波形图，如图11.7所示。在图11.7中，红色曲线是样品的时域光谱图，黑色曲线是没有样品时，系统是太赫兹信号时域图，它作为参考信号，用于计算样品的吸收谱和折射率谱。图11.7 太赫兹时域光谱实验中，为了减少空气中水分对THz的吸收，在光路图中虚线框内部分加密封罩，冲入氮气或者干燥气体，从而保持罩内较小湿度。通常装置所处的实验室环境为温度21°C，湿度40%，罩内湿度小于4%。实验时样品置于PM2焦点处的样品架上，当THz通过样品时便会携带样品的信息，通过数据处理就可以将相关信息提取出来。二、数据提取基本方法数据处理采用T. D. Dorney和L. D. Duvillaret等人提出的THz时域光谱技术提取材料光学常数的模型。复折射率描述样品的宏观光学性质，其中为实折射率，描述样品的色散情况；为消光系数，描述样品的吸收特性。消光系数与吸收系数之间的关系是：。对实验测得的参考信号的时域谱R(t)和通过样品的时域谱S(t)分别进行傅立叶变换，得到它们的频率谱R(w)、S(w)，由公式，得到和，则样品的折射率谱和吸收系数谱分别可根据公式　　　和求得。如果不考虑边界处的能量损失，吸收系数也可以用公式求得，其中，I是太赫兹强度。第四节太赫兹成像技术太赫兹波最广泛的应用是无损检测，因此各种太赫兹成像技术也就成为太赫兹波应用技术中最主要的研究方向。太赫兹成像技术有很多种，不同的太赫兹成像技术有着不同的应用。自从美国的Hu和Nuss等人在1995年首次建立起国际上第一套THz成像装置以来，许多科学家相继开展了电光取样成像、层析成像、THz单脉冲时域场成像、近场成像、暗场成像、收发分置THz成像、三维成像等的研究。下面介绍几种常见的成像技术及原理。一、THz扫描成像 THz扫描成像系统主要由以下几部分组成：1）飞秒激光器；2）延迟装置；3）THz波发射源；4）由聚焦透镜等构成的光学成像系统；5）被测样品；6）检测器；7）用于信号处理、降噪声等功能的数字信号处理器（DSP）。（1）透射型扫描成像成像系统示意图如图11.8所示。超快激光脉冲经分束镜分为两束，一束较强的作为泵浦光，照到THz发射器上产生THz波。THz波经过两对离轴抛面镜进行两次聚焦和准直，第一次聚焦在样品上，第二次聚焦在探测器上。另一束较弱的作为探测光，经扫描延迟照射到探测器上，探测THz辐射场，测量瞬时电场强度。测量出的信号经电流前置放大器，数字信号处理器，最后送入计算机，对图像进行还原。图11.8 透射型扫描成像系统示意图此装置通过一个x-y的移动台来改变样品的方位，从而使THz波通过样品的不同点，记录样品不同位置的透射和反射信息，可以是振幅信息，也可以是相位信息，或是两者同时记录。（2）反射型扫描成像反射型系统的基本原理与透射型一样，实验装置也基本相同。从物体反射回来的波用来作为成像信息。反射型系统对于实验技术上的要求比较高，在实验参数提取方面比较复杂，所以发展较慢。系统装置如图11.9所示。图11.9 反射型扫描成像示意图二、THz实时成像二维逐点扫描成像的时间取决于像素点的多少，成一幅像有时是几十分钟甚至几个小时，所以要提高成像速度必须改进方法。THz实时成像技术可以克服成像时间过长的缺点。（1）利用电光晶体和CCD实现实时成像利用电光晶体和CCD实现实时成像，可以很快地提高信息的提取速度，装置如图11.10所示。基于透镜焦平面成像原理，将一束经过放大准直的THz波照在电光晶体ZnTe上成像，由于CCD不能捕捉到太赫兹信号，为此必须利用电光取样方法进行频率转换。另一束经过放大的探测光与THz光束同时照在同一块晶体上，由于每个像素点所对应的电光晶体的折射率的变化由THz电场决定，所探测光束被THz电场调制，THz信息被转化为光频信息，经过分析系统，由CCD相机成像。成像速度取决于CCD相机的帧频率，高灵敏度的CCD响应速度可达100帧/秒，因此可认为是实时成像。但是该系统不能使用锁相放大器，所以信噪比很低。图11.10 THz实时成像系统尽管此法的信噪比较小，但如果与啁啾脉冲技术相结合，将非常有前景。有人已经做了这方面的工作。实时二维THz成像技术是真正意义上的成像，利用CCD相机读出THz信号，加快了数据采集速度，获得对样品的成像。但是不能获得每一个点的强度信息。获得这种自由空间光电THz成像技术的重要应用之一是对运动物体或活体成像。在THz焦平面上运动物体的图像可按视觉速率(38幅/ｓ)观察。（2）利用啁啾脉冲技术实现实时成像在THz时域光谱技术中，每个THz波形都是由扫描延迟获得的一系列数据得到的，这无疑不能做到实时成像。为了提高信息的提取速度，张希成等人发展了啁啾脉冲技术进行THz实时成像技术。如图11.11所示，啁啾脉冲的装置与传统的电光取样装置十分相似，不同的是没有了延迟系统，而采用一对光栅来展宽探测光。展宽的探测脉冲（大约30ps）和THz脉冲同时照到电光晶体上。由于探测脉冲的波段不同，所以到达电光晶体的时间不同，这样探测光的不同波段会受到THz信号不同部分的调制，偏振方向发生改变，转动方向和角度与THz电场强度成正比，经过光学分析器，偏振方向的变化转化为光谱幅度的变化，再用分光计把展宽和准直的探测光聚焦到CCD相机上进行成像。成像时可以先拍一张背景图，然后用信号图减去背景图就得到THz波形。这样，仍然能得到很好的信噪比。图11.11 啁啾技术实时成像系统示意图三、THz层析成像 THz层析成像就是利用THz对一个立体的物体进行分层成像，在对某一特定层成像的同时要将物体的其他部分的信号变模糊,从而尽量不干扰所要的特定层的信息。THz层析成像主要有三种：太赫兹计算层析成像(THz-CT )，太赫兹衍射层析成像(THz DT)与太赫兹菲涅尔波带片法层析成像。这里主要介绍太赫兹计算层析成像。太赫兹计算层析成像(Terahertz Computed-Tomography，简称T-CT) 是一种新型层析成像形式，利用了太赫兹脉冲和新的重构计算方法。这种技术使太赫兹成像能够描绘被测物体的三维结构。T-CT系统从多个投影角度直接测量宽波带太赫兹脉冲的振幅和相位。T-CT的基本原理源于X-CT，其装置仅是现代透射模式太赫兹成像系统的简单扩展。图11.12是T-CT的原理示意图。待测样品被放置在旋转平台上，平台能使其绕轴旋转，并在每一个投影角度获得二维（2D）太赫兹图像。图11.12 T-ray 计算层析成像系统四、THz近场成像 BS THz beam THz波长较长（相对X射线和可见光），远场成像受电磁波衍射的限制，瑞利斑大约是，为了突破波长的限制获得更加细微的分辨率，S.Hunsche等人在1998年第一次提出THz近场成像。近场成像是提高太赫兹成像空间分辨率的有效方法。很显然利用传统几何结构实现近场成像是不可能的，因为物体会挡住探测光束。因此我们将系统改为反射结构。如图11.13所示，THz光束从EO晶体的左面入射，而探测光从右表面入射，再从表面反射回来对THz光进行探测。在近场成像情况下，样品放在发射器或探测器相当近的地方，分辨率不再由波长决定，而是取决于孔径的大小。相对于传统的4f成像系统，空间分辨率提高了至少5倍。图11.13 近场成像示意图 2000年，张希成等人利用“动态孔径”的原理发展了另一种成像技术，动态孔径近场成像。在这套系统中，不再需要制作物理孔径，孔径的大小取决于门控光聚焦的大小，因此十分便于调节。如图11.14所示，动态孔径成像系统与传统的THz成像系统十分相似。所不同的是加了一束门控光，它与泵浦光是同一激光器产生的，通过斩波器对门控光的调制，只有当门控光通过THz光照射在门控上的部分，才会被锁相放大器读取数据。控制光经聚焦照射在半导体中激发光生载流子，使焦点处光生载流子的局部浓度高于未遇控制光的部分，局部浓度高的部分对THz的阻挡本领偏高，这样就造出一个负的“动态小孔”。利用近场成像和“动态孔径”的原理，可使太赫兹显微成像的分辨率达到几十微米。图11.14 动态孔径的THz近场成像系统此外，还有太赫兹连续波成像、多波长太赫兹成像、太赫兹偏振成像、时间编码的太赫兹成像等成像技术。目前这些成像技术多数尚在研究中。以上各种成像技术在扫描方式、信噪比、分辨率、成像时间、应用范围和领域各有千秋。其中逐点扫描成像适用于要求精确测量，但又不严格要求实时的样品。此法不仅测量的结果分辨率比较高，而且信号强度大，受背景噪声的干扰小，信噪比高，可达10000。但它的扫描时间过长，不适合大样品，不能对动态变化的信息进行测量和监控。THz层析成像技术与X射线CT相比，不仅可以夺得被测物吸收率的三维分布，而且可以获得折射率或介电常数的三维分布。有些物体对X射线完全透明，成像对比度很差，如果对THz有一定的透过率，则THz成像就可以成为一种有效的补充手段。第五节太赫兹波谱和成像技术应用实例 ------太赫兹波谱技术在毒品检测中的应用能够应用太赫兹时域光谱技术进行毒品检测是基于下列两个事实：多数毒品在太赫兹波段具有特征吸收；多数包装材料如纸张、织物、塑料、木头，对太赫兹波是透明的。将两者结合起来，使太赫兹技术非常适于进行毒品的无损检测应用。自2005年以来，首都师范大学物理系太赫兹实验室致力于太赫兹技术用于毒品检测识别的研究，取得了一系列研究成果。建立了太赫兹毒品数据库；对太赫兹毒品光谱进行机器自动识别；对毒品进行分子层次的结构指认；实现了毒品纯度和有效成分含量分析；研究了信封和包装物对毒品太赫兹光谱的影响；使用太赫兹成像技术识别毒品。同时，还开发了小型可移动太赫兹时域光谱系统。一、 THz毒品数据库表1是数据库存放的太赫兹波谱数据的毒品名称，共38种，数据库中毒品的种类目前在国际上应该是最多的。我们使用多台太赫兹光谱仪进行数据采集，比较同一个样品在不同光谱仪上进行测量的结果，还采用傅里叶变换红外光谱仪进行同一波段的光谱测试，将其结果与太赫兹时域光谱仪的测量结果进行比较，并且和国际上已经发表的数据进行比较，从而确认了光谱数据的可靠性。表1 毒品数据库品种列表序号名称序号名称 1 MA 20 苯巴比妥 2 MDA 21 异戊巴比妥 3 MDMA 22 安眠酮 4 O3单乙酰吗啡 23 阿普唑仑 5 乙酰可待因 24 咪哒唑仑 6 海洛因 25 三唑仑 7 硫酸氨维他命 26 安非他明 8 吗啡 27 HCL二氢埃托啡 9 咖啡因 28 硫酸可待因 10 可待因 29 磷酸可待因 11 氯胺酮 30 盐酸美沙酮 12 盐酸麻黄碱 31 盐酸甲基安非他明 13 O6单乙酰吗啡 32 安定 14 HCl罂粟碱 33 硝西泮 15 HCL可卡因 34 氯硝西泮 16 HCL伪麻黄碱 35 卡马西平 17 HCL甲基麻黄碱 36 安乃近 18 杜冷丁 37 速可眠 19 巴比妥 38 舒乐安定图11.15是两种典型毒品在0.2-3.0太赫兹的吸收谱。可以看出，在该波段内，海洛因(Heroin)在1.86THz和2.40THz有两个特征吸收峰，而氯胺酮(Ketamine)则有6个吸收峰。 Ketamine Heroin 图11.15 海洛因和K粉的太赫兹吸收谱在实际测量中，毒品如果放在包装物中，就要考虑到包装物对毒品太赫兹光谱的影响。这方面，李宁、贾燕等对隐藏在信封中的毒品进行吸收谱测量并对信封中的毒品进行识别。结果表明，与裸样品的吸收峰对比，信封对太赫兹波有一定的吸收，但是样品的特征吸收峰位置基本不变，即指纹谱不变。这几个结果告诉我们，利用太赫兹光谱技术可将隐藏的样品识别出来。二、毒品太赫兹光谱分析对于毒品太赫兹光谱的分析，可以采用密度泛函理论（DFT），这一理论在分子和固体的电子结构研究中有广泛的应用，并且有相应的商用软件。李宁、王光琴等使用高斯03软件包，应用B3-LYP函数采用不同极化的基组对甲基苯丙氨(MA)、氯氨酮、海洛因、咖啡因和3-乙酰吗啡等毒品样品分子光谱进行计算，并将结果与实验结果比较，实现了对太赫兹光谱中的特征吸收峰进行分子层面的指认，从理论上解释了实验得到的THz吸收光谱。图11.16中(a)和(b)分别是咖啡因和3-乙酰吗啡的太赫兹吸收谱实验结果和模拟结果。图11.16 太赫兹吸收谱实验和模拟结果 (a)咖啡因；(b)3-乙酰吗啡三、毒品太赫兹光谱的识别有了毒品太赫兹光谱数据库，我们可以将它作为机器自动识别其它毒品的标准。配合太赫兹时域光谱仪的硬件条件，我们将THz 时域光谱技术与人工神经网络（ANN）结合，多方位研究了利用人工神经网络方法进行毒品的检测与识别，并开发了相应的识别软件。2006年，逯美红利用空间图样法对成像后的毒品样品进行识别；2007 年，贾燕报道了利用误差逆传播（BP）神经网络识别毒品的THz 光谱；2008年，梁美彦利用自组织映射神经网络（SOM），以及径向基神经网络（RBF）进行毒品的THz光谱识别。同时，我们也利用其他算法进行了毒品光谱识别：2009年，赵树森和潘锐用支持向量机（SVM）识别毒品的THz光谱，和挺开发了R平方值太赫兹光谱识别算法。上述方法根据不同样品的光谱特征，通过太赫兹光谱识别技术能够识别出样品的品种。此外，我们还需要了解毒品在混合物中的纯度或者含量，这在公安缉毒中进行量刑定罪很有必要。为此，我们进行了毒品混合物定量检测研究。2007年，江德军等人定量分析了混合物中毒品的成分，首先测出已知成分的纯样品和混合物在太赫兹波段的吸收系数，再根据朗伯—比尔定律，用最小二乘法计算出混合物中目标成分的百分含量。研究中选取冰毒和面粉来做实验，实验结果和实际含量基本一致。和挺将SOM应用到对毒品的定量识别，也取得了较好的结果。上述工作为THz时域光谱技术为毒品的检测和识别提供了科学依据和基础，它可以作为现有毒品检测手段的有力补充，能为公安部门缉毒工作提供服务。同时，也为太赫兹光谱技术应用在其他领域开拓了思路。

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