太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究

近年来太赫兹科学技术日益受到科学界和工业界的重视并得到了较大的发展,太赫兹技术在医学领域上的应用已成为人们关注的重要方面之一。介绍了太赫兹波的特点、太赫兹光谱和成像技术;重点讨论了近年来太赫兹光谱和成像技术在医学检测和诊断领域中的应用和研究进展;并探讨了太赫兹光谱和成像技术发展中需要解决的问题以及今后发展的方向。     

雷达信号处理技术在太赫兹成像中的应用

太赫兹成像采用的成像算法多来自于其他频段已经成熟的成像算法,而针对太赫兹波特性的成像算法还不多见,因此在太赫兹频段形成了成像机理及算法研究的空白。按照经典电磁理论、光学原理对太赫兹成像进行分类,指出了雷达成像与太赫兹成像之间的关系。并通过研究太赫兹雷达目标散射特征,分析了不同太赫兹源的衍射极限成像分辨力。最后,从信号处理的角度介绍了太赫兹雷达信号处理及成像算法的研究现状。     

Multi-function terahertz wave manipulation utilizing Fourier convolution operation metasurface

We propose a novel metasurface based on a combined pattern of outer C-shaped ring and inner rectangular ring. By Fourier convolution operation to generating different predesigned sequences of metasurfaces, we realize various functionalities to flexible manipulate terahertz waves including vortex terahertz beam splitting, anomalous vortex terahertz wave deflection, vortex terahertz wave splitting and deflection simultaneously. The incident terahertz wave can be flexibly controlled in a single metasurface. The designed metasurface has an extensive application prospect in the field of future terahertz communication and sensing.     

Circular dichroism spectra of α -lactose molecular measured by terahertz time-domain spectroscopy

Researchers have long studied circular dichroism (CD) for its enormous prospects in life sciences. Many biomolecules have vibration modes in the terahertz region, and terahertz CD spectra are robust to detect biomolecular structures. However, few studies explore the terahertz CD spectra on even natural materials due to technical challenges in both fields. Here, we report a setup of home-built terahertz time-domain spectroscopy to measure the polarization states of terahertz waves. By carefully measuring the transmission Jones matrix, we obtain terahertz CD spectra of α -lactose tablets and D-glucose tablets. Our results show that the terahertz CD spectra are sensitive to vibrational motions in biochemical compounds, which will find wide applications in biosensing and biomedical diagnostics.     

太赫兹片上系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展

目前太赫兹辐射信号的功率不高,辐射带宽也较窄,这些对于生物化学、含能材料的太赫兹检测应用领域来说是一大限制因素,因此如何获得宽谱高功率的太赫兹源对于太赫兹时域光谱系统的发展是非常重要的;另一方面,常规的太赫兹系统是在自由空间传输探测的,测量过程需要在氮气或者干燥空气环境中进行,以克服空气中水的吸收干扰,同时自由空间中的光场与物质相互作用的模式又降低了物质检测的灵敏度,这对于痕量物质检测来说构成了挑战.面对这一问题,太赫兹片上系统利用微纳结构中的局域场效应实现对物质的低浓度检测,此方案有助于解决这一应用难题.综上所述,本文分成以下两部分阐述:首先阐述了纳米金属薄膜作为新的太赫兹源,它可以同时产生非相干的和相干的太赫兹信号,其输出为超过100 THz的太赫兹-红外辐射,功率高达10 mW,这种超宽谱和高功率现象主要是由于非相干的热辐射效应引起的;第二,阐述了基于不同传输线结构、不同基底材料的太赫兹片上系统结构设计和光谱应用.基于共面带状线结构和聚合物材料基底的太赫兹片上系统有着较低的损耗,能够实现超过2 THz带宽的测量和生物化学应用.     

Double-slit diffraction of terahertz wave generated by tilted-pulse-front pumping

We propose a spatial diffraction diagnostic method via inserting a millimeter-gap double slit into the collimated terahertz beam to monitor the minute variation of the terahertz beam in strong-field terahertz sources, which is difficult to be resolved in conventional terahertz imaging systems. To verify the method, we intentionally fabricate tiny variations of the terahertz beam through tuning the iris for the infrared pumping beam before the tilted-pulse-front pumping setups.The phenomena can be well explained by the theory based on the tilted-pulse-front technique and terahertz diffraction.     

光栅-液晶复合结构太赫兹移相器

随着太赫兹技术及其应用的快速发展,各类太赫兹控制器件需求也随之增加,作为太赫兹系统重要器件之一,太赫兹波移相器成为当前研究热点。已有移相器存在着尺寸较大、结构复杂、相移量较小等问题,为克服上述缺陷,提出一种光栅-液晶复合结构太赫兹移相器,该器件结构为石英、石墨烯、液晶盒、光栅结构、石墨烯和石英组成。通过改变石墨烯电极上电压,使液晶折射率发生改变,相移器的相位因折射率改变而发生变化,通过控制外加电压可以实现对太赫兹波相移量有效调控。计算结果表明,该移相器在0.39~0.46 THz频率范围内实现了400°相移量,回波损耗小于-11 dB,在频率0.43 THz处,最大相移量达到422°。太赫兹波入射角在0°~30°范围内变化,移相器的相移量保持不变,而且该器件对入射太赫兹波偏振态不敏感。所设计的太赫兹移相器具有相移量大、结构尺寸小等优点,在未来的太赫兹通信、安检、医疗、传感、成像等领域中具有广阔的应用前景。     

二维电子气等离激元太赫兹波器件

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合,通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式,增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系,实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式,演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测,建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型,指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明,基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而,固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑,包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。     

基于扩散映射的太赫兹光谱识别

特征提取对于太赫兹光谱识别来说至关重要。传统方法是通过人工选取太赫兹光谱中差异性较大的吸收峰作为特征进行光谱识别,但当部分物质在太赫兹波段没有明显波峰、波谷等光谱图形特征时,这种方式便不再适用。为此,研究人员利用统计学习与机器学习方法对高维太赫兹光谱数据进行降维和特征提取。由于物质的太赫兹光谱数据各维度呈现非线性,尤其是当不同物质的太赫兹光谱曲线整体非常相似时,线性处理方法易产生较大误差。针对这一问题,提出了一种基于扩散映射(DM)的太赫兹光谱识别方法。扩散映射能在保持数据内在几何结构的同时对其进行非线性降维,提取的流形特征区分度较高,对数据还有聚类效果。首先用S-G滤波器对Alloxazine等10种物质的太赫兹光谱样本进行滤波,并用三次样条插值法对截取相同频段后的光谱样本进行统一分辨率处理;然后利用DM将高维太赫兹光谱数据映射到低维特征空间并提取太赫兹光谱的流形特征;最后用多分类支持向量机(M-SVM)对十种物质的太赫兹透射光谱进行分类。实验结果表明,相比于主成分分析(PCA)和等距映射(ISOMAP),使用DM提取的太赫兹光谱流形特征具有更高的区分度,而且DM可以直接得到太赫兹光谱数据本征维数的估计值,这为相似太赫兹光谱的快速精准识别提供了一条新的途径。     

高精度太赫兹探测器响应度定标系统

为了保障太赫兹探测器测试的准确度和可信度,对太赫兹探测器响应度定标溯源技术进行研究,针对常用太赫兹探测器黑体辐射测试技术存在对环境、设备要求高和搭建难度大等问题,以中国计量科学研究院的热电型太赫兹探测器作为计量标准,提出一种校准方案,设计搭建了一套太赫兹探测器响应度定标系统。为提高定标准确度,实验测试了定标光学系统的光束质量,并合理设置光阑孔径以满足定标要求。在0.1 THz频点处对2个响应度未知的场效应自混频太赫兹探测器进行响应度定标。结果表明,定标的相对扩展不确定度为6.80% (k=2),验证了定标系统的可行性,系统可实现太赫兹探测器功率响应度溯源到国家激光功率标准,保障太赫兹功率测量的准确可靠。     

Manipulation of terahertz radiation using metamaterials

During the past decade electromagnetic metamaterials have realized many exotic phenomena that are difficult or impossible using naturally occurring materials. It is their resonantly enhanced interaction with electromagnetic waves that underpins their attractive qualities, which are increasingly important in the terahertz frequency range. Passive and active terahertz metamaterials and devices have enabled novel functionality and unprecedented terahertz device performance. These demonstrations prove their potential to address the so‐called terahertz gap, a technology vacuum associated with the deficiency of natural materials with a desirable terahertz response.     

Photoconductive antenna as local oscillator in terahertz frequency measurement: heterodyne efficiency and bias effect

In a photoconductive antenna (PCA), femtosecond-laser-excited carriers will form a broadband terahertz photon-carrier (PC) comb, and the terahertz PC comb can be used as a multi-frequency local oscillator to carry out heterodyne detection of continuous terahertz sources with high frequency accuracy. In this paper, the heterodyne efficiency and the bias effects of a PCA terahertz PC comb are investigated. The results show that the pair beat signals (with the beat frequencies lower than the repetition frequency of femtosecond laser) of a continuous terahertz source and the two adjacent comb teeth do not decrease with the increase of beat frequency. Applying a bias voltage to the PCA can effectively enhance the terahertz emission efficiency. However, such a bias voltage has no positive effects on the heterodyne detection responsivity because the heterodyne detection is intrinsically based on the terahertz rectification effect that is proportional to the photo-excited electrons. In addition, by using a reference terahertz source with high frequency stability, it is possible to measure the fluctuation and the drift of the repetition frequency of femtosecond lasers with higher accuracy. The results are helpful for improving the performance of terahertz frequency measurement system based on PCA PC combs.     

200mJ光泵浦氨气太赫兹激光器北大核心CSCD

利用光栅选支调谐的TEA CO2激光器作为泵浦源设计了高能量脉冲光泵浦太赫兹激光器。太赫兹激光谐振腔由2m长的石英玻璃管、GaAs泵浦光输入窗和SiO2太赫兹光输出窗组成,氨气充入谐振腔内作为增益介质。太赫兹激光的波长由自主设计的金属线栅F-P干涉仪测量。实验中在多个波长处都获得了强烈的太赫兹光输出,其中151.5μm太赫兹光的输出脉冲能量高达204mJ,对应的泵浦光能量为32J。最后,还给出了利用151.5μm太赫兹光进行透视成像的实验结果。     

基于相对论电子束的太赫兹源

太赫兹辐射在基础科学和产业应用中具有重要的应用前景,但传统的电子学和光学方法难以在1～10 THz产生相干的高功率、窄带且连续可调的太赫兹辐射。基于相对论性超短电子束和预调制电子束序列的加速器太赫兹源将能在上述范围内产生可调的高能谱强度窄带太赫兹辐射。综述了清华大学加速器实验室近年来在基于相对论电子束的加速器太赫兹源方面的理论和实验进展,以及与加速器太赫兹源一起发展起来的太赫兹辐射测量、束流诊断和先进加速技术。     

Two-color laser wavelength effect on intense terahertz generation in air

Near-IR femtosecond lasers have been proposed to produce high-field terahertz radiation in the air via the laser-plasma interaction, but the physical mechanism still needs to be further explored. In this work, we theoretically investigate the effect of the two-color laser wavelength on the terahertz generation in the air based on a transient photocurrent model.We show that the long wavelength laser excitation can greatly enhance the terahertz amplitude for a given total laser intensity. Furthermore, we utilize a local current model to illustrate the enhancement mechanism. Our analysis shows that the terahertz amplitude is determined by the superposition of contributions from individual ionization events, and for the long wavelength laser excitation, the electron production concentrates in a few ionization events and acquires the larger drift velocities, which results in the stronger terahertz radiation generation. These results will be very helpful for understanding the terahertz generation process and optimizing the terahertz output.     

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

太赫兹技术在农产品检测中的应用研究进展

我国是农业大国,保障粮食安全是国家发展的战略需要。农产品检测技术的应用和发展对监控质量,预防由农产品品质问题引发的安全事故至关重要。太赫兹（Terahertz,THz）波位于电磁频谱空隙,频率高于微波而低于红外线,具备光子能量低、穿透性好、能表征分子结构等优点。基于太赫兹波的光谱检测技术受到研究人员广泛关注,在生物医学、安全检查等方面得到应用,被证明是一种可靠的检测手段。在农产品应用领域,太赫兹波特有的非接触、无标记检测能力为农产品成分分析、质量控制提供了技术手段,其良好的穿透性和无损害性,可以用来在不破坏农产品表面及外包装的前提下,检测内部成分变化。与其他光谱（超声、X射线、红外等）检测手段相比,太赫兹波频率范围宽、表征能力强,可实现对目标物质的快速无损检测。近几年,随着太赫兹发射源、探测器等设备以及光谱和成像技术的发展,其在农产品领域的应用有了新的进展。通过收集整理近期的文献资料,综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果,总结了目前存在的应用局限。在此基础上,对未来太赫兹光谱和图像检测的研究方向进行了展望,提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用的研究重点。在检测系统中引入基于超材料的传感器是提升灵敏度的一种有效手段,可以突破原有的太赫兹光谱检测极限,对研究农药残留、真菌毒素等危害农产品安全的痕量污染物具有重要意义。在农产品快速成像检测方面,基于单像素成像和压缩感知理论的太赫兹计算成像技术是提高检测速度的可行方案。这些研究成果将为后续太赫兹技术的发展提供方向性指导,对农产品检测领域的应用推广具有重要参考价值。     

太赫兹计量研究与标准研制进展

太赫兹作为新的技术手段在物质成分识别、高速通信、生物医学、安检成像和军事国防等领域具有重要的作用。太赫兹技术的各种应用都建立在对太赫兹本身及其与物质相互作用测量的基础上，因此准确的太赫兹参数测量及相关量值溯源是太赫兹应用的技术支撑和保障。介绍中国计量科学研究院在太赫兹辐射参数计量标准研究中形成的测量技术和溯源方法、研制的测量仪器和测量装置、制定的计量校准法规和建立的计量标准装置，对太赫兹辐射时域、频域、空域和强度等参数给出了量值溯源传递图并进行了测量不确定度分析。提出的太赫兹计量方法和标准装置可保障太赫兹技术研究和应用中的量值可靠，也可为其他太赫兹参数的测量提供参考。     

磷化镓高功率太赫兹共线差频源的研究

在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致. 关键词： 太赫兹源 磷化镓 共线差频     

Investigation of copper sulfate pentahydrate dehydration by terahertz time-domain spectroscopy

Copper sulfate pentahydrate is investigated by terahertz time-domain spectroscopy. It is shown that the terahertz absorption coefficients are correlated with the particle size of the samples, as well as the heating rates of the ambient temperature. Furthermore, the water molecules of copper sulfate pentahydrate can be quantitatively characterized due to the high sensitivity of the terahertz wave to water molecules. Based on such results, the status of water incorporated in mineral opal is also characterized using terahertz time-domain spectroscopy. It indicates that terahertz technology can be considered as an efficient method to detect the dehydration of minerals.