生物医学检测中太赫兹光谱技术的算法研究

基于太赫兹波的非电离、非侵入性、高穿透性、高分辨率和光谱指纹特征,太赫兹光谱技术在生物医学领域具有巨大潜力。基于太赫兹光谱技术和不同的分析算法,不同研究小组实现了对混合物样品的定性、定量识别。然而,实际的生物混合物样品中通常包含水在内的不同成分,进而导致光谱的信噪比较差,导致最终的光谱分析结果误差较大。对于此类问题,降噪算法和重构算法是比较有效的解决办法。这些算法通过去除光谱数据中的无效信息或提取其中的有效信息来达到提高光谱信噪比的目的,最终结合分析算法实现对生物样本的高精度定性和定量识别。本文对近五年来应用于太赫兹光谱技术中的主要算法进行了归纳介绍,并总结了它们的优势和缺点。     

基于太赫兹技术的药物检测

鉴于太赫兹辐射特有的光谱分辨性、功能性成像特点以及良好的穿透性和安全性等,太赫兹波谱技术迅速成为物质分析与检测等的重要工具。文章基于太赫兹时域光谱技术的实验数据,结合泛函密度理论(DFT)和HIPHOP模型,对一系列降糖类药物进行分子解析和功能基团识别;结合支持向量机理论(SVM),对4种郁金类中草药进行分析识别;并结合差式扫描量热法对葡萄糖-水合物的结晶水状态进行测定;最后对太赫兹时域技术在药物检测方面的优势和不足做了进一步的分析与展望。     

Investigation of the limit of lateral beam shifts on a symmetrical metal-cladding waveguide

This paper reports that Goos--H\"anchen (GH) shifts occurring on a symmetrical metal-cladding waveguide are experimentally identified. It was found that there exists a critical thickness of the upper metal layer, h_cr, above which negative shift is observed and, reversely, positive shift occurs. Both positive and negative GH shifts near the critical thickness do not vary dramatically and can achieve a maximum on the submillimeter scale, which is different from simulated results using the stationary-phase method. It also shows that this critical thickness, h_cr, can be obtained at the position for zero reflectivity by setting the intrinsic damping to be the same as the radiative damping. The GH effects observed near the critical thickness are produced by extreme distortion of the reflected beam profiles, which limits the amplitude of the GH shift and, further, the sensitivity of the GH optical sensor based on the symmetrical metal-cladding waveguide.     

超低温高电场下GaAs的电子太赫兹功耗谱的研究

利用自由空间太赫兹电光取样方法,测量了在高电场下,GaAs中受飞秒激光脉冲激发的电子所辐射出的太赫兹电磁波,发现从样品中辐射出的和电子加速度成正比的太赫兹电磁波电场强度E_THz（t）,表现出双极特性.通过分析GaAs中辐射出的太赫兹电磁波的傅里叶变换谱,首次实验上得到在阶跃电场下的GaAs的电子太赫兹功耗谱.研究发现,当电场小于50 kV/cm时,由电子谷间散射引起的负功耗（即增益）的截止频率ν_c,随着电场的增大而增大;当电场大于50 kV/cm时,负功耗的截止频率ν_c开始在750 GHz（10 K）附近饱和. 关键词： 太赫兹 非平衡载流子 功耗谱 谷间散射     

不同周期数牛眼结构对基于伪表面等离子激发的太赫兹透射的影响

为研究不同周期数的牛眼结构对太赫兹透射的影响,本文利用微机械加工方法,在铝板上分别制作5个圆环凹槽和15个圆环凹槽两种牛眼结构,并利用时域太赫兹波谱系统,对比了这两种不同周期数的牛眼结构的太赫兹时域信号和频域信号.实验结果显示,0.1~2.7THz宽频太赫兹参考信号可以被两种不同周期数的牛眼结构滤成窄带信号,中心峰值均在约0.53THz处,在该值处,5个圆环凹槽的透射率约为55.7%,15个圆环凹槽的透射率约为68.3%,1THz以上高频信号都被基本滤除,小周期数样品与大周期数样品太赫兹透射谱信号带宽与幅值的差别主要是由于周期性展开不足及边缘泄漏所引起.本文利用伪表面等离子理论解释了滤波效果,并通过有限元方法模拟仿真了宽频太赫兹信号通过不同周期数的牛眼结构后的样品信号,模拟结果与实验结果符合得较好,证实了不同周期数的牛眼结构对太赫兹电磁波的增透效应是不同的.     

不同周期数牛眼结构对基于伪表面等离子激发的太赫兹透射的影响

为研究不同周期数的牛眼结构对太赫兹透射的影响,本文利用微机械加工方法,在铝板上分别制作5个圆环凹槽和15个圆环凹槽两种牛眼结构,并利用时域太赫兹波谱系统,对比了这两种不同周期数的牛眼结构的太赫兹时域信号和频域信号.实验结果显示,0.1～2.7THz宽频太赫兹参考信号可以被两种不同周期数的牛眼结构滤成窄带信号,中心峰值均在约0.53THz处,在该值处,5个圆环凹槽的透射率约为55.7%,15个圆环凹槽的透射率约为68.3%,1THz以上高频信号都被基本滤除,小周期数样品与大周期数样品太赫兹透射谱信号带宽与幅值的差别主要是由于周期性展开不足及边缘泄漏所引起.本文利用伪表面等离子理论解释了滤波效果,并通过有限元方法模拟仿真了宽频太赫兹信号通过不同周期数的牛眼结构后的样品信号,模拟结果与实验结果符合得较好,证实了不同周期数的牛眼结构对太赫兹电磁波的增透效应是不同的.     

Terahertz electromagnetic waves emitted from semiconductor investigated using terahertz time domain spectroscopy

Ultrafast electromagnetic waves radiated from semiconductor material under high electric fields and photoexcited by femtosecond laser pulses have been recorded by using terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS).The waveforms of these electromagnetic waves reflect the dynamics of the photoexcited carriers in the semiconductor material,thus,THz-TDS provides a unique opportunity to observe directly the temporal and spatial evolutions of non-equilibrium transport of carriers within sub-picosecond time scale....     

飞秒激光烧蚀硅表面产生微纳结构过程中激光脉冲数目的影响

为了研究飞秒激光脉冲数目与硅表面形貌之间的关系,在相同的SF6气体氛围下,改变照射硅表面的飞秒激光脉冲数,发现在飞秒激光照射下由硅表面形成的微型锥状尖峰的高度与飞秒激光脉冲数呈现一种非线性关系.通过对该关系的研究有利于找出在制造具有较高吸收效率的高微型锥状尖峰的"黑硅"的实验条件,有利于基于"黑硅"材料的光电器件转化效...     

室内人体隐匿物被动太赫兹成像研究进展

太赫兹波由于其极低的光子能量和对非极性物质较强的穿透特性已成为人体隐匿物检测应用的热点。本文以室内人体隐匿物品探测为主要应用背景,简要介绍了太赫兹波段的大气传播特性;重点分析了基于辐射检测的室内被动太赫兹成像原理和系统的关键技术,包括辐射计和阵列扫描方式等;回顾了国内外被动太赫兹成像技术在人体安检领域的研究现状。综合考虑系统成本和成像时间,一定数量的高灵敏度辐射计加上扫描机构成像的方式在未来很长一段时间里将是被动太赫兹成像系统的主流方式。