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。     

太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用

太赫兹科学技术的良好发展势头已经在医药领域逐渐得到了重视与应用。与红外辐射、核磁共振、X射线、超声波等传统医疗诊断技术相比较,太赫兹电磁波技术具有低能量、高空间分辨率和宽带光谱分析能力等独特优势,从而为人体成像以及太赫兹波与人体组织相互作用研究提供了一种可靠的技术方法;由于太赫兹波的穿透性强,且指纹峰的专属性较高,能够在药物的检测与鉴别等方面发挥重要作用。基于太赫兹波段的以上优异特点,文章在介绍太赫兹光谱与成像技术在生物医学领域中的应用时,重点分析了太赫兹电磁波技术对人体皮肤组织的研究,人体的基因表述,对生物体细胞影响的研究,对癌症和骨头等组织的研究,以及对药物的研究等方面的现状和发展。基于上述的研究进展,文章介绍了太赫兹科学技术在未来的医学领域中面临的挑战,并展望了发展前景。     

牙本质龋的太赫兹成像研究

牙本质龋与牙髓感染状态及活力密切相关,龋损深度则决定临床治疗方案,但目前牙本质龋的检测及诊断方法如：视诊、探诊容易受到主观因素影响;X线辅助检查对龋病灵敏度低等,都有一定缺陷,可靠性及有效性仍有待提高。太赫兹时域光谱可以利用不同的物理参数成像,在牙本质龋在体、无损检测方面有较大应用潜力。为探索牙本质龋损的太赫兹光谱图像开展本研究。实验通过搭建透射、反射式扫描太赫兹平台,对15枚含牙本质龋离体牙磨片扫描,通过数据二维重构,获得了不同参数的太赫兹透射和反射图像,再将太赫兹图像与实验室研究龋病的光镜图像与X线图像对比、拟合并进行光镜下、太赫兹图像下龋损面积评价。结果表明：太赫兹图像与光镜图像相符,较X线图像灵敏度更高。反射模式下由于太赫兹反射信号较弱,使得样品厚度,表面粗糙程度以及系统噪声对实验结果影响较大,图像仅能辨识样本轮廓,不能用于区分牙釉质、牙本质及牙本质龋。透射模式下的频域1.4 THz相位差成像、时域信号最小值对应的时间成像都能区分牙釉质,牙本质和牙本质龋,可以用来鉴别三者,其中最小值对应的时间成像效果最佳。对光镜下测得牙本质龋损面积与太赫兹透射模式下的时域信号最小值对应的时间图...     

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...     

太赫兹科学与技术研究回顾

太赫兹光谱系统利用远红外辐射获得分子的某些光谱信息，这些信息在电磁谱的其他波段中是很难得到的．材料的研究是现代太赫兹系统中的重要的组成部分，一方面因为新的、大功率的太赫兹光源极大地依赖于如量子级联结构一类的新材料；另一方面，太赫兹的光谱和成像技术也为扩展诸如半导体和生物有机分子等材料的应用提供了一个有力的工具．     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

太赫兹雷达技术研究进展

文章介绍了太赫兹技术的发展和研究现状,概述了太赫兹波的主要特性,着重论述并举例分析了太赫兹波在雷达探测系统中的应用。太赫兹雷达具有优越的反隐形能力,很高的距离分辨率,超大信号带宽,较强环境适应能力,低截获率,强抗干扰性和穿透等离子体能力等诸多优点,在军事上有很强的应用前景,对国防和国家安全具有重要的应用价值。     

太赫兹技术在爆炸物检测中的应用

研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。确定了四种爆炸物样品(TNT,RDX,DNT,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。结果表明,这四种爆炸物样品在0~2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。     

太赫兹半导体器件与应用——纪念刘惠春教授

文章是以作者和刘惠春教授多年合作的研究工作为基础写成的,主要内容为太赫兹(THz)半导体器件及其通信和成像应用,以此深切缅怀刘惠春教授。近十年来,THz科学与技术已取得了长足进步,它在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息技术和国防安全等多个领域的应用也已初现端倪。在这些应用中,半导体THz器件的发展起着举足轻重的作用。文章着重介绍了作者近年来在半导体THz器件与应用方面的研究进展,主要内容包括基于负有效质量的电子学THz振荡器、飞秒激光泵浦半导体THz辐射源、基于量子阱子带间跃迁的THz量子级联激光器和THz量子阱探测器,以及基于这些器件的THz无线通信和成像应用研究。此外,文章还对未来THz技术的发展进行了简要的探讨。     

太赫兹半导体器件与应用——纪念刘惠春教授

文章是以作者和刘惠春教授多年合作的研究工作为基础写成的,主要内容为太赫兹(THz)半导体器件及其通信和成像应用,以此深切缅怀刘惠春教授。近十年来,THz科学与技术已取得了长足进步,它在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息技术和国防安全等多个领域的应用也已初现端倪。在这些应用中,半导体THz器件的发展起着举足轻重的作用。文章着重介绍了作者近年来在半导体THz器件与应用方面的研究进展,主要内容包括基于负有效质量的电子学THz振荡器、飞秒激光泵浦半导体THz辐射源、基于量子阱子带间跃迁的THz量子级联激光器和THz量子阱探测器,以及基于这些器件的THz无线通信和成像应用研究。此外,文章还对未来THz技术的发展进行了简要的探讨。     

基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像的实验研究

提出了一种伪色彩太赫兹成像技术. 通过引入频域色彩区间积分, 建立了一套基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像系统, 实验分别研究了乳糖和对氨基苯甲酸两种不同白色化学粉末的伪色彩成像和灰度成像, 研究了不同颜色区间定义对伪色彩图像的影响, 讨论了利用不同频率信息成像系统所能达到的空间分辨率. 研究结果表明, 伪色彩成像技术可以将不同的物质信息同时成像在一张太赫兹图像中, 通过不同物质在太赫兹图像中呈现出的颜色差别来区分不同的物质及其分布. 克服了传统的太赫兹灰度成像技术中, 需要多张图像来区分不同的物质的问题, 提高了成像速度, 降低了筛选难度. 利用高频信息进行伪色彩成像, 可以将系统成像的空间分辨率提高到0.4 mm. 伪色彩成像方式可以更直观快捷地显示样品的基本属性, 对于实现太赫兹安检的初检和快速筛选具有重大的现实意义.     

太赫兹技术在农产品品质检测中的研究进展

农产品质量安全日益受到关注。由于传统检测方法存在耗时长、操作复杂、消耗大量溶剂、成本高等问题,因而迫切需要开发快速无损检测技术。在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间的太赫兹波,因其所处波段的特殊性,使其具有了瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等一系列特性,太赫兹技术可以有效反映有机生物分子的结构和性质,作为物质“指纹”谱,该技术逐渐应用于有机生物分子的定性、定量分析,在近红外光谱、拉曼光谱、X射线等众多光谱类快速无损检测技术中成为一种极具竞争力的新兴检测技术。首先介绍了太赫兹波特点,太赫兹光谱及其成像技术原理;其次,在其基础上总结了太赫兹数据处理一般流程及其主要步骤中的常用分析方法,着重对定量、定性分析步骤中模型搭建方法、评估方法、评估指标进行了阐述;再次,讨论了近几年来太赫兹技术在农产品品质检测中的几个关键领域应用和研究进展,具体包括农药残留、抗生素、毒素等微量有害物质检测,掺假、转基因和外源异物的鉴别以及农产品内部营养成分含量预测等;最后,系统探讨了太赫兹技术在农产品品质检测领域尚需解决的问题,以此为导向总结需要进一步加强的研究方向,并对太赫兹技术在农产品品质领域未来发展作出展望。已有研究文献表明太赫兹技术在农产品品质检测领域的有效性。尤其,对非极性物质不敏感的特性,使其对已包装农产品的品质检测与评估具有得天独厚的优势。随着机器学习、强化学习等信息科学技术发展,一方面进一步加强太赫兹数据分析技术研究,通过数据自主学习,从数据角度揭示科学规律,构建精度更高、运算开销更小、实时性更强、泛化能力更好的分析模型;另一方面从分子振动理论出发,结合化学、物理学知识,研究太赫兹光谱特性的形成机理,并将获取的先验知识应用于分析模型的构建,通过数据与机理二者有机结合,提高太赫兹光谱分析软实力。未来硬件系统开发上以便携、低成本、灵敏度高为目标,最终实现太赫兹技术应用从实验室研究阶段逐渐走向商用工程化应用。     

太赫兹技术用于关节软骨检测的研究进展

骨关节炎是主要由软骨组织损伤与退化引起的常见关节疾病,是影响人类健康的重大疾病之一,对于关节软骨组织早期病变的检测可以大大提高疾病的治愈率,然而相关的临床诊断技术尚未发现。近年来,太赫兹技术在医学领域日益受到关注。与传统方法相比,太赫兹辐射能量低,不会产生电离辐射,可高灵敏、无损伤地对生物组织进行成像检测,因此在关节软骨诊断方面具有较大的应用潜力。本文简要介绍了关节软骨的生理与病理情况以及目前关节软骨检测的主要方法,重点总结了太赫兹技术应用于关节软骨检测方面的相关研究工作,分别包括对动物与人类关节软骨的检测,探讨了太赫兹技术在关节软骨检测中所面临的挑战与未来研究展望。     

太赫兹波段超材料在生物传感器的应用研究进展

超材料对电磁场的局域增强以及对周围环境的介电性质敏感等特性,可用于无标记生物检测,因而越来越受到国内外的学术关注,特别是太赫兹波段的超材料生物传感器。总结了近年来太赫兹波段超材料在生物传感器方面取得的进展。首先介绍了超材料生物传感器的基本原理,接着分析和讨论了衬底材料和厚度的选择、超材料结构对传感器灵敏度的影响。分析表明,通过优化结构、采用低介电常数和损耗低的薄衬底,能进一步提高生物传感器的灵敏度, 并且多种物质在太赫兹波段都有直接的电磁响应特征,因此利用太赫兹波段超材料实现无标记生物检测具有很大的应用潜力。最后初步探讨了该生物传感器的发展趋势与前景。     

生物基底材料的超宽频带太赫兹光谱研究

作为一种新兴的方式,太赫兹时域光谱和成像已经被广泛应用到研究不同生物组织的光学特性。在空气等离子体处施加偏置电场对太赫兹波脉冲进行外差式相干检测(air-biased-coherent-detection,ABCD)的太赫兹系统具有超宽频带和可以在较远距离进行成像的优点,十分适用于对生物组织进行超宽谱研究,而对生物组织进行光谱测量通常需要基底材料。利用太赫兹ABCD系统对四种典型的基底材料(石英,高密度聚乙烯,聚四氟乙烯和石蜡)的光学参数进行测定,并计算其在1~15THz频率范围内的吸收系数和折射率。结果表明,高密度聚乙烯和石蜡可以很好的被用作生物组织超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。同时,虽然石英和聚四氟乙烯都是窄带(0.1~3THz)太赫兹系统中常用的基底材料,但是由于它们在高于5THz的频率范围内对太赫兹波具有较强的吸收,所以不能用作超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。     

太赫兹超分辨近场成像方法研究综述

受衍射极限的限制,传统太赫兹成像分辨率在毫米量级,无法满足目前前沿研究向微纳米尺度发展的主要趋势。高时空分辨率太赫兹成像技术成为当下太赫兹领域最重要的研究热点之一。近场太赫兹成像技术是实验中将太赫兹成像分辨率提升至微纳米量级的重要方法。介绍了近场太赫兹成像技术的基本原理,详述了多种近场太赫兹成像技术的发展历程与技术路线,从时空分辨能力、频谱分辨能力、成像质量、成像信噪比和适用场景等多个角度分析并总结了各种近场太赫兹成像技术的优势和不足。最后,讨论并展望了太赫兹超分辨成像未来的发展趋势。     

应用太赫兹焦平面成像方法研究氧化镁晶体在太赫兹波段的双折射特性

高效可集成太赫兹波片和偏振片是重要的太赫兹光学元器件.由传统的石英晶体及液晶等材料制作的太赫兹波片和偏振片由于其对太赫兹光响应度低并难于集成而难以应用于太赫兹集成光学领域.为了寻找用以制备高效可集成太赫兹偏振元件的材料,本工作应用太赫兹焦平面成像方法研究了晶向的氧化镁晶体对太赫兹波段圆偏振光偏振态的影响.通过实验观察到氧化镁晶体可以使入射的圆偏振光转化成为线偏振光.为了进一步验证氧化镁晶体对太赫兹光相位的影响,还应用透射式太赫兹时域光谱系统测量了氧化镁晶体在太赫兹波段的寻常光和非寻常光的折射率.通过对比氧化镁晶体中寻常光和非寻常光的位相差,证明氧化镁晶体在太赫兹焦平面成像实验中起到了1/4波片的作用.这一结果表明氧化镁晶体是一种制备太赫兹频段可集成波片及其相关偏振器件的重要材料.     

小波变换在太赫兹时域光谱分析中的应用

随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时,样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在0.2～1.9太赫兹波段的光谱,并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考,利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理,消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响,实验结果证明了该方法的可行性,在此基础上,还对其中四种样品做了成像和识别,并得到了较好的结果。     

太赫兹实时近场光谱成像研究

太赫兹成像在生物医学领域的应用潜力非常大,针对这个需求,本文设计并搭建了一种利用光整流和波前倾斜技术产生强场太赫兹信号以及基于电光探测的实时太赫兹(terahertz, THz)近场光谱成像系统.该系统可以进行大视场THz成像和紧聚焦THz成像的切换使用,为实现系统集成化应用提供了方法.并且由于成像是基于传统的太赫兹时域光谱方法,可以同时获得样品图像光谱幅度和相位信息,光谱分辨率约15 GHz.利用该系统测量研究了一系列微纳加工的样品,对成像系统的性能进行了分析.结果表明,该实时太赫兹近场光谱成像系统在空间分辨率和成像速度上的优越性,在1024×512的像素下,实时成像帧率高达20 f/s(1200张/min).在大视场THz成像下,空间最优分辨率在1.5 THz达λ/4;在紧聚焦THz成像下,空间最优分辨率在0.82 THz达λ/12,这些性能使该系统在生物医学成像、生物效应等方面具有很好的应用场景.     

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。