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.     

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。     

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。     

基于太赫兹技术的植物叶片水分检测初步研究

叶片含水量是植物健康状况的重要衡量指标之一。太赫兹波处于红外和微波之间,对样品水分变化非常敏感,当太赫兹光谱穿透含水丰富的叶片时,叶片中水分等物质能对太赫兹光谱产生强烈的吸收,根据叶片不同位置处水分含量的不同,能利用太赫兹光谱技术对植物叶片进行成像。本研究利用太赫兹技术检测植物叶片的水分含量,初步探讨植物叶片中水分和太赫兹成像的相关关系。实验采集离体绿萝叶片,每隔一定时间通过太赫兹光谱仪对叶片逐点扫描,获取叶片每一点的太赫兹时域光谱数据,经过傅里叶变换得到对应频域光谱,提取时域幅值的光谱参数以及特定频域光谱,对植物叶片图像进行重构,获取植物叶片的二维图像。结果表明,不同频率下,绿萝离体叶片的太赫兹二维图像呈现明显差异,叶肉与叶脉中水分含量不同,对太赫兹波的吸收也不同,根据图像,能清晰显示植物叶片叶肉与叶脉部位的水分含量差异。通过叶片时域幅值的平均值、叶片频域平均值与叶片水分含量建立相应的回归模型,时域最小幅值光谱与水分含量建立的最佳模型预测相关性达0.989 1,预测均方根误差为0.024 4 g。研究表明太赫兹技术用于植物叶片的水分含量检测具有较好的研究潜力。     

黄曲霉毒素的太赫兹检测研究

为了探索能够快速简便、特异敏感的黄曲霉毒素检测方法,应用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术获得了黄曲霉毒素B1和M1在0．3～2．1THz范围内的吸收光谱,实验结果显示它们在测量波段范围表现出不同的吸收位置和吸收强度,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。黄曲霉毒素在THz波段的指纹谱的测定显示出太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于黄曲霉毒素结构和功能研究的潜力,并为此技术应用于食品中黄曲霉毒素的检测奠定了基础。     

使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因

太赫兹脉冲成像技术被应用于航天飞机隔热层泡沫材料中缺陷的探测．通过对泡沫样品的各个层面进行逐点扫描，得到每个点太赫兹脉冲的时域波形，然后利用多种图像处理手段分析波形的变化，判断出不同层面缺陷的大小、形状、位置和种类．太赫兹成像技术作为一种可以提供多维信息的新兴无损探伤技术，将可能被美国宇航局应用到以后的发射过程中的安全检查中。     

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。     

黄曲霉毒素的太赫兹检测研究

为了探索能够快速简便、特异敏感的黄曲霉毒素检测方法,应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术获得了黄曲霉毒素B1和M1在0.3~2.1 THz范围内的吸收光谱,实验结果显示它们在测量波段范围表现出不同的吸收位置和吸收强度,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。黄曲霉毒素在THz波段的指纹谱的测定显示出太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于黄曲霉毒素结构和功能研究的潜力,并为此技术应用于食品中黄曲霉毒素的检测奠定了基础。     

基于平均吸收的太赫兹波振幅成像研究

提出了一种基于一定频率内平均吸收的太赫兹(THz)波振幅成像新方法。太赫兹波频率在0.1～10 THz之间,波段位于红外和微波之间。太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大,如何对每个样品点的大量信息进行处理提取有用信息重构出样品的图像是一项关键技术。选用中间挖空有“THz”字样的白纸为样品作太赫兹波成像研究,首先探讨了时域和频域上几种常用太赫兹波振幅成像方法所反映的样品信息及其特点,进一步使用提出的基于一定频率内平均吸收的太赫兹波振幅成像新方法对样品进行图像重构。实验结果表明这种新方法可以很好的反映样品的真实信息,反映了样品在一定频率范围内由于吸收而引起的效果的综合,与吸收系数和厚度相关,离散效应得到了很好的消除,相对几种常用的太赫兹波振幅成像方法能够得到更清晰的图像。此新方法尤其适用于结构简单的样品,能够成为几种常用振幅成像方法的有力补充。     

太赫兹波段金属线栅的紫外光控特性研究

基于氧化铟纳米薄膜及金属线栅的特性,利用紫外激光诱导以金属线栅为衬底的氧化铟纳米结构,研究其对于太赫兹偏振透射的调制特性。实验中在金属线栅上滴入溶于乙醇的氧化铟溶液,并使溶液恰好浸润在金属线栅缝隙中,同时将加热台的温度调至340 ℃,对金属线栅中的氧化铟进行热退火。结果表明,氧化铟-金属线栅线长方向与太赫兹电场偏振方向垂直时,在低强度紫外光的照射下,该样品对太赫兹的透射强度有较为明显的衰减,当紫外光功率密度为7 mW·cm-2时,样品对太赫兹的调制深度可达71%;当氧化铟-金属线栅线长方向与太赫兹电场偏振方向平行时,紫外光激发下的样品对太赫兹的调制效果明显减弱,当紫外光功率密度为7 mW·cm-2时,调制深度约为20%。氧化铟纳米薄膜中存在的氧空位,使该材料对紫外光具有特殊响应。在无紫外光照射下,样品环境中的氧气分子被吸附到氧化铟表面,由于化学反应生成O2-离子态。当用光子能量大于氧化铟禁带宽度的紫外光激发样品时,在氧化铟表面激发出电子空穴对,空穴会被氧化铟表面的O2-离子态和缺陷态束缚,从而释放电子到导带,增强了样品的电导率。在太赫兹波频段内,透过氧化铟样品的太赫兹强度与氧化铟电导率有很好的相关性。金属线栅利用金属表面可存在的自由电子的振荡, 使电场方向与线栅方向平行的太赫兹偏振光激发电子沿线栅方向振荡,当电子与金属晶格中的原子碰撞时,此偏振光发生衰减并伴随辐射;而电场方向与线栅方向垂直的太赫兹偏振光,由于周期性结构的限制,无法激发自由电子振荡, 主要表现出透射特性。结合氧化铟的表面缺陷特性,紫外光可实现作为氧化铟-金属线栅结构的光控偏振开关作用,氧化铟-金属线栅结构偏振器能很好地应用于太赫兹波频段的光控偏振调制。     

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。     

基于太赫兹时域光谱技术的诺氟沙星浓度检测研究

畜禽养殖中抗生素的不合理使用导致畜禽产品中抗生素残留问题时有发生,进而通过食物链影响食品安全,威胁人类健康.准确、快速检测出抗生素药物的含量对保障食品安全具有重要意义.以残留较为常见的喹诺酮类诺氟沙星抗菌药为研究对象,开展基于太赫兹光谱技术的诺氟沙星较大梯度和较小梯度的全浓度含量检测研究.在较大梯度诺氟沙星样本中,首先...     

主要抗生素的太赫兹光谱检测与分析研究进展

抗生素具有治疗各种细菌感染或致病微生物感染类疾病的作用,获得主要抗生素的吸收特性可对抗生素添加进行有效的定性定量监测和控制,在医药、畜牧和水产业等领域都有重要意义和使用价值。太赫兹光谱技术作为一种无损、高效、便捷的新型光谱探测技术,在国防安全、信息通信、材料、环境生物医学、农业和食品安全等领域有良好的应用前景。文章介绍了太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)检测系统的组成结构和工作原理,综述了现阶段太赫兹时域光谱技术在常用抗生素方面检测与分析的主要研究进展,重点归纳了β-内酞胺类、氨基糖苷类、四环素类、喹诺酮类、大环内脂类和磺胺类等主要抗生素的太赫兹定性识别与定量分析研究,给出了太赫兹时域光谱技术在主要抗生素检测方面的研究潜力和存在问题,为太赫兹技术未来用于主要抗生素定性定量快速检测仪器设备研发提供参考。     

二维透射式Terahertz波时域谱成像研究

通过THz(Terahertz)波的相位信息和振幅信息来解析出样品某些可用于成像的参量;并且对THz波相位信息成像和振幅信息成像进行了比较.结果显示：当样品对THz波的吸收比较小时,利用THz波的相位信息进行成像比通过振幅信息进行成像质量要好一些;时域谱峰值位置的漂移会对相位信息成像产生较大的影响.实验中发现输出光谱中出现了劈裂现象,即由输入的单峰变成了双峰.分析表明,这一现象是由样品内部厚度或折射率突变导致的,该现象可用于THz波轮廓成像研究.     

基于太赫兹时域光谱的食用油过氧化值定量分析研究

针对目前太赫兹光谱技术在食用油品质检测方面存在定性多、定量难的问题,提出一种基于衰减全反射(ATR)式太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术的食用油过氧化值定量分析方法.首先采集不同种类、不同氧化程度食用油样本的太赫兹时域光谱图,筛选有效信号波段并提取得到光学常数,经预处理算法校正后的光学常数,结合多种化学计量学方法建立...     

基于太赫兹光谱技术的D-无水葡萄糖定性定量分析研究

葡萄糖是生命活动中重要的有机分子,研究葡萄糖在太赫兹波段的吸收特性并开展定性定量分析研究具有重要意义。太赫兹光谱对大分子物质具有特异性,当光谱穿透生物大分子时,由于分子间作用力和分子转动振动等因素影响,会产生太赫兹光谱下的特征指纹峰,不同大分子物质的指纹峰具有特异性,利用这一特征可以对不同大分子物质进行鉴别。本研究选取D-无水葡萄糖为研究对象,首先运用太赫兹时域光谱技术测量得到葡萄糖样品的时域光谱,测得的时域光谱经过傅里叶变换得到频域光谱,再采用Dorney和Duvillaret方法计算得到吸收系数,研究样品的吸收特性,然后开展了数学建模研究并建立了D-无水葡萄糖含量与太赫兹光谱的定量预测数学模型。研究结果表明,D-无水葡萄糖在太赫兹波段呈现明显的吸收特性,比较多元线性回归与偏最小二乘方法建立的回归模型,通过多元线性回归对样品的特征指纹峰建立的回归模型,得到的预测模型精度较高,稳定性较好,模型的校正集相关系数达0.977 2,均方根误差为0.061 6,预测集相关系数为0.992 7,预测均方根误差为0.055 2,从而太赫兹时域光谱技术可用于有效开展D-无水葡萄糖定性定量研究,该研究为运用太赫兹光谱技术手段开展果蔬、食品、药品中葡萄糖含量快速检测提供方法参考。     

Terahertz spectroscopy and imaging – Modern techniques and applications

Over the past three decades a new spectroscopic technique with unique possibilities has emerged. Based on coherent and time‐resolved detection of the electric field of ultrashort radiation bursts in the far‐infrared, this technique has become known as terahertz time‐domain spectroscopy (THz‐TDS). In this review article the authors describe the technique in its various implementations for static and time‐resolved spectroscopy, and illustrate the performance of the technique with recent examples from solid‐state physics and physical chemistry as well as aqueous chemistry. Examples from other fields of research, where THz spectroscopic techniques have proven to be useful research tools, and the potential for industrial applications of THz spectroscopic and imaging techniques are discussed.