THz技術(shù)及其應(yīng)用

太赫茲(THz)波及其應(yīng)用2016.4.12光學(xué)前沿2021/6/271(三)THz波的產(chǎn)生與探測(cè)(四)THz波的應(yīng)用(一)什么是THz波？(二)THz波的主要特征內(nèi)容概要(五)THz波最新研究熱點(diǎn)2021/6/272(一)什么是THz波?2021/6/273THz在電磁波譜中的位置THz波(Ｔ射線(xiàn))通常指的是頻率在0.1THz～10THz(波長(zhǎng)在3mｍ～30μｍ)之間的電磁波，其波段在微波和紅外光之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段，此波段是人們所剩的最后一個(gè)未被開(kāi)發(fā)的波段。RadioMicrowaveT-raysInfraredUVX-raysFrequency(Hz)108109101010111012101310141015101610172021/6/274THz波具有波的特性:衍射和干涉T-ray塑料板上的單孔2021/6/2750120121THz1.5THz0120122THz012012cm0.5THz012012cmcmcm單孔衍射(f=1.8mm)2021/6/276楊氏干涉實(shí)驗(yàn)T-ray雙縫干涉Time(ps)X(mm)1002001427空間相干2021/6/2771.5THz

0.5THz2THz

1THzT-射線(xiàn)的干涉圖樣2021/6/278(二)THz波的主要特征2021/6/279THz波的幾個(gè)主要特性（一）相干性THz技術(shù)是相干測(cè)量技術(shù)。能夠直接測(cè)量電場(chǎng)振幅和相位，可以方便地提取樣品的折射率、吸收系數(shù).（二）低能性(4.1meV～1THz)X-射線(xiàn)~30kev相差7個(gè)數(shù)量級(jí)!!2021/6/2710（四）大多數(shù)極性分子如水分子，對(duì)THz輻射有強(qiáng)烈的吸收。

（三）THz輻射對(duì)于很多非極性物質(zhì)，如電介質(zhì)材料及塑料、紙箱、布料等包裝材料有很強(qiáng)的穿透力,可用來(lái)對(duì)已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于安全檢查。在THz成像技術(shù)中，可以利用對(duì)水的強(qiáng)烈吸收特性分辨生物組織的不同狀態(tài)，如對(duì)人體燒傷部位的損傷程度進(jìn)行診斷，還可以進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，如測(cè)量食品表面水分含量以確定其新鮮程度。2021/6/2711樹(shù)葉新鮮2天后THz成像實(shí)例THz局限性？2021/6/2712（五）瞬態(tài)性：

THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級(jí)，通過(guò)電光取樣測(cè)量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。在小于3THz時(shí)信噪比高達(dá)104:1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，而且其穩(wěn)定性更好。

（六）寬帶性：

THz脈沖光源通常包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz至幾十THz的范圍，便于在大的范圍里分析物質(zhì)的光譜性質(zhì)。

2021/6/2713(三)THz波的產(chǎn)生與探測(cè)2021/6/2714

THz波的產(chǎn)生與探測(cè)常用的兩種產(chǎn)生方法：光電導(dǎo)天線(xiàn)的方法光整流的方法光導(dǎo)天線(xiàn)的方法電光取樣的方法常用的兩種探測(cè)方法：2021/6/2715在光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料表面淀積上金屬電極制成偶極天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，金屬電極在這里的作用是對(duì)這些光電導(dǎo)半導(dǎo)體施加偏壓。當(dāng)超快（飛秒量級(jí)）激光打在兩電極之間的光電導(dǎo)材料上時(shí)，會(huì)在其表面瞬間產(chǎn)生大量的電子－空穴對(duì)。這些光生自由載流子會(huì)在外加偏置電場(chǎng)和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下作加速運(yùn)動(dòng)，從而在光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料的表面形成瞬變的光電流。最終這種快速的、隨時(shí)間變化的電流會(huì)向外輻射出太赫茲脈沖。光電導(dǎo)天線(xiàn)的基本原理2021/6/2716光導(dǎo)天線(xiàn)的探測(cè)方法將一個(gè)未加偏置電壓的光導(dǎo)天線(xiàn)放置于太赫茲光路之中，用一束探測(cè)脈沖打到光電導(dǎo)介質(zhì)上，這時(shí)在介質(zhì)中能夠產(chǎn)生出電子-空穴對(duì)（自由載流子），而此時(shí)同步到達(dá)的太赫茲脈沖則作為加在光導(dǎo)天線(xiàn)上的偏置電壓，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)那些載流子運(yùn)動(dòng)，從而在光導(dǎo)天線(xiàn)中形成光電流（攜帶太赫茲信號(hào)）。然后，用一個(gè)與光導(dǎo)天線(xiàn)相連的電流表來(lái)探測(cè)這個(gè)電流即可。其中，這個(gè)光電流與THz瞬時(shí)電場(chǎng)是成正比的。2021/6/2717GrischkowskyAntennaResonantdipoleantennaisfabricatedonasemiconductorwafer(suchaslowtemperaturegrownGaAs)withaveryshortcarrierlifetime(<1ps).EmitterElaserpulseVReceiverlaserpulseEATHzfield2021/6/2718Time(ps)THz時(shí)域波形Field(a.u)2021/6/2719時(shí)域譜向頻域譜的轉(zhuǎn)換TimeDomainEref(t),Es(t)FrequencyDomainAref(ω),As(ω)FFT2021/6/2720

(四)THz波的應(yīng)用2021/6/2721THz輻射主要應(yīng)用領(lǐng)域安全檢查生物醫(yī)學(xué)

無(wú)損檢測(cè)

空間物理和天文學(xué)

環(huán)境監(jiān)測(cè)

化學(xué)分析

軍事和通信領(lǐng)域等

2021/6/2722一、THz在國(guó)家安全、反恐方面的應(yīng)用

由于THz波對(duì)衣物、塑料、陶瓷、硅片、紙張和干木材等一系列物質(zhì)具有較好的穿透性能；而且能夠根據(jù)物質(zhì)的THz“指紋譜”，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，所以在毒品、化學(xué)生物危險(xiǎn)品和武器等的非接觸安全檢測(cè)、郵件隱藏物的非接觸檢測(cè)等方面受到了反恐、保安和海關(guān)檢查等部門(mén)的高度重視。2021/6/2723報(bào)紙

尖刀!!1.THz在安全檢查上的應(yīng)用2021/6/2724THz在安全檢查上的應(yīng)用T-射線(xiàn)收發(fā)器當(dāng)警察需要從屋外確知人質(zhì)、恐怖分子和武器的詳細(xì)位置和狀況的時(shí)候，我們可否使用THz收發(fā)器來(lái)幫忙?恐怖分子人質(zhì)2021/6/2725以氯胺酮為例的THz光譜測(cè)量結(jié)果測(cè)量環(huán)境：充氮?dú)夂螅瑴y(cè)量系統(tǒng)濕度低于4%，溫度為室溫2.THz在毒品檢測(cè)中的應(yīng)用俗稱(chēng)“K粉”毒品的THz“指紋譜”2021/6/2726黃色為MDMA,藍(lán)色為阿司匹林,紅色為MAOPTICSEXPRESS.11,2549-2554(2003)毒品成像檢測(cè)法空間圖樣分析法2021/6/2727USdataJapanesedataUK0.51.01.52.02.5012341.971.450.82RDXAbsorbance(a.u.)Frequency(THz)China3.THz在爆炸物檢測(cè)中的應(yīng)用爆炸物的THz“指紋譜”2021/6/27282021/6/2729bipodThistragedyisduetoaninsulationfoamontheshuttle’sfueltankdetachedandstruckthewinguponlift-off.Defectsinthefoaminsulationlikelycausedthematerialtodetach.SpaceShuttleColumbiaTragedy,Feb.1,2003二.THz在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用2021/6/2730航天器泡沫材料的無(wú)損檢測(cè)2’49of57defectsweredetected2021/6/2731不同廠家卡馬西平藥及其有效成分的太赫茲光譜比較不同廠家卡馬西平藥(a)以及其有效成分純卡馬西平(b)在0.2~2.6THz范圍的吸收光譜有效成分含量約：59%意義：1、不同類(lèi)型藥物的鑒定

2、同類(lèi)藥物不同廠家的鑒定

3、對(duì)于有效成分含量較高的還可以進(jìn)行定量計(jì)算廠家：上海復(fù)旦復(fù)華制藥廠和上海三維制藥廠

藥物的分析和無(wú)損鑒別2021/6/2732三.在醫(yī)學(xué)成像、診斷上的特殊作用●

MR,CT在醫(yī)學(xué)成像中發(fā)揮很大的作用，但有局限性?！?/p>

CT均采用離子化輻射，可能會(huì)引起別的疾病;●MR和CT不能對(duì)骨頭成像?！?/p>

T-ray成像可能解決上述問(wèn)題：THz與X-ray的最大區(qū)別在于，它在遠(yuǎn)紅外區(qū)，光子能量比X-ray小約百萬(wàn)倍，沒(méi)有離子化輻射問(wèn)題；它很少散射，使成像很簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行散射校正。THz–ray在成像中的最重要的特性是，在THz–ray作用下，不同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料確定，用于診斷疾病和癌疹的早期發(fā)現(xiàn)。THz–ray可用于計(jì)算機(jī)照相，THz–rayCT可獲得三維分子或化學(xué)的圖象，其分辨率可達(dá)um量級(jí)。2021/6/2733THz在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用肺癌乳腺癌牙齒2021/6/273443210電光信號(hào)(nA)403020100TimeDelay(ps)

癌變組織

正常組織

THz

成像標(biāo)準(zhǔn)照片THz

波形腫瘤THz乳腺腫瘤(模型)成像癌變組織和正常組織的THz波具有不同的振幅，波形和時(shí)間延遲，我們可以從中得到腫瘤的大小和形狀。THzappliedtocancerdiagnosis2021/6/2735Ugly:PrivacyIssue?Tray-成像2021/6/2736ImagesofaComputer,aLady’sbag,aSuitcase四.其它應(yīng)用舉例2021/6/2737CountingPageswithaTHzPulse2021/6/2738THzImageofaRacquetballRacketinaBag0.6THzimage2021/6/27392021/6/2740

常規(guī)法成像結(jié)果THz波成像結(jié)果低能見(jiàn)度環(huán)境下的成像2021/6/2741(五)THz波最新研究熱點(diǎn)2021/6/2742

ActivecontrolofelectromagneticallyinducedtransparencyanalogueinterahertzmetamaterialsNaturecommunications3(2012):1151.20