太赫兹_THz_成像的进展概况
第
卷
第月
‘
期
量子
电
子
学
报
工
、年
文章编
号一
一
一
赫太
兹 蕾
,张
成像 的
展进概 况
新徐龙
,
,
福利
李
。
‘ 都师首范 大 学物 理
系北
京 中国科院学物 研理 究所光物 开理 放 实 室验
。
京
北
。摘
要
评
述 太了 兹射 赫成像线的 进展 情况 ,
太赫兹
辐 射介 微波于和 红外 之 间
,与微波 ,
、
射
线、
核 磁共振 微波和
成
相像比 赫兹太 成像 仅 不能给 出物 体的 度 信密 息 而且 能给 频出 域率 信的息 以及 在光 频
、
射线范 围 内 不 所给能出的材 料 转的动 ,
、
动振 信 太息赫 射兹线 其与他频 段 的 电波相 比
磁,
,
它
量低
能。
,
不 造会 成对 物 生样 品的 电离损 伤 太兹赫 成 技像术 在 生 学
、
物而
太赫 且兹 射很 容线易 穿过介电 料材
因而 可 以于用产 品 的 安 全 监测
因。此
工安业 监 全测等方 面 有 能带 来可新 关 键的性 的 突 破实 时成 像
关
词键
太
赫成 像 兹 扫描成像
近成场
像赫太
兹
中图分 类号
献文标码
识
引言
辐 通 常射指的 是 波 长在
户 、,
区
间远 红的外 磁 辐 电
,
射,
其
段位 波
微波和于红 外 间
。
之
在 二十世 纪 ,
代 中期 年以
前
于由缺 乏 有 效的产 生 和 检 方法
测空
,
隙人 们对
于 波 该段电磁
辐射性 的 了 质解 非常 限
有以
该致波 段被称为 电磁 波 谱 中
的。
波段该也 是电磁 谱 波中 有 待 行进为
。
全
面 究研 最 的后一 频 个 率 口窗
近
几 年 来十超 快 激 光技术 的 迅发速展
、
,
脉 , 冲的 产 提生 供了 定
、
可靠稳的 激 发 源光泛 的关 注移 动通 讯,
使
,
辐 射的 机 研 究理
检
测 技 术和 应用 技术 得 蓬到发勃 展,
技
术 之 以 引所起广
、
是 由于 赫太兹 电 磁 波有其 特 的 独 点
特 它 在体 成物
像
、
环 监 境测
、
医
诊疗
断射
电天文
。
、带宽
、
尤
其 在 是卫星 通 讯 和军 用 雷 等方 达面 有具 大重的 科 学 价 值 和 广 阔的应 用前景 、
见 可
光射线
、
子电束
、
中
红 近 红 外外和 声波是 在超 学医诊 断
、。
、
料材分 析 以 工 业 及 产生等 诸多
领域 中
广 应泛 用的 主成要像 号信 效源果。
与
以 的上 源光 相
,比
太
兹 电赫磁波 对 某 于些 电介质 料 材 有具 很强 的穿 透,
除 了测可 量材由 料吸 收而 反映 的 空 间 密 度分布外
,
还
可 通以 相 过 位 量测 得 到折 率射 的 空 间分 布
。
。
而 获 得 与材料 从相 关的 的 更 多 信
息这
是太 赫 兹 时 域 光 谱 的 特独优 点
、
太 赫 电兹 波磁
成像
,相
对于 可光 见
和。
射 具 线 有非常 强 互的补 特征
外,
,
特别
适合于 可见 不光能 过透
约,
而
射 线成像
的 对 度比又 不 够 的 合
场此
太 ,兹赫电 波磁 光的子 能 量 低极。
没有
射 线 的,电离 性 质光 子能 在量
,
量级
不
会 对 材料 成 造 坏破
磁电波 可 以穿 过 服 和衣 肤
皮视整 透个人体
,
但
是 它 会像
不
射一样对人
、
体构线成 伤
害利用
。
电
磁 可 以 检波查 机 场 通关 的 旅 客与 行
李
检 查邮件 中 否 是藏有 毒 品
炭
热疽或粉
炸弹 等
禁 违物
品。
冲脉成 像的非 破 坏 和 非性 接触 性 对研究珍 艺贵术作 品和 研究 古生 化物 等石样 品 很
,
有
值 例如价透 过 艺术 品 的 表 对 内部面可 视
基金化 项 收 目 日稿
一
期无
接 需 触或破坏 损易的 纸张而 确 书籍 的定 容内等
。
另
外
,
家国自然 科学 基 资金 助 项目
一
一
修 改日期
一
一
量
子
电
、
子
学
报
卷,
对诸
如 火 焰的 分热析
、
塑料 封装 成集 电路的 引线图 成 像
。
聚
合物 内 部气的 泡以 及陶 瓷 中的 裂 缝 测 探
,等
太
赫兹
时域 谱 成 都像 是 有 前极途 的 技 术
。
世太赫 自 兹磁电 被首 波次用 于 成像 以 来
,各
太 种 兹赫 成技 像术 继 相
问队 〕
。如 太赫 兹近场 成 技像 术
,太
兹层析 赫成 像 术技
时域太 赫
兹逆 向变换 像 技成术 等 等
太赫 兹
像 成象的 信息素
赫兹太电磁 波 像成 的 基 原 理是本
利用已 知波 形 的 赫太兹 电磁 波 作成 像 射为线。
,
过 成 透像 样 品或
从
样 品 射 反的太 赫兹电磁 波 的 强 度和 相 位 含 了包 品 复样介 电 常 的 空 间分 数 度 布和 相位 二的 维信 息 录记 下来图
。
像 透将 射太 的兹 电磁赫 的 强波,
,
并经过 适 当的 数 字处 理和 频谱分析
,
,
能得 到就 样品 的 太赫兹 电磁 波 的三 维
太 赫
兹 波成 像技 术 的一 个显 特著点 是 信 量息
。
大每
一 像 对应源一 个 太 赫 时域兹
谱通
过 对 时域谱进
行 傅 里 变 叶 换 可得 到 每 又一 点太的 兹 赫频率 响 应
谱一 般地,
首先未加样
时
品
。,
用利
,
法得方
到形
波
, 作为 参考 息信
然后 加 进 样品
,得
出
一归
该
象素的 形 信波 化 脉息冲 延迟 信息所示
。
传 统 的 透射型太 赫 成兹像 ,
每个象 素 能给 出的 信 包 息括
。归一 峰 化值 幅振信
息,
,
宽脉信息 等
具视体情 况 去提取各 种 不同 的 信
息
太, 兹 成 像 赫 时域的信 的 情 息况如 图
。
其红 色中 形波是 参 考信
号白色 波
形 是通过 品样后 的 号信
,
它包 含 样有品 的 息
信一
经
过 傅 叶里变 换 后
,
我 们得 到
频 域 的信
息,
它
包
某括一 频率 的 振幅 变 化 信
息某
一 率频的位
变相信化
透射 率息
,
某 频一率 范 的围 强度 积 分信息 ,
一某频率 的
值
同 时 考 虑了 幅 振 和 相位以 及
时
间 迟延
收率吸
,
射折 率等
,
如图
示
。所
太赫 兹
描成扫 像
透射 型 扫 描 成 第像一 个 太 赫 兹 像 是 成太赫兹 时 域波 通 过形实
时 的 数 信字 号处 理 。
。
,年
由等得到
该成 像系 统是基 于 电 光 赫太 时域 兹光 谱 技术,
。
的
脉 冲激 光 发 激 光导 转体换到 赫太兹 的范 围内得 到
每 个 象 的素信 是通息 在
、
过他
们利 数 用字电路 进行。
太兹 赫 围 内积 分范得 到
,
具 体 路光 见 图图
他未们。
采用 相 锁 大 器
放,
因此
很
低,
,
对
数据子 理处 他们 提出 音识 语别 法 算 用 提 取 振于 和 位相 信 息
,
对于幅。
树叶 太的 赫 成 兹像共 取了
图
象素
频 谱 辨分率
为,
,
空 间分 率 为辨
。
为 利
透 射用扫 成 像 描获 的 得 新 鲜树 叶 和两 天 的 树后叶 含的水 量 的 布 分图像
。
第
张
期等蕾
赫兹太
成像 的进展 概
况
了句
飞
反
射 型 扫描成
像、
等
陈
〕 究 了 太 赫兹 射反 成像 的情 况研
,。
从物
体
反
回 来 的 射被波用 来作为 成 像信 息不 连 续 的 物 反体射 回
,
来
赫太 兹 脉 从冲 折率射一
祝
以以
。
, 间时延 迟 必 与 物 然体 的折 射率 有,
见关
干 涉仪图装 置
。为 了提 高深 度 分 辨率 他利们用 了 位 相 转 换的
,
三
一
平
』
一
可 这 去 除背以景 噪
,声
,
从
而可以 大 提高大
信
一
。比噪
。
提 高
深 度了分 辨 率
可分辨 相干 长 的
度七
叮
太赫兹
实时成 像
利 用 电 光 晶 和体
七
实 现 时 成实像
用利 电光晶 和体不
捕 捉能到 太 赫信 号兹,
实现 时 实成 像
与, 扫描 成 相像比 可 以 很 地 快提高信 的息提 速取 度
。
,
。
由于
此为 必须 利用 电 光晶 体进行 频率 转 换下。
每个 象 素点 对 应所 的 光电 晶 体折射的
率
,
的变化 是由太赫 兹 电 的场 度强 决所定 的
当
另 一 束 激 穿光过 电 光晶 体 时
于 由太赫 场兹 引所 起 晶 的 的 体折。
射 率
的 变化将 会 制通 调过晶 体 的 激
,光
因而
太赫 信 兹 被息 转化 为 频 信光息
年
,,
张 希等 利 成 用上 述原 理 现 实 了实时 成 像
。具
体 的光 路 图见 图
,
‘
‘
。图
为
们他获得 活
的体昆 虫 蛆 叫
和 蚂蚁的 二维 实 时
一像
一七
鳍
一
犷
昭
利 用 惆 啾脉 冲 术技 行 进的太 赫 兹时实 像成
等发 展利了 用 惆啾 冲技脉术 进 行 太 的赫兹 实 时 成像 技 的
术 在频域 展后
。
。
宽他们 将探 测 光脉冲 经过 光栅 对色 散上
一 性次 探测 太到 赫 兹
的。
,
利
用电 光晶将体,
波
形编码 到 展 宽 的 光 脉冲 上
,
然
后
在波 形
为此 要 先 拍 求 张一背 图 然 后景将信 号 减图去 背景 可图 到
得波
形
这 可 样以进 步 一 高提信 号
的
量
子
电
子
报学,
卷
“
一口创
。
提
速 率 具取 的体路 光图 见
图,
在此 基础 上 们拓 展 了 条他 纹机像 测的量 范 围 具 体 的光路 图 见
一图
七
江
, 赫 太兹近成场
为 像进 一 了步 提高分 率
况下辨
,,
等
“
阵〕 在
。
年第一 次 提出 太 赫 近 场兹 像成
们利 用他
。
们 我 道知 在近 场 情,
分
辨 率 不 再由波 决 长 而定 是 决定 干 径 孔大的小
,
掺
合金 做成尖 形 结锥
构将
分辨 率 提到高入 七
如
图
等。报 道了 于基 光 导天 线 机 的 太制 赫兹近 成场 像 他在们那
。
的半绝 缘
间
用脚 厚的
一
。
”
上’用隔
开分子
束 外 延 生 法长上
后然在
遮上
,
厚
的
,
为拜 了控 刻制蚀
。
,
在
,
的
和
。上制 长作
的偶 极
线 天为了得 到 锥 尖形状 户
,
他 们将
所示
用
’
通 过 眺 蚀刻 的 方法 刻在 偶 极天 线 上 形 成 的 锥形 高
如图
太赫
兹 希成张 等报 道了 赫太兹 线计 射机 辅 算 助成像 一 长波为
一
即。,
一
。
在 验 实
中
,
,脉宽
为
单 脉, 冲 量 能
为闪 复重 率频为
的
。
的 钦宝石 锁 模 激 器被 光用 于产
生
,太赫
兹脉冲 太赫兹脉 的冲发 体 是
射 的离 轴 物 抛面反 镜射 会 在 聚像成 样品
。
光上电导 天线 太 赫 兹 波 过经 直准后,
用焦距为
。
该 统 系太 中 兹赫 波 的焦 斑 为
利 长 瑞 为度
透 。过样 品的 赫太 兹 波经准 直 后 再由 轴离抛 物面 反 射镜将 其 聚 到 一 块焦二
电
晶光体上
。
像 成方的 是 在
式
和
,方
向上 平移 描扫成 像 样
品,
这效 于等用 太细 赫兹 波 束扫描 成 样 品
。像
为
提 高像成速 率
实 中应验用
惆 了探 测啾 光的 技 探术测 太 兹赫 目波
,前
太兹赫
成像 技 更术 重受 视
,
,它
射线
比与较
,
可 获 以更得 丰 的富信 息来 处理图 像 不
。,
仅可 以 获 被得 测物 吸 的收 率的 维三分
布 且而 可 以获 得 折率 或 射介电 数 的常三维 分
布
图
张 希 为成等
第
期
张
等蕾
太
赫兹
成 像 进的 展况概
展
望,
太赫兹 像 技成术 还可以 半 导 对体 材料 超 导 体 材 或 物料理 特性的 分布 征特进 行 研究
如测 量 超 导 流
。
电的 量 场矢 布 图分 像等
。
而 且 赫 太 成 像 兹 在生 物医 样 学品中 的应用 也 已 得 经到 了广 泛 的 关
,注
太
兹近 赫场 成
像
技术 经已使 得 其 分 辨率达 到 了 波长 以下 的尺度 成像 的 辨分率 已 到达几 十微 米,
。
利 近 用场成 像
,和
“
动 态孔径
, ’
的 理
原,
目
前太赫 兹 微
显
在 较长的 段一 间时里
赫 太兹 成像技 术 用应 中 障的碍 之 一 于 设 在 备复 杂昂
。
贵 图 对 信像息 的 分 析和 处 技 术 也 理有待 一进 实步 用 辐化射的 产 生 技 术 也 将使
目
,前
系 统 已 经
实 现了小型 化。
,而
连续,
技
术 不 再依 赖 于昂 贵 的飞 秒 光 激 可器 以乐 观地期 望
。
,
随着
技 术的发展
成
的应 像用 前景将 是非 常 广阔 的
参考文献 』
沪 户 陌 旧 阮阳 阵 昨,
‘
,
尹夕
一
占
夕。
云 , 去
,
一
二七
一
〕
即〕〔
尹夕
夕。
、夕
云才
,
,
直
,
一
艺
,
云
,
,
,
七。
即
娜
〕
艺夕
。 艺云
,才 , 才,
,
。
一
云
盯
,,
,
尹孔 夕 夕
云
,
。
七
,
鳍
一
,
,
。艺
一
七
即
尸【
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一
卜
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八
｝ 从
,
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公。
七七
了 百召刀
口、
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・
亡
几阳 七 ,
,
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艺
,
就
一歇
七
妙
勺
去 。
。
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既
,
闭
召
刀召了
一
孟冼
毕
双口、耐
川 私,
飞
,
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・
即
欲
〔〕
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夕夕
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量
子
电
学
子
报
卷〕
【 、
〕
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一
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一
夕
夕
岁
,
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,
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二
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活
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,
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,
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,
,
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艺
七
一
〕
尸・
尹
亡・
,
云,
〔〕 吕
夕,
,
云。
一
〔〕一
夕
夕・
公公
,
,
〕
七
占夕
,
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七
〕【
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、
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五 今
七
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。
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七 七
,
。
,一、
一
盯
一
板
乡
一
一七
者简作
张
蕾
介女
,
岁,
在 读 士研 究硕
生,
现 就 读 首于 师都 大 学 物范 系
理
。