太赫兹探测技术发展与展望

太赫兹探测技术发展与展望万方数据这使得它们能够从衣服中及与其它材料混在一起时被鉴别出来，如毒品的检测等。穿透能力强，ＴＨｚ波能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质【８Ｊ¨。因此，可用其探测多种低浓度极化气体【ｌ２１，适用于环境保护和军事化学侦察等特殊领域。３）ＴＨｚ波的时域频谱信噪比很高，这使得ＴＨｚ非常适用于成像应用【ｌ３１。目前，辐射强度测量的信噪比可以大于１０１０，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。带宽很宽（０．１～１０ＴＨｚ），太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从ＧＨｚ至几十ＴＨｚ的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以方便地对各种材料（包括液体、半导体、超导体、生物样品等）进行时间分辨的研究。ＴＨｚ用于等离子体检测，利用ＴＨｚ辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布【ｌ４１。４）ＴＨｚ在皮肤癌的诊断和治疗、ＤＮＡ探测、ＴＨｚ医学应用、ＴＨｚ断层成像、ＴＨｚ生物化学应用以及药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效【ｌ孓１７】。尤其利用ＴＨｚ可以非接触探测人类心跳等生命体征。Ｔ射线对人体的辐射量只是Ｘ射线的１００万分之一，反复照射也无伤害。可以预见，它的这种“绿色透视力”将会更广泛地应用于安全领域和医学成像领域。２太赫兹探测系统与应用太赫兹系统是基于相干探测技术的太赫兹产生与探测系统，能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息，通过对时间波形进行傅立叶变换，能直接得到样品的吸收系数和折射率、透射率等光学参数。太赫兹系统可分为透射式、反射式、差分式、椭偏式等，其中最常见的为透射式和反射式。典型的太赫兹时域福利叶光谱系纠１８｜女ｕ图２所示，它主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置及相应的探测装置，以及时间延迟控制系统、数据采集与信号处理系统组成。在太赫兹系统中最常用的光源是钛宝石锁模飞秒激光器，它能产生波长在８００ｎｍ左右的飞秒激光脉冲。飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为泵浦脉冲和探测脉冲，前者经过时间延迟系统后入射到太赫兹辐射产生装置上产生太赫兹脉冲，后者和太赫兹脉冲一同共线入射到太赫兹探测装置上，并以此来驱动太赫兹探测装置进行测量。通过控制时间延迟系统来调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，最终可以探测出太赫兹脉冲的整个时域波形。通过傅立叶变换就可以得到被测样品的频域谱，从而获得样品的吸收系数２３２和折射率、透射率等光学参数。图２典型的太赫兹系统Ｆｉｇ．２ＡｔｙｐｉｃａｌＴｅｒａｈｅｒｔｚａｎａｌｙｚｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ比较而言，成像系统还相对简单一些，只是要加上空间的扫描装置。目前国际上实用化的太赫兹产品主要有以下几种：１）Ｔ５０００安全摄影系统英国Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ国家实验室（ＲＡＬ）及欧洲航天局（ＥＳＡ）建立的ＴｈｒｕＶｉｓｉｏｎ的公司，开发出一种主动式ＴＨｚ成像仪－Ｔ５０００安伞摄影系统，它可实时成像，可以“看到”２５ｍ以内隐藏在衣服底下.，液体，毒品，武器，塑料制品和陶瓷等特殊物质，如图３所示。图４中①是隐藏在衣服里的毒品，②是ＴＨｚ辐射与探测装置，③是成像探测的结果。其技术原理由英国天文学家及斯坦福大学卢瑟福实验室研究死亡恒星所发散的宇宙射线而来，Ｔ５０００收集和处理这些自然产生的Ｔ射线特征，然后形成图像，可以发现物体隐藏在一个人的衣服下边，而又不显示身体的细节，从而也避免了对个人隐私的侵害。由于是采用长波辐射采集，与传统的主动Ｘ光安全检查相比，对人体几乎没有有害健康的辐射伤害。据说，该安检系统２０１０年起将在国际上３０００多个大机场部署。２）ＴＨｚ远红外光谱仪ⅢＩＳｐｅｃｔｒａ１０００和２０００英国剑桥大学孵化出的ＴｅｒａＶｉｅｗＬｔｄ．高科技公司推出两套ＴＨｚ远红外福利叶光谱仪伊ＩＳｐｅｃｔｒａ１０００和２０００，主要用于物质的ＴＨｚ特征研究。主要指标是：光谱范围：４０ＧＨｚ～３ＴＨｚ，１．３ｃｍ－１～１００ｃｍｌ（Ｓｐｅｃｔｒａ２０００）４０ＧＨｚ～４ＴＨｚ，１．３ｔｉｌｌ一１～１３３．３ｃｍ一１（Ｓｐｅｃｔｒａ１０００）分辨率：３ＧＨｚ（０．１ｃｍ＿１）万方数据２０１０年４月魏华：太赫兹探测技术发展Ｉｊ展望Ａｐｒ．２０１０幽３太赫兹技术用ｊ二穿透成像Ｆｉｇ．３ＴｈｅｉｍａｇｅｏｆＴｅｒａｈｅｒｔｚｄｅｔｅｃｔｉｏｎ图４Ｔ５０００安全摄影系统Ｆｉ９４ＴｈｅｓａｆｅｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍＴ５０００ｏｆＴｈｒｕＶｉｓｉｏｎ３）高分辨率太赫兹扫描仪美国Ｇｏｏｄｒｉｃｈ公司为美军制造了一种高分辨率太赫兹扫描仪，它能利用气体、液体、固体的太赫兹特征谱来区别有害物质。这一系统由Ｇｏｏｄｒｉｃｈ公司在美国康涅狄格州的电子光学商务部所开发，ＴｅｒａＶｉｅｗ公司为其提供专门的连续太赫兹辐射源。Ｇｏｏｄｒｉｃｈ的系统采用高分辨率的光谱仪来探测化学战剂和有毒的工业化学品ｌｌ列。３国内外研究进展在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事ＴＨｚ的研究工作，特别是美国的一些重要的实验室，如贝尔实验室、ＬＬＮＬ（ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅ国家实验室）、ＬＢＮＬ（ＬａｗｒｅｎｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙ国家实验室）、ＳＬＡＣ（斯坦福直线加速器中心）、ＪＰＬ（喷气推进实验室）、ＢＮＬ（Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ国家实验室）、ＮＲＬ（海军研究实验室）、ＡＬＳ（高级光源国家实验室）、Ｏｌ州Ｌ（橡树岭国家实验室）等都在开展ＴＨｚ科学技术的研究工作。美国国家基金会（ＮＳＦ）、国家航天局（ＮＡＳＡ）、能源部（ＤＯＥ）和国立卫生研究院（Ｎｍ）等从２０世纪９０年代中期开始对ＴＨｚ科技研究进行了大规模的投入ｌｌ引。英国的Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ国家实验室以及剑桥大学、里兹大学、Ｓｔｒａｔｈｃｌｙｄｅ大学等十几所大学；德国的ＫＦＺ、ＢＥＳＳＹ、Ｋａｒｌｓｍｈｅ大学、Ｃｏｈｎ大学、Ｈａｍｂｕｒｇ大学等科研院所和高校，都在积极开展ＴＨｚ研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目。在俄国，国家科学院专门设立了一个ＴＨｚ研究计划，ＩＡＰ、ＩＧＰ及一些大学也都在积极开展ＴＨｚ研究工作１２０－２３１。在亚洲，日本政府于２００５年１月８日，公布了日本未来１０年科技战略规划，提出了１０项重大关键技术，将ＴＨｚ技术列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及ＳＬＬＳＣ、ＮｒｒＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ等公司也都大力开展了ＴＨｚ的研究与开发工作。此外，韩国的国立首尔大学、浦项科技大学以及新加坡的国立新加坡大学等也都在积极开展ＴＨｚ方面的研究。可见，在全世界范围内目前已经形成了一个ＴＨｚ技术研究.。在国内，太赫兹研究也已受到了极大的重视。中国科学院的北京物理所和上海微系统与信息技术研究所、上海应用物理研究所、中山大学、首都师范大学物理系等研究机构在太赫兹相关领域开展了工作，并初步建成了太赫兹实验装置。不少博士和硕士研究生都以ＴＨｚ有关的课题作为前沿的研究选题方向【肄３ｌｌ。我国.省的.大学、.清华大学等也积极开展了ＴＨｚ研究工作，并发表了不少有分量的论文。４评述与展望太赫兹技术在环境监测、保护方面、国家安伞和反恐等方面的应用优势能够弥补红外技术和微波技术的不足。另外太赫兹波处于微波毫米波与红外波段之间，电子学与光子学之间的空白区域，也是目前人类科技的空白区域，具有非常广阔的发展空间。因此，积极开展ＴＨｚ科学技术的研究工作具有重要的战略意义。由于太赫兹波可以穿透大部分非金属材料，可望带来很多工业无损检测和安全领域的应用前景，引起了人们广泛的关注。如对美国航天飞机绝热泡沫下的安全隐患的检测，将带来巨大的效益；地震等自然灾害后的生命探测、公共场所的爆炸物探测和煤矿瓦斯突出检测等等应用，将解决当前.急需的工程技术２３３万方数据万方数据太赫兹探测技术发展与展望作者：魏华，WEIHua作者单位：福建信息职业技术学院,福建,福州,350003刊名：红外技术英文刊名：INFRAREDTECHNOLOGY年，卷(期)：2021,32(4)被引用次数：1次参考文献(31条)1.C.V.Shank;D.H.AustonUltrafastPhenomenainSemiconductorDevices[外文期刊]1982(4534)2.D.H.Auston;K.P.Cheung;P.R.SmithPicosecondphotoconductingHertziandipoles[外文期刊]1984(03)3.D.HAuston;kP.CheungCoherenttime-domainfar-infraredspectroscopy1985(02)4.王大珩;周立伟现代光学技术的工程应用20215.刘盛纲太赫兹科学技术的新发展[期刊论文]-中国基础科学2021(01)6.许景周;张希成太赫兹科学技术和应用20217.沈京玲;张存林太赫兹波无损检测新技术及其应用[期刊论文]-无损检测2021(03)8.许欣;吴勋;孟宪君太赫兹技术在爆炸物检测中的应用[期刊论文]-光学技术2021(z1)9.江德军;王光琴;贾燕太赫兹波及其在毒品检测中的应用[期刊论文]-北京石油化工学院学报2021(04)10.赵树森;陈思嘉;沈京玲用支持向量机识别毒品的太赫兹吸收光谱[期刊论文]-中国激光2021(03)11.谢旭;钟华;袁韬使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因[期刊论文]-物理2021(09)12.胡颖;王晓红;郭澜涛一氧化碳的太赫兹时域光谱研究[期刊论文]-光谱学与光谱分析2021(06)13.AurèleJ;L.Adam;PaulC;M.Planken,SabrinaMeloniTeraHertzimagingofhiddenpaintlayersoncanvas2021(05)14.张成林太赫兹感测与成像202115.沈京玲;贾燕;张存林阿莫西林的太赫兹光谱研究[期刊论文]-光谱学与光谱分析2021(09)16.赵红卫;葛敏;王文锋太赫兹时域光谱技术在化学和生物学研究中的应用[期刊论文]-化学通报(印刷版)2021(02)17.李建蕊;李九生;赵晓丽太赫兹时域谱技术快速定性检测奶粉中的三聚氰胺[期刊论文]-中国计量学院学报2021(02)18.BradleyFerguson;ZhangXi-chengMaterialsforterahertzscienceandtechnology[期刊论文]-Physica2021(05)19.JamesOJensenTerahertzScienceAndTechnologyForMilitaryAndSecurityApplications202120.J.T.Darrow;X.-C.Zhang;D.H.AustonSubpicosecondeletromagneticpulsesfromlargeapeturephotoconductingantennas[外文期刊]1990(16)21.B.B.Hu;X.C.Zhang;D.H.AustonTetahertzradiationinducedbysubband-gapfemtosecondopticalexcitationofGaAs[外文期刊]1991(19)22.EdwardP.Parrot;J.AxelZeitler;LynnF.GladdenAccuratedeterminationofopticalcoefficientsfromchemicalsamplesusingterahertztime-domainspectroscopyandeffectivemediumtheory[外文期刊]2021(23)23.MaikScheller;MartinKochTerahertzquasitimedomainspectroscopy[外文期刊]2021(20)24.王卫宁;李元波;岳伟伟组氨酸和精氨酸的太赫兹光谱研究[期刊论文]-物理学报2021(02)25.朱莉;张光新;曹丙花苏丹红Ⅰ号的太赫兹光