2010.6.21 THz原理及應用研究

以下文章轉載自中國科學院深圳先進技術研究院網站

太赫茲輻射是指振蕩頻率在THz（1THz=1e12Hz）波段的電磁輻射，通常所指的太赫茲波段范圍在0.1~10THz，它在電磁波譜中位于微波和紅外輻射之間，如圖1所示。

圖1、太赫茲波段在電磁波譜中的位置

自然界充滿了大量的太赫茲輻射源，從宇宙背景輻射到我們身邊絕大多數(shù)物體的熱輻射都在太赫茲波段。雖然人們早已知道太赫茲波段的存在，但是因為用傳統(tǒng)的電子學和光學方法均難以產生和探測太赫茲波，因此人們對于太赫茲波段的特性一直知之甚少，該波段也被稱為電磁波譜后的空白——太赫茲空隙（THz Gap）。近二十年，超快電子學技術、低尺度半導體技術以及激光技術的發(fā)展，為太赫茲輻射提供了穩(wěn)定可靠的發(fā)射源和探測手段，從而引發(fā)了太赫茲技術的迅速發(fā)展。

正如19世紀90年代發(fā)現(xiàn)了X射線一樣,科學界正在努力探索太赫茲輻射的許多新用途。物質的太赫茲波段光譜（包括發(fā)射、反射、透射）包含著豐富的物理和化學信息，在進行生物體的太赫茲成像時，不僅可以給出被測樣品的結構信息，也可以獲得成分信息；同時由于太赫茲輻射其光子能量僅有毫電子伏，不會引起生物體的電離傷害，是非常的探測光源。目前,太赫茲技術已被證明在包括基礎研究領域、生物醫(yī)學領域、公共領域、信息通信領域、軍事領域甚至更加深入的物理研究以及實際應用中有著廣闊的應用前景。預計在未來的20年,太赫茲技術將在醫(yī)學、工程科學和工業(yè)上廣泛應用,從而大大改善人類健康和生活素質。

太赫茲波具有較強的穿透能力。與可見光、X射線、電子束、中紅外、近紅外和超聲波等廣泛應用于醫(yī)學診斷、材料分析以及工業(yè)生產領域中的成像信號源相比,太赫茲波因其在電磁波譜中所處的特殊位置，使其對很多介電材料和非極性的液體具有良好的穿透性，因此太赫茲波的一個很有吸引力的前景就是作為X射線成像和超聲波成像等技術的補充，用于生物醫(yī)學成像、檢查或者無損探傷。圖2所示為對人進行THz透視成像，可以清楚的看到藏于衣服下的武器。

圖2、太赫茲波透視成像用于檢查。太赫茲圖像可以清晰得顯示隱藏于衣服下的武器（手槍、匕首）

太赫茲技術的另一個顯著特點是它的性。相對于X射線上千電子伏的光子能量，太赫茲輻射的光子能量只有毫電子伏的數(shù)量級（1THz的光子能量為4.1meV），因此不會引起有害的電離反應。這使得針對人體的檢查和對生物樣品的檢測等應用具備充分的保證。

【太赫茲成像技術及其應用】

1995年,美國的 Hu 和 Nuss 等人首次建立起國際上套 THz 基于電光THz時域光譜技術的成像裝置，并通過這套系統(tǒng)獲得了幅太赫茲圖像：利用透射掃描成像獲得的新鮮樹葉及兩天后的樹葉含水量的分布，見圖3。自此以后,許多科學家相繼開展了如電光取樣成像、層析成像、THz單脈沖時域場成像、近場成像、暗場成像、收發(fā)分置 THz 成像、三維成像及T射線CT等的研究。

圖3、太赫茲波輻射的幅圖像：圖像顯示了樹葉因含水量不同而形成的對比。

太赫茲波輻射能穿入皮膚底下數(shù)毫米的地方,而其他醫(yī)療技術,(如X光和核磁共振成像技術)盡管可以透視更深處組織,但因成像對比機制的不同,而對皮膚以下幾毫米的深層無能為力。在醫(yī)學治療過程中照射的X光的光子能量高,對人體造成的傷害非常大。而用太赫茲波作為生物醫(yī)學成像的光源，可以避免X線等光源的副作用，并且圖像的清晰度和對比度更好,在影像上表現(xiàn)非常出色,因此可大量應用到細胞及器官的鑒定或成像,放射診斷和遺傳基因研究。

癌細胞與健康細胞的太赫茲圖像有著明顯的不同特征。這對于癌細胞的檢測提供了有利的幫助。Woodward等人用太赫茲成像對基礎細胞癌的研究表明太赫茲脈沖成像有能力從正常組織中分辨出癌變組織，并且對鑒別腫瘤的類型和分析腫瘤向周圍的擴散情況，以及在判斷腫瘤的深度上都非常有益。而且這種可視化技術將有助于外科手術的進行。

圖4、太赫茲對皮膚癌成像。左圖為光學成像，右圖為太赫茲成像；右圖中不同位置灰度的深淺不同反映了病灶的分布和和在皮下的深度

圖4給出了一個皮膚癌病灶的太赫茲圖像與光學圖像。從太赫茲的圖像可以清楚的辨別出表皮下癌變區(qū)域的大小、分布和深度。

圖5、癌變的人體肝臟病理切片樣品。(a)為光學照片 (b)太赫茲脈沖光譜成像,0.2-0.5THz (c)太赫茲連續(xù)波成像,230GHz

圖5是利用太赫茲成像技術對人體肝臟病理切片的檢測結果。光學成像中較明亮的部分為癌變部位,相應于太赫茲成像圖中為顏色較深的部位。其原因主要歸結于,癌變組織與正常組織在組織密度、成分結構等方面都發(fā)生了變化,因而使太赫茲波在與組織作用時的組織光學參數(shù)(例如透過率等)產生了差異。

骨骼和牙齒由于含水量較小,是對太赫茲波阻礙較小的組織。在牙科診斷中，太赫茲波不僅可以探測出牙齒損壞部位，同時可以探明牙根的腐爛程度。并且通過分析穿過牙齒的太赫茲光散射時間的差異，將牙齒表面的琺瑯質與牙齒內部的琺瑯質和牙本質分開，同時探測出牙齒內部的空洞情況。Pickwell教授利用太赫茲波在牙齒中不同界面折射率的敏感特性,采用太赫茲脈沖反射成像技術(Terahertz Pulse Imaging, TPI)實現(xiàn)了對齲齒的早期檢測,并利用該方法，清晰的重建了牙齒的二維及準三維圖像，見圖6、7。

圖6、TPI系統(tǒng)牙齒準三維重建：牙齒的光學及太赫茲成像對比，可以看到牙齒內部的空洞結構（右）

圖7、TPI系統(tǒng)脈沖相應函數(shù)及牙齒內部折射率分布

【太赫茲光譜技術及其應用】

太赫茲波段包含了豐富的光譜信息。太赫茲光譜頻域范圍覆蓋了包括生物大分子和凝聚態(tài)物質振動、轉動能級的一個廣泛的電磁波譜范圍，因而許多物質在該波段具有明顯的特征吸收譜，或稱之為指紋譜。太赫茲光譜的獨特優(yōu)點,使得利用太赫茲波輻射不僅可以測量由材料吸收而反映的空間密度分布,還可以通過相位測量得到折射率的空間分布,從而獲得與材料相關的更多信息。太赫茲波的光譜分辨特性使得太赫茲成像技術不僅可以呈現(xiàn)物體的形貌，還可以鑒別物體的組成成分。利用太赫茲光譜技術分析諸如毒品、爆炸物、氨基酸和蛋白質、中草藥等藥物，已經引起了社會各界的廣泛關注。

圖8、同型和異型的丙氨酸分子在太赫茲波段的光譜表現(xiàn)出的差異

圖9、通過太赫茲光譜鑒別技術識別各種粉末，圖中分別為Codeine, Cocaine, Sucrose (均為60mg)

太赫茲時域光譜技術 (Terahertz time domain spectroscopy, THz - TDS) 是國際上近年來發(fā)展起來的研究技術。它利用物質對太赫茲頻帶的不同特征吸收譜 ,分析研究物質成分、結構及其相互作用關系。通常有機分子內化學鍵的振動吸收頻率主要在普通紅外波段 ,但對于分子之間弱的相互作用 (如氫鍵)及大分子的骨架振動(構型彎曲)、偶極子的旋轉和震動躍遷以及晶體中晶格的低頻振動吸收頻率,則對應于太赫茲紅外波段范圍。這些振動所反映的分子結構及相關環(huán)境信息,都在太赫茲波段內不同吸收位置及吸收強度上有明顯的響應,有機分子的這些光譜特征,使得利用太赫茲時域光譜技術鑒別化合物結構、構型與環(huán)境狀態(tài)成為可能。

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