太赫兹一體(tǐ)化测量系统

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TeraSys 4000

太赫兹一體(tǐ)化系统:太赫兹光谱、测量和物(wù)质检测

太赫兹一體(tǐ)化系统

太赫兹介绍太赫兹介绍
实验室级太赫兹系统TeraKit DODS实验室级太赫兹系统
太赫兹图像系统TeraImage太赫兹图像系统
太赫兹晶體(tǐ)太赫兹晶體(tǐ)

应用(yòng):

安保:爆炸物(wù)检测, 生化武器检测, 邮件检测
物(wù)质检测:人造外科(kē)材料缺陷检测,有(yǒu)机材料
光谱:药物(wù)检测等

特点:

一键操作
全固定部件
维护简单
强大的软件库和软件包,自带危险品辨识功能(néng)

产品参数:

频率范围: 0.3 - 4 Thz (其它频率范围可(kě)定制)
输出功率: > 50 nW
光谱分(fēn)辨率: < 0.01 THz
偏振, 線(xiàn)型: > 100 : 1, 垂直
输入電(diàn)压: 110V / 240V, 50 or 60 Hz
功率: < 60 W
预热时间: 15 分(fēn)钟
操作环境温度: 18°C - 30°C
外形尺寸: 40cmx25cmx18cm

 

TeraSys 4000光學(xué)架构

TeraSys4000光學(xué)架构

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太赫兹原理(lǐ)及应用(yòng)研究

以下文(wén)章转载自中國(guó)科(kē)學(xué)院深圳先进技术研究院网站

太赫兹辐射是指振荡频率在THz(1THz=1e12Hz)波段的電(diàn)磁辐射,通常所指的太赫兹波段范围在0.1~10THz,它在電(diàn)磁波谱中位于微波和红外辐射之间,如图1所示。

太赫兹波段范围

图1、太赫兹波段在電(diàn)磁波谱中的位置

自然界充满了大量的太赫兹辐射源,从宇宙背景辐射到我们身边绝大多(duō)数物(wù)體(tǐ)的热辐射都在太赫兹波段。虽然人们早已知道太赫兹波段的存在,但是因為(wèi)用(yòng)传统的電(diàn)子學(xué)和光學(xué)方法均难以产生和探测太赫兹波,因此人们对于太赫兹波段的特性一直知之甚少,该波段也被称為(wèi)電(diàn)磁波谱后的空白——太赫兹空隙(THz Gap)。近二十年,超快電(diàn)子學(xué)技术、低尺度半导體(tǐ)技术以及激光技术的发展,為(wèi)太赫兹辐射提供了稳定可(kě)靠的发射源和探测手段,从而引发了太赫兹技术的迅速发展。

正如19世纪90年代发现了X射線(xiàn)一样,科(kē)學(xué)界正在努力探索太赫兹辐射的许多(duō)新(xīn)用(yòng)途。物(wù)质的太赫兹波段光谱(包括发射、反射、透射)包含着丰富的物(wù)理(lǐ)和化學(xué)信息,在进行生物(wù)體(tǐ)的太赫兹成像时,不仅可(kě)以给出被测样品的结构信息,也可(kě)以获得成分(fēn)信息;同时由于太赫兹辐射其光子能(néng)量仅有(yǒu)毫電(diàn)子伏,不会引起生物(wù)體(tǐ)的電(diàn)离伤害,是非常的探测光源。目前,太赫兹技术已被证明在包括基础研究领域、生物(wù)医學(xué)领域、公共领域、信息通信领域、军事领域甚至更加深入的物(wù)理(lǐ)研究以及实际应用(yòng)中有(yǒu)着广阔的应用(yòng)前景。预计在未来的20年,太赫兹技术将在医學(xué)、工程科(kē)學(xué)和工业上广泛应用(yòng),从而大大改善人类健康和生活素质。

太赫兹波具有(yǒu)较强的穿透能(néng)力。与可(kě)见光、X射線(xiàn)、電(diàn)子束、中红外、近红外和超声波等广泛应用(yòng)于医學(xué)诊断、材料分(fēn)析以及工业生产领域中的成像信号源相比,太赫兹波因其在電(diàn)磁波谱中所处的特殊位置,使其对很(hěn)多(duō)介電(diàn)材料和非极性的液體(tǐ)具有(yǒu)良好的穿透性,因此太赫兹波的一个很(hěn)有(yǒu)吸引力的前景就是作為(wèi)X射線(xiàn)成像和超声波成像等技术的补充,用(yòng)于生物(wù)医學(xué)成像、检查或者无损探伤。图2所示為(wèi)对人进行THz透视成像,可(kě)以清楚的看到藏于衣服下的武器。

太赫兹透视成像

图2、太赫兹波透视成像用(yòng)于检查。太赫兹图像可(kě)以清晰得显示隐藏于衣服下的武器(手枪、匕首)

太赫兹技术的另一个显著特点是它的性。相对于X射線(xiàn)上千電(diàn)子伏的光子能(néng)量,太赫兹辐射的光子能(néng)量只有(yǒu)毫電(diàn)子伏的数量级(1THz的光子能(néng)量為(wèi)4.1meV),因此不会引起有(yǒu)害的電(diàn)离反应。这使得针对人體(tǐ)的检查和对生物(wù)样品的检测等应用(yòng)具备充分(fēn)的保证。

【太赫兹成像技术及其应用(yòng)】

1995年,美國(guó)的 Hu 和 Nuss 等人首次建立起國(guó)际上套 THz 基于電(diàn)光THz时域光谱技术的成像装置,并通过这套系统获得了幅太赫兹图像:利用(yòng)透射扫描成像获得的新(xīn)鲜树叶及两天后的树叶含水量的分(fēn)布,见图3。自此以后,许多(duō)科(kē)學(xué)家相继开展了如電(diàn)光取样成像、层析成像、THz单脉冲时域场成像、近场成像、暗场成像、收发分(fēn)置 THz 成像、三维成像及T射線(xiàn)CT等的研究。

太赫兹树叶含水量

图3、太赫兹波辐射的幅图像:图像显示了树叶因含水量不同而形成的对比。

太赫兹波辐射能(néng)穿入皮肤底下数毫米的地方,而其他(tā)医疗技术,(如X光和核磁共振成像技术)尽管可(kě)以透视更深处组织,但因成像对比机制的不同,而对皮肤以下几毫米的深层无能(néng)為(wèi)力。在医學(xué)治疗过程中照射的X光的光子能(néng)量高,对人體(tǐ)造成的伤害非常大。而用(yòng)太赫兹波作為(wèi)生物(wù)医學(xué)成像的光源,可(kě)以避免X線(xiàn)等光源的副作用(yòng),并且图像的清晰度和对比度更好,在影像上表现非常出色,因此可(kě)大量应用(yòng)到细胞及器官的鉴定或成像,放射诊断和遗传基因研究。

癌细胞与健康细胞的太赫兹图像有(yǒu)着明显的不同特征。这对于癌细胞的检测提供了有(yǒu)利的帮助。Woodward等人用(yòng)太赫兹成像对基础细胞癌的研究表明太赫兹脉冲成像有(yǒu)能(néng)力从正常组织中分(fēn)辨出癌变组织,并且对鉴别肿瘤的类型和分(fēn)析肿瘤向周围的扩散情况,以及在判断肿瘤的深度上都非常有(yǒu)益。而且这种可(kě)视化技术将有(yǒu)助于外科(kē)手术的进行。

太赫兹癌细胞

图4、太赫兹对皮肤癌成像。左图為(wèi)光學(xué)成像,右图為(wèi)太赫兹成像;右图中不同位置灰度的深浅不同反映了病灶的分(fēn)布和和在皮下的深度

图4给出了一个皮肤癌病灶的太赫兹图像与光學(xué)图像。从太赫兹的图像可(kě)以清楚的辨别出表皮下癌变區(qū)域的大小(xiǎo)、分(fēn)布和深度。

太赫兹肝脏病理(lǐ)

图5、癌变的人體(tǐ)肝脏病理(lǐ)切片样品。(a)為(wèi)光學(xué)照片 (b)太赫兹脉冲光谱成像,0.2-0.5THz (c)太赫兹连续波成像,230GHz

图5是利用(yòng)太赫兹成像技术对人體(tǐ)肝脏病理(lǐ)切片的检测结果。光學(xué)成像中较明亮的部分(fēn)為(wèi)癌变部位,相应于太赫兹成像图中為(wèi)颜色较深的部位。其原因主要归结于,癌变组织与正常组织在组织密度、成分(fēn)结构等方面都发生了变化,因而使太赫兹波在与组织作用(yòng)时的组织光學(xué)参数(例如透过率等)产生了差异。

骨骼和牙齿由于含水量较小(xiǎo),是对太赫兹波阻碍较小(xiǎo)的组织。在牙科(kē)诊断中,太赫兹波不仅可(kě)以探测出牙齿损坏部位,同时可(kě)以探明牙根的腐烂程度。并且通过分(fēn)析穿过牙齿的太赫兹光散射时间的差异,将牙齿表面的珐琅质与牙齿内部的珐琅质和牙本质分(fēn)开,同时探测出牙齿内部的空洞情况。Pickwell教授利用(yòng)太赫兹波在牙齿中不同界面折射率的敏感特性,采用(yòng)太赫兹脉冲反射成像技术(Terahertz Pulse Imaging, TPI)实现了对龋齿的早期检测,并利用(yòng)该方法,清晰的重建了牙齿的二维及准三维图像,见图6、7。

太赫兹牙齿成像

图6、TPI系统牙齿准三维重建:牙齿的光學(xué)及太赫兹成像对比,可(kě)以看到牙齿内部的空洞结构(右)

太赫兹牙齿内部折射率

图7、TPI系统脉冲相应函数及牙齿内部折射率分(fēn)布

 

【太赫兹光谱技术及其应用(yòng)】

太赫兹波段包含了丰富的光谱信息。太赫兹光谱频域范围覆盖了包括生物(wù)大分(fēn)子和凝聚态物(wù)质振动、转动能(néng)级的一个广泛的電(diàn)磁波谱范围,因而许多(duō)物(wù)质在该波段具有(yǒu)明显的特征吸收谱,或称之為(wèi)指纹谱。太赫兹光谱的独特优点,使得利用(yòng)太赫兹波辐射不仅可(kě)以测量由材料吸收而反映的空间密度分(fēn)布,还可(kě)以通过相位测量得到折射率的空间分(fēn)布,从而获得与材料相关的更多(duō)信息。太赫兹波的光谱分(fēn)辨特性使得太赫兹成像技术不仅可(kě)以呈现物(wù)體(tǐ)的形貌,还可(kě)以鉴别物(wù)體(tǐ)的组成成分(fēn)。利用(yòng)太赫兹光谱技术分(fēn)析诸如毒品、爆炸物(wù)、氨基酸和蛋白质、中草(cǎo)药等药物(wù),已经引起了社会各界的广泛关注。

丙氨酸分(fēn)子太赫兹光谱

图8、同型和异型的丙氨酸分(fēn)子在太赫兹波段的光谱表现出的差异

太赫兹光谱技术

图9、通过太赫兹光谱鉴别技术识别各种粉末,图中分(fēn)别為(wèi)Codeine, Cocaine, Sucrose (均為(wèi)60mg)

太赫兹时域光谱技术 (Terahertz time domain spectroscopy, THz - TDS) 是國(guó)际上近年来发展起来的研究技术。它利用(yòng)物(wù)质对太赫兹频带的不同特征吸收谱 ,分(fēn)析研究物(wù)质成分(fēn)、结构及其相互作用(yòng)关系。通常有(yǒu)机分(fēn)子内化學(xué)键的振动吸收频率主要在普通红外波段 ,但对于分(fēn)子之间弱的相互作用(yòng) (如氢键)及大分(fēn)子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和震动跃迁以及晶體(tǐ)中晶格的低频振动吸收频率,则对应于太赫兹红外波段范围。这些振动所反映的分(fēn)子结构及相关环境信息,都在太赫兹波段内不同吸收位置及吸收强度上有(yǒu)明显的响应,有(yǒu)机分(fēn)子的这些光谱特征,使得利用(yòng)太赫兹时域光谱技术鉴别化合物(wù)结构、构型与环境状态成為(wèi)可(kě)能(néng)。

 

 


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