Chopper
(四) THz波的应用
美国: 主要研究力量
目前全世界有 100个以上的研 究小组在进行 与THz 有关的 研究 欧洲: Teravision, Terabridge Teraview Ltd. 日本: Tera-photonics
台湾: Tera-photonics
China: NNSFC 新的 THz 项目
’
三. 在医学成像、诊断上的特殊作用
● MR, CT, PET 在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。
● CT, PET 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; ● MR 和 CT不能对骨头成像； ● PET 有很高的灵敏度但空间分辨率差。 ● T-ray 成像可能解决上述问题： THz 与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量 比 X-ray 小约百万倍，没有离子化辐射问题； THz 频率段正好处在分子相互作用段，它可以给出位置和密 度的信息。可用于分子活动的研究，并给出很高的空间分辨率 （~ 300um）。 它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。 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 确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。 THz –ray可用于计算机照相，THz –ray CT可获得三维分子 或化学的图象，其分辨率可达 um 量级。
1. THz在安全检查上的应用
报纸
尖刀 !!
THz在安全检查上的应用
恐怖分子
T-射线 收发器
人质
当警察需要从屋外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和 状况的时候，我们可否使用THz收发器来帮忙?
2. THz在毒品检测中的应用
测量环境：充氮气后，测量系统湿度低于4%，温度为室温
以氯胺酮为例的THz光谱测量结果
THz 成像 (Hu & Nuss， 1995)
树叶
新鲜 火腿肉
2天后
（五）瞬态性： THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量 技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小 于3THz时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红 外光谱技术，而且其稳定性更好。 （六）宽带性： THz脉冲光源通常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。
600 500 400 300 200 100 Wavenumber (cm-1)
0
几种炸药的远红外谱线
二. THz在无损检测中的应用
使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因
Defects near the Foam/Substrate Interface
49 of 57 defects were detected
（三） THz 辐射对于很多非极性物质，如电介质 材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透 力, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安 全检查。
（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射 有强烈的吸收。
在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生 物组织的不同状态，如对人体烧伤部位的损伤程度进行诊断， 还可以进行产品质量控制，如测量食品表面水分含量以确定 其新鲜程度。
癌变组织和正常组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间 延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。
四.
THz 在生物、环境监测上的应用
● 由于生物大分子的振动和转动能量均在 THz 波段， 因而利用THz 辐射技术可得到 DNA 的重要信息，这对 粮食选种、优良菌种选择等起着重要作用；
● THz 在生物化学应用以及药物的分析和检测等方面 都具有良好的功能； ● THz 辐射可以穿透烟雾，又可检测有毒或有害分 子，所以在环境监测和保护方面将得到应用。
2 0.5 THz 2 1 THz
cm
cm
0 1 2
1
0
2 0
1 0 2 THz
1
2
2
1.5 THz
cm
cm
0 1 2
0
1
0 0
1
1
2
杨氏干涉实验
空间相干 20 X (mm) 双缝干涉 T-ray
10
0
0
14 Time (ps)
27
T-射线的干涉图样
2 0.5 THz 2 1 THz
cm
0
2
1.5 THz
THz辐射主要应用领域
生物医学 安全检查 工业无损检测 空间物理和天文学 环境监测 化学分析
军事和通信领域
一、THz 在国家安全、反恐方面的作用
由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张 和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而且 能够根据物质的THz“指纹谱”，对物质进行识别， 所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非接触安 全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反 恐、保安和海关检查等部门的高度重视。
是成正比的。
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电光取样的方法
电光取样测量技术基于线性电光效应：当太赫
兹脉冲通过电光晶体时，它会发生瞬态双折射，从 而影响探测（取样）脉冲在晶体中的传播。
当探测脉冲和太赫兹脉冲同时通过电光晶体时，
太赫兹脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性 的改变，致使探测脉冲的偏振态发生变化。 调整探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟， 检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到太
80
60
60
2.00 1.62
40
40
2.55
0.55
20
20
1.23
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Frequency (THz)
Frequency (THz)
不同厂家地西泮药(a)以及其有效成分纯地西泮(b)在0.2~2.6 THz范围的吸收光谱
路之中，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这 时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流
子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在
光导天线上的偏置电场，以此来驱动那些载流子 运动，从而在光导天线中形成光电流。 最后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这 个电流即可。其中，这个光电流与THz瞬时电场
THz 在医学中的应用
标准照片 Standard photo
00 0 5 10 15 20 25
THz Imaging THz 成像
THz 波形 电光信号 (nA)
4 3 2 1 0
癌变组织 正常组织
a tumor
肿瘤
mm
0
5
10
15
20
25
mm
THz 乳腺肿瘤(模型)成像
0 10 20 30 40 Time Delay (ps)
不同厂家镇静类药的太赫兹光谱研究
1.不同厂家地西泮药及其有效成分的太赫兹光谱比较
有效成分含量： 3.7%
120
厂家：北京益民制药厂、天津力生制药厂
120
1.39 2.52
100
Pure diazepam
100
2.18
tjlsdxp bjymdxp
Absorption (cm-1)
80
Absorption (cm-1)
光学前沿------
THz 科学技术及应用
内容概要
(一) 什么是THz波？ (二) THz波的主要特征 (三) THz波的产生与探测 (四) THz波的应用
(一) 什么是THz波?
THz在电磁波谱中的位置
THz辐射(Ｔ射线)通常指的是频率在0.1THz～ 10THz(波长在3mｍ～ 30μｍ)之间的电磁波，其 波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此 波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。
产生大量的电子－空穴对。这些光生自由载流子会 在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动， 从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流。 最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出
太赫兹脉冲。
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光整流的基本原理
光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制，它是一种非 线性效应，是电光效应的逆过程。 超短激光脉冲入射到非线性介质中，由差频振荡效应 会产生一个低频振荡的时变电极化场。这个电极化场 就可以辐射出太赫兹波来。
2
0
1
2
0
cm
1
1
0
2 THz
1
2
cm
0
0Байду номын сангаас
1
2
0
cm
1
1 0
1
2
(二) THz波的主要特征
T-射线的几个主要特性
（一）相干性 THz技术的相干测量技术能够直接测量电场振幅和 相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数.
（二）低能性 (4.1 meV ～1 THz) X-射线~30kev 相差7个数量级 !!
0.50 Absorbance 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
0
0.15 Absorbance
600 500 400 300 200 100 Wavenumber (cm-1) TNT
0
2-amino-4,6-DNT
0.12 0.09 0.06 0.03 0.00 600 500 400 300 200 100 Wavenumber (cm-1) 0
Capital Normal University

3. THz在爆炸物检测中的应用
0.20 Absorbance 0.15 2,4-DNT 0.15 1,3-DNT
0.10
0.05 0.00
0.10
0.05 0.00
600 500 400 300 200 100 Wavenumber (cm-1)