生化分子的太赫兹波谱测试的研究（可编辑） .doc

《生化分子的太赫兹波谱测试的研究（可编辑） .doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生化分子的太赫兹波谱测试的研究（可编辑） .doc（39页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、 国防科学技术大学硕士学位论文生化分子的太赫兹波谱测试研究姓名:高海波申请学位级别:硕士专业:计算机科学与技术指导教师:胡碧茹;柳珑2010-11国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘 要 太赫兹THz,全称为Terahertz频段是指介于毫米波与红外谱段之间的一段相当宽范围的电磁辐射区域,属于远红外波段,物质在太赫兹波段的光谱包含着丰富的物理和化学信息,而某些毒品、生化毒物以及多种爆炸物的分子转动和振动能级位于太赫兹频段。太赫兹时域光谱技术是80年代发展起来的新型相干测量技术,由于其能量低、穿透力强的特点,使其在生物医学领域和化学领域中对生物的实时无损检测和探测方面得到了人们的青睐,研究太

2、赫兹与物质结构的关系可为毒品和生化毒物等特殊生化分子中的检测提供技术基础。本论文以生化分子的太赫兹检测为出发点,对液态和固态的生化分子太赫兹波谱进行了研究。 对真空环境下液体物质测试所需的样品池进行了一系列的实验讨论,根据实验情况选取了样品池的材料,并不断的对样品池的形状和尺寸进行了改进,建立了液态物质太赫兹测试方法。 研究了分子的极性和分子间作用力对液态物质太赫兹光谱测试的影响,结果表明,分子的极性对于物质的太赫兹波谱的影响不占主导地位;分子间作用力特别是氢键的作用极大的影响了物质的太赫兹波谱。 采用与聚乙烯(PE)粉末混合压片的方式进行了固态样品的太赫兹测试,研究了固态样品与PE粉末不同混

3、合比例、物质(有机物和无机物)晶形的变化、羟基和卤素取代基团等对太赫兹波谱的影响。 针对太赫兹的一些实际应用做了初步的探索,测试了太赫兹对物质材料质量检测效果,对不同药品的太赫兹成像做了对比区别,并对蛋白质的太赫兹光谱方面做了一些探索。 通过本项目的研究,建立了适合液态分子太赫兹波谱的测试方法,了解了物质结构对太赫兹波谱的影响,为后续特殊生化分子太赫兹的检测奠定了相关基础。关键词:太赫兹;太赫兹成像;太赫兹时域光谱;氢键;物质的结构 第 i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ABSTRACT Terahertz THz wave band is a considerably broad

4、en range of electromagnetic radiation region between millimeter wave and infrared light, belonging to far infrared wave band. The spectra of substance in THz wave band contain abundant physical and chemical information. Thus, it is signality to study the association between the spectra of substance

5、in THz and structure of the substanceTHz-Time Domain Spectrum THz-TDS technique, which is a novel intervene measure technique developing from 80s, is advanced in high Signal-to-Noise and having no use for low temperature measurer and broadly applied in recent years. Due to that the vibration and rot

6、ation energy levels of biomolecular seat in the THz wave band and that THz per se characterized low energy and high penetrability, more and more attention was paid to THz, especially in biologic non-damage examination and detection in biomedicine and chemistry fieldThe molecular rotation and vibrati

7、on energy levels of poison, toxin and many exploders are in THz wave band, thus, THz can be used to detect and identify these special biochemical molecules. The present paper start with detecting biochemical molecules, and make primary study of THz spectra of biochemical molecules in solid and liqui

8、d statesA series of sample pools for liquid substance testing in vacuum were used to do experiments and discussed. For the sake of the experiment, the material for sample pool was selected and the shape and size were improved further, so that the THz test method of liquid substance was establishedTh

9、e effect of molecular polarity and intermolecular force for THz spectra test of liquid substance was studied. The results showed that molecular polarity was not the dominant effect factor for THz spectrum, while the intermolecular force especially the hydrogen bond force greatly affected THz spectru

10、mMixing with PE powder to make the sample, the effect of different proportion of solid sample and PE powder for the test was studied, as well as the crystal forms of substance organic and inorganic materials. The effect of substance structure, substitute group, etc. for THz absorption spectrum was a

11、lso discussedSimultaneously, primary exploring work was done in the practice application focusing on THz. Clear THz images were acquired from the experiment of THz 第 ii 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 spectrum quality test for substance materials. Contrast analysis was done for different drug THz images, and T

12、Hz spectrum of biomacromolecular protein was explored Keywords: Terahertz; THz image; THz-TDS; Hydrogen-bond; substance structure 第 iii 页 国防科学技大学研究生院硕士学位论文 表 目 录 表 1-1 太赫兹波时域光谱和FTIR光谱对比 16 表 1-2 电子结构运算方法20 表 1-3 Gaussian校正因子 22 表 2-1 样品池尺寸39 表 3-1 乳糖分子的吸收峰值. 49 表 3-2 卡马西平的吸收峰值. 51 表 3-3 青霉素钾理论计算和实验测

13、试所得吸收峰对比54 表 3-4 头孢羟氨苄和头孢氨苄THz峰值对比. 58 表 3-5 四种物质的THz吸收峰对比59 第 III 页 国防科学技大学研究生院硕士学位论文 图 目 录图 1.1 THz波段在电磁波谱中的位置 1 图 1.2 宇宙背景辐射和室温物体的热辐射谱1 图 1.3 光电导天线受激示意图3 图 1.4 光整流效应. 3 图 1.5 LiNbO 材料的太赫兹电磁波参量振荡器结构示意图. 4 3图 1.6 电光取样原理图5 图 1.7 太赫兹图像的图像分辨率和景深都有显著的提高 7 图 1.8 (a)通过水蒸气的太赫兹脉冲波形 (b)水蒸气的太赫兹时域谱10 图 1.9 (a

14、)太赫兹时域装置 (b)IC芯片的太赫兹成像.11 图 1.10 太赫兹时域光谱系统14 图 1.11 2,4-DNT用B3LYP/6-31lG的计算结果与实验结果的比较. 24 图 1.12 2,4-DNT用不同极化的基组计算结果的比较. 24 图 1.13 TPS 1000 系统光路图(摘自Tera view说明书) 26 图 2.1 THz时域光谱成像系统. 29 图 2.2 THz脉冲成像光谱仪30 图 2.3 三明治法压片图 30 图 2.4 薄膜法示意图. 31 图 2.5 单层滤纸吸水动态THz谱图32 图 2.6 水蒸气(vapor)的THz谱图. 32 图 2.7 滤纸在自封

15、袋中固定位置的THz谱图. 33 图 2.8 硅片的THz谱图. 34 图 2.9 PE元件THz谱图. 35 图 2.10 PTFE元件THz谱图 35 图 2.11 嵌入式样品池36 图 2.12 封口瓶式样品池. 36 图 2.13 锲子式样品池37 图 2.14 阶梯形样品池37 图 2.15 水的THz谱图 38 图 2.16 农药(甲拌磷)的THz谱图 38 图 2.17 样品池尺寸图39 第 IV 页 国防科学技大学研究生院硕士学位论文 图 2.18 组合样品池 39 图 2.19 正庚烷的THz谱图. 40 图 2.20 环己烷的THz谱图. 41 图 2.21 CCl 的TH

16、z谱图41 4图 2.22 CH Cl 的THz谱图. 41 2 2图 2.23 CHCl 的THz谱图42 3图 2.24 HCHO的THz谱图43 图 2.25 CH CHO的THz谱图. 43 3图 2.26 CH COCH 的THz谱图43 3 3图 2.27 CH OH的THz谱图. 44 3图 3.1 乳糖的THz时域光谱45 图 3.2 乳糖 a 比例 1:10THz谱图 b 比例 1:24THz谱图和折射率图 46 图 3.3 青霉素钠两种比例的THz谱图对比47 图 3.4 一水乳糖分子的结构式 48 图 3.5 乳糖两种同质异像体的THz谱图 49 图 3.6 无水乳糖分子

17、的空间优化构型以及其运动演示50 图 3.7 卡马西平分子的结构式 50 图 3.8 卡马西平同质异像体THz谱图. 50 图 3.9 CBZ 分子经过优化后的模型 51 图 3.10 硫酸铜失去结晶水前后THz谱图对比52 图 3.11 明矾失去结晶水前后THz谱图对比 53 图 3.12 青霉素分子所特有的基团 53 图 3.13 青霉素钾和青霉素钠分子结构式 54 图 3.14 (a)青霉素钾THz谱图 (b)青霉素钠THz谱图54 图 3.15 青霉素钾经过优化后的空间构型 55 图 3.16 双氯西林和双氯西林钠分子结构式55 图 3.17 (a)双氯西林钠THz谱图 (b)双氯西林

18、THz谱图. 56 图 3.18 (a)羧苄西林钠THz谱图 (b)羧苄西林THz谱图. 57 图 3.19 头孢羟氨苄和头孢氨苄分子结构式57 图 3.20 (a)头孢羟氨苄THz谱图 (b)头孢氨苄THz谱图. 58 图 3.21 苯唑西林优化空间构型. 59 图 3.22 氯唑西林优化空间构型. 60 图 3.23 (a)苯唑西林 (b)氯唑西林 (c)氟氯西林钠 (d)双氯西林 四种物质的THz谱图61 第 V 页 国防科学技大学研究生院硕士学位论文 图 3.24 磺苄西林THz谱图. 61 图 3.25 羧苄西林THz谱图. 62 图 3.26 氧哌嗪青霉素THz谱图62 图 3.2

19、7 THz在不同波段对物体的质量检测成像. 64 图 3.28 利用THz成像系统进行药物检测示意图. 64 图 3.29 太赫兹成像来区分辨别各种不同的药物 66 图 3.30 利用玻璃片固定生物组织太赫兹成像. 66 图 3.31 牛血清白蛋白THz谱图67 图 3.32 溶菌酶THz谱图67 图 3.33 胰岛素THz谱图67 第 VI 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章 绪论 太赫兹(或称THz辐射、T-射线、亚毫米波、远红外,通常简称为THz)通常指的是在0.1THz10THz(波长在3mm30 m)范围内的电磁辐射。从频率上看,该波段位于毫米波和红外线之间,属于远红外波

20、段;从能量上看,在电子和光子之间,如图1.1所示。图1.1 THz波段在电磁波谱中的位置-12振荡频率为1THz的电磁波,振荡周期为1ps(1ps10 s),相应的波长是300m。一个频率为1THz的光子的能量是4.1meV,对应于33个波数,它的特征温度是48K。自然界中拥有大量的太赫兹辐射源,比如我们身边绝大多数物体的热辐射都在太赫兹波段。图1.2给出了宇宙背景辐射(2.7K)的频谱分布以及常温(300K)物体的热辐射频谱分布,其中的阴影部分属于太赫兹波段。图1.2 宇宙背景辐射和室温物体的热辐射谱尽管自然界中充斥着太赫兹,但是在20世纪80年代中期以前,由于缺乏太赫兹波段高效率的发射源和

21、灵敏的探测器,这一波段的电磁辐射并没有得到深入的研究,仅有极少量的技术和屈指可数的应用,与之相对应的在电磁波谱中处于太赫兹两侧的微波和红外辐射则早已被广泛的应用于通信、探测、光谱、成像等众多领域。太赫兹在电磁波谱中成为一段不为人熟悉的“太赫兹空隙”(THz gap)。在近二十年中,由于超快激光技术和低尺度半导体技术的快速发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源和探测手段,使太赫兹的产生和应用得到了快速的发展。 第 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1.1 太赫兹辐射的产生与探测 1.1.1 太赫兹辐射的产生 根据太赫兹辐射产生的机理,可以将其辐射源分为光学方法和电子学方法

22、两大类。 (1)基于光学方法的太赫兹波产生技术 目前光学方法产生太赫兹辐射的方法主要有以下几种:1THz气体激光器;2利用超短激光脉冲光电导或光整流产生太赫兹辐射;3利用非线性差频过程DFG1和参量过程产生太赫兹波 。 太赫兹气体激光器是利用CO 激光抽运充有甲烷、氰化氢或甲醇等的低气压腔,2由于这些气体分子的转动能级间的跃迁频率处于太赫兹波段范围,可以形成太赫兹波受激发射。这种方法可以得到上百毫瓦的输出功率,且已实现产品化。如由Coherent-DEOS先进研究专业产品部 ARU设计和制造的光抽运太赫兹激光器SIFIR-50,可获得在40-1020 m即0.37THz波长范围的谱线输出。其基

23、本设计思路是采用可调谐的CO 激光器,通过外部稳频装置选择性激励甲基气体,造成气体分子2在上能级的旋转态间跃迁而发出远红外FIR光子。系统包括了一个全封离的可调谐CO 激光器作为抽运源,一个频率参考和锁定装置及一个太赫兹激发腔充有甲基气体2的低气压腔。使用高度可靠的封离谐振腔技术,产品结构紧凑、可靠耐用、操作简便。例如,SIFIR-50 2.5THz空间探测系统已成功搭载于NASA的AURA卫星上,承担为期5年的大气监测任务。 利用飞秒激光触发光电导开关,或飞秒激光照射特定的光学晶体,可以产生具有太赫兹频段的超短电磁脉冲。这种太赫兹源属于宽带THz辐射源,其物理机制是光电2导和光整流。光电导激

24、发机制 利用超快激光脉冲触发直流偏置下的光电半导体材料如Si、GaAs等半导体材料因光产生载流子,进而在偏置电场作用下加速运动而辐射THz电磁波,如图1.3所示。这种太赫兹源的输出性能决定于三个因素:光电半导体材料、天线几何结构和抽运激光脉冲宽度。光电半导体材料Si、GaAs、GaAs:Cr、InP:Fe、GaP等是产生超短电磁脉冲的关键部件。随着对光电半导体材料的深入研究,已开发3了很多适宜作光电导开关的材料 。 用光电导开关方法产生太赫兹辐射的方案中以光电导体作为辐射天线的瞬态电流元,天线包括基本的太赫兹偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线及大孔径光电导天线,而大多数实验中采用了基

25、本偶极子天线。这是由于基本偶极子天线具有结构简单、频率响应特性好可产生小于100 fs的太赫兹电磁脉冲等优点。基本偶极子天线结构由平面偶极子、产生光电流的光电导开关、用作欧姆接触的两条共面第 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 微带传输线等3部分组成。无论基于光电导天线还是光整流机制的太赫兹波源,都必须用飞秒激光作为照射光源。目前的飞秒光源有两种,即半导体抽运的Li:SAF飞秒激+光器脉宽小于100 fs,平均功率大于100 mW和Ar 激光器抽运的Ti:S激光器,相比而言,前者比后者更紧凑、可靠,使用和维护费用更低。而且,随着体积更小、结构更紧凑的锁模光纤激光器的研制成功,飞秒激光

26、光源将不再是太赫兹系统中昀庞大的部分。图1.3 光电导天线受激示意图光整流效应是一种非线性效应,利用激光脉冲脉冲宽度在亚皮秒量级和非线性介质如LiNbO 、LiTaO 、ZnTe、GaAs和有机晶体DAST等相互作用而产生低频电极3 3化场,从而辐射出太赫兹电磁波,如图1.4所示。电磁波的振幅强度和频率分布决定于激光脉冲的特征和非线性介质的性质。常用非线性介质有ZnTe和GaAs。另外, DAST4很有潜力,它是非线性效应昀强的物质之一 。图1.4 光整流效应3,5沈元壤等 在20世纪中叶提出用非线性光学晶体产生亚毫米电磁波的理论;日本理化学研究所RIKEN的Ito实验室,在1997年首次实现

27、了基于非线性LiNbO 光学参3量振荡器结构的太赫兹电磁波参量振荡器。非线性晶体当中的参量振荡过程,是产生6强相干可调谐红外辐射的重要方法 ,也是产生太赫兹亚毫米电磁波的基本物理机制7。如图1.5所示,当抽运激光束入射进入非线性光学晶体时,非线性晶体受到频率为第 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 W 的激光抽运后,即可对频率W 的信号场和频率为W 的闲频场提供增益。如果将非P S T线性光学介质放在谐振腔内,则形成典型的参量振荡器结构形式,其谐振腔可以同时对信号场和闲频场共振,形成双腔振荡器DRO;也可以对其中一个频率的辐射场共振形成单振荡器SRO。在参量放大的增益超过损耗时,器件

28、将达到振荡阈值,实现对信号场或闲频场的振荡,而且此时输出的信号场和闲频场具有相干特性。一旦抽运激光超过阈值,参量振荡器便有效地把抽运激光辐射场转变为连续可调谐的信号光和闲频光辐射。对于LiNbO 晶体也可以采用角度匹配的非共线相位匹配方式,即抽运3光和产生的新光束以一定的角度在晶体中传播以实现相位匹配。改变抽运激光与闲频光束之间的夹角,相位匹配条件相应发生变化,而太赫兹电磁波的频率同时改变,从而实现对太赫兹电磁波的频率调谐。光学参量振荡器理论表明,选用双谐振腔可以获得较低的振荡阈值,因此可以使用低功率的抽运激光器。然而双谐振腔或三谐振腔的缺点之一是限制了太赫兹波的频率调谐范围,因为在谐振腔调谐

29、过程中有超过一个以上的频率要与谐振腔的腔长频率保持一致,使得调谐范围受到限制;其次多腔结构也使得太赫兹波产生器件的结构变得复杂。这种建立在光学参量振荡结构基础上的太赫兹波产生器件,可以产生高功率、窄线宽、可调谐的相干太赫兹电磁波。图1.5 LiNbO 材料的太赫兹电磁波参量振荡器结构示意图 3光学方法产生太赫兹辐射以其卓越的特性和显著的优点跻身于目前各种太赫兹辐射源技术之前列,目前正朝着实现高效率、室温运转、结构紧凑、高且稳定的输出及便捷调谐的研究方向发展。 (2)基于电子学方法的太赫兹波产生技术 目前电子学产生太赫兹的方法大体包括:真空电子学技术,相对论性电子学技术和半导体激光器技术。比较常

30、见的有自由电子激光器、量子级联激光器、返波振荡器8和耿氏振荡器等 。 自由电子激光是获得极高能量太赫兹发射的一种方法。可以产生极强的窄波段太赫兹辐射,它利用自由电子的动能跃迁来产生太赫兹辐射。这种系统的造价昂贵,体第 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 积巨大,同时需要精密仪器,但可以产生连续脉冲形式的发射,发射功率比通常使用的光电导天线高出六个数量级以上。自由电子激光器和气体激光器是目前可以获得太赫兹昀高输出功率的方法。 基于半导体技术的太赫兹量子级联激光器是一种发展迅速的太赫兹源,近年来半导体沉积生长技术取得了很大的进步,得到的多量子阱结构己经为发射激光提供了可能。使用分子束外延

31、工艺制备的耦合量子阱结构己经在1994年得到了量子级联激光。返波振荡器BWO又称返波管,利用电子注与周期性慢波线中的返波相互作用产生振荡的微波电子器件。耿氏振荡器是由耿氏二极管和谐振腔组成。它利用负阻效应来产生太赫兹波。1.1.2 太赫兹辐射的探测 光导天线被广泛地应用于太赫兹脉冲的探测。不加偏置电压的光导天线放在太赫兹脉冲光路上,同时让激光器产生的探测脉冲通过光导天线,在没有太赫兹脉冲时,锁相放大器探测到的信号为零,当太赫兹脉冲通过光导天线时给光导天线加一个偏置电压,从探测器上探测到的光电流大小与太赫兹辐射场成比例。由于探测脉冲的脉宽远远小于太赫兹脉冲的脉宽,可以通过调节两个脉冲之间的时间延

32、迟对太赫兹脉冲进9行取样 。图1.6 电光取样原理图电光取样技术应用的是线性电光效应又称帕克尔效应,是光整流效应的逆效应。其原理图如图1.6所示。当太赫兹电场通过电光晶体时,其瞬态电场将使电光晶体的折射率发生各向异性的改变,当探测光脉冲和太赫兹脉冲同时通过晶体时,太赫兹脉冲电场导致的晶体折射率改变将使探测光的偏振态变化,调整探测光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获得太赫兹脉冲电场的时间波形。电光取样技术中使用的电光晶体的厚度要适中,较厚的晶体可以给耦合提供较长的相互作用长度,从而可以得到较大的信号,但是厚度的增加会增大晶体对第 5 页 国防科学技术大学研究

33、生院硕士学位论文 10太赫兹脉冲的散射和吸收。太赫兹的热探测 必须减少环境的影响。热探测通常是宽带探测。常用的方法有热辐射计Bolometers,高莱池Golay cell和热释电探测器。热辐射计测量介质由于吸收辐射而引起温度的变化。常用的探测介质有硅、锗和InSb。热辐射计非常灵敏,但是它通常需要在液氦冷却环境情况下工作。因此,测量成本也很高。超导体热电子热辐射计HEB广泛应用于天文学。它异常灵敏,响应速度非常快。可以宽带探测。一般使用光子冷却技术控制环境温度。格雷盒是一种光声子探测器。当封闭的气体吸收辐射后发生膨胀,气体压强的改变与吸收的辐射功率有关。热释电探测器测量由于压电材料吸收辐射后

34、发热导致的准静电场发生的变化。 1.1.3 太赫兹的特性 目前,国际上对太赫兹已达成如下共识,即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源;太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域,给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用,首先是因为物质的太赫兹光谱(包括透射谱和反射谱)包含着非常丰富的物理和化学信息,所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义;其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质。太赫兹有以下几个方面的特性: (1)透视性 太赫兹对于很多介电材料和非极性的液体具有良好的穿透性。因此太赫兹可以对不

35、透明物体进行透视成像。太赫兹的一个很有吸引力的应用前景就是作为X射线成像和超声波成像等技术的补充,用于安全检查或者在质量控制中进行无损探伤。 太赫兹不仅对固体材料具有良好的透视性能,而且由于它的波长远大于悬浮的灰尘或烟尘颗粒的尺度(从亚微米到几十微米),这些悬浮颗粒对太赫兹的散射要远小于对光频和红外波段电磁辐射的影响。太赫兹即使在烟尘浓度可视度为零的环境中,其辐射损耗几乎不可测量。因此太赫兹是浓烟(火灾救护等)或风尘环境(沙漠等环境)中的理想光源。 (2)安全性 太赫兹的另一个显著特点是它的安全性。相对X射线具有千电子伏的光子能量,太赫兹的光子能量在毫电子伏的数量级,而且其光子能量低于各种化学

36、键的键能,因此它不会引起有害的电离反应。这一点在针对旅客身体的安全检查和对生物样品的检测等应用中尤其重要。另外,由于水对太赫兹具有非常强烈的吸收,太赫兹不能穿透人体的皮肤。因此太赫兹对人体的影响只能停留在皮肤表层,而不像微波可以穿透到人体的内部。 (3)光谱分辨本领 第 6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 尽管太赫兹的光子能量相对较低,这一波段仍然包含了丰富的光谱信息。大量的分子,尤其是有机分子,由于其转动和振动(包括集体振动)的跃迁,在这一频段表现出强烈的吸收和色散特性。太赫兹的光谱分辨特性使得太赫兹探测技术,特别是太赫兹光谱成像技术,不但能够辨别物体的形貌,而且可以鉴别物体的组成

37、成分。 (4)相干性 太赫兹的相干性源于其产生机制,它是有相干电流驱动的偶极子振荡产生,或是由相干的激光脉冲通过非线性光学效应(差频)产生。太赫兹相干测量技术能够直接测量出电场的振幅和相位,可以方便地提取样品的折射率、吸收系数,与利用Kramers-Kronig关系来提取材料光学常数的方法相比,大大简化了运算过程,提高了可靠性和精度。 (5)瞬态性 太赫兹的典型脉宽在皮秒量级,不但可以方便的对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究,而且通过取样测量技术,能够有效地抑4制背景辐射噪声的干扰。目前,辐射强度测量的信噪比可以大于10 ,远远高于傅立叶变换红外光谱技术,而且

38、稳定性更好。 (6)宽带性 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到几十太赫兹的范围,便于在大的范围内分析物质的光谱性质。图1.7 太赫兹图像的图像分辨率和景深都有显著的提高(7)太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比,它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加(超声、红外、X射线技术也能提高图像分辨率,但是毫米波技术却没有明显的提高)。另外太赫兹还有许多独特的特性,例如,在非均匀的物第 7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 质中有较少的散射,能够探测和测量水汽含量等。 太赫兹光谱技术不仅信噪比高,能够迅速地对样品组成的细微变化做出分析和鉴别,而

39、且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术,使它能够对半导体、电介质薄膜基体材料的物理信息进行快速准确的测量。以上这些特点决定了太赫兹在很多基础领域、工业应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景。 1.1.4 太赫兹的应用 太赫兹的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高,所以其空间分辨率也很高;而且其脉冲很短(皮秒量级),所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个关键技术。同时由于太赫兹能量很小,不会对物质产生破坏作用,所以与X射线相比更具优势。另外,由于生物大分子

40、的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段,由此太赫兹在粮食选种、优良菌种的选择等农业和食品加工业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究中,其广袤的科学前景为世界所公认。 (1)太赫兹成像技术 11太赫兹成像技术昀早是由Hu 和Nuss在1995年实现的 ,并在此后被应用于各个方面。太赫兹成像技术相对于可见光和X射线有非常强的互补特性,其穿透能力介于两者之间,且由于光子能量低,不会对人体和生物组织造成电离伤害,在材料研究、12-22安检、生物和医学方面的成像是目前开展昀广泛的研究 。 太赫兹成像技术不仅可以利用强度,还可以利用相位信息进行成像。使用太赫兹成像技术在车站、机场对行李或

41、旅客进行安检,可以准确的检查刀具、枪支、炸药、非法药品、毒品等。在皮肤癌和乳腺癌的诊断方面,国际上已经取得了一定的进展。太赫兹脉冲成像技术已被应用到人体皮肤癌的诊断研究,包括活体和非活体的诊断,23-24,30-32太赫兹成像技术有望成为癌症早期发现与诊断的新技术 。 对于太赫兹成像技术的分辨率,由于瑞利极限将系统的远场分辨率限定在太赫兹波长,即0.3mm左右,要提高空间分辨率就只有采用近场成像的方法。贝尔实验室的25Mitrofanov等用中心波长0.6mm的太赫兹波,得到了7m的空间分辨率 ,Yamashita26等对大规模集成电路成像时实现了3m的分辨率 。 (2)生物医学领域 生物医学

42、有机分子的振动和转动能级落在太赫兹波段,是太赫兹波在生物医学领域应用的基础。基于对蛋白质及其基因特性的研究,可建立起太赫兹生物分子诊断技术,从而极大的推动分子生物学的发展,并在医疗及药品的研制鉴定方面有很大的应用前景。 第 8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 由于生物大分子的振动和转动频率均落于太赫兹波段,太赫兹技术可以提取DNA的重要信息,在太赫兹谱内对应许多蛋白质和DNA分子的特征谱线,利用太赫兹时域光谱技术可以识别不同DNA的低频振动模式和基因标识。通过太赫兹揭示生物分子的构象和研究分子突变、分子结构变化过程,已经得到广泛开展。 13,23-29太赫兹医学成像和层析成像 ,有望

43、在生物和医学诊断与检测中得到应用。30-32目前,在皮肤癌和乳腺癌的诊断方面,国际上已经取得了一定的进展 。 (3)天文学 可观察的银河系光谱能量的50%分布在太赫兹波段,宇宙大爆炸98%的光子发射是太赫兹波,因此太赫兹波在天文科学领域的应用前景及科学意义巨大。宇宙背景辐射中太赫兹光谱分析,星系、星系间大气分子特征谱研究,行星和小星体的大气动力学探索,是天文学领域的研究热点。20世纪90年代以来国际上亚毫米波段已经取得了33-34一系列重要发现 ,2006年诺贝尔物理奖获得者,美国物理学家约翰马瑟和乔治斯穆特发现了“黑体辐射”的性质,这种宇宙线辐射被认为是在宇宙大爆炸时产生的,而约翰马瑟和乔治

44、斯穆特的发现是基于在太赫兹波段的观测结果。 (4)航天、航空、国家安全 由于太赫兹技术对材料的敏感性,太赫兹技术可以广泛的应用于机场、码头等,在安检、海关检查、反恐等国土安全方面,对毒品、爆炸物、化学、生物危险品和武器等非接触安全检测,邮件隐藏物的非接触检测等方面有巨大潜力。太赫兹雷达在反隐身方面有特殊功能,太赫兹卫星太空成像和通信技术可能是今后大国关注的重要领域。应用于航天飞机的无损检测,特别是对塑料泡沫等绝热材料内部的缺陷和裂痕进行无损检测和成像,在航空、航天结构材料的检测和评估方面,具有重要的应用价值。远程监视、严重烟雾尘土环境状态下武器的显示等,都具有重要的应用价值。 (5)通信技术

45、太赫兹用于通信可以获得10Gb/s的无线传播速度,这比当前的超宽带技术快几百甚至一千多倍,而且与可见光和红外线相比它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。这就使得太赫兹通信会以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然缺乏高效的太赫兹发射天线和发射源,使其无法在通信领域商业化,但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。通信方面的应用已引起高度重视,太赫兹技术可应用于卫星间通信、短程大气通信、短程地面无线局域网等。相关太赫兹通讯理论将成为该领域的热点。 1.1.5 太赫兹应用的现状 太赫兹波段的特殊性以及太赫兹光谱技术的独特优点,使得它在物理、化学、生物医学、通信、雷达、安全检查等各方面都有广阔的应

46、用前景。目前,全世界有200第 9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 多个研究小组在从事太赫兹相关研究,比如美国伦斯勒理工大学、Rice大学,英国剑桥大学、里兹大学,德国汉堡大学,日本东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学以及日本物理化学研究所等,韩国汉城大学、浦项科技大学,新加坡国立大学等。国内,在太赫兹研究方面有中国科学院物理研究所、上海应用物理研究所、西安光学与精密仪器研究所、天津大学、浙江大学、首都师范大学等科研院所和高校以及我国台湾地区的台湾大学等。太赫兹技术已经成为全世界研究的热点。 在太赫兹的应用方面,Exter等(1989)利用脉冲的太赫兹测量了水蒸气的吸收光谱。该方法首先测量太赫兹的时域波形,然后再通过傅立叶变换得到光谱信息,因此被称为太赫兹时域光谱。由于太赫兹时域光谱是相干测量,并且在测量中应用了“时间门”的技术,该技术可以极大的降低背景辐射对测量的影响。太赫兹时域光谱可以清晰的测量火焰中各组分的吸收光谱,尽管火焰本身的太赫兹辐射强度远高于时域光谱中太赫兹辐射源的平均光强。另外,因为它具有时间分辨的能力,太赫兹光谱技术被用来探测半导体中载流子的动态过程。太赫兹时域光谱技术直接测量太赫兹辐射的电场