太赫兹波光谱特性
实验1——地物光谱的测试
实验1 可见光与近红外波谱测试 1.1实习概述 按照国家光谱数据库数据测试参考标准选择典型进行地物反射、发射光谱测试。根据所测的光谱曲线特征选择最佳遥感波段和最佳遥感时间。 1.2实习目的 ①掌握地物反射、发射光谱特性的基本概念，特点； ②掌握典型地物光谱的测试方法和实验数据分析处理的基本流程和方法； ③分析影响地物波谱特性测定的因素；了解地物表面不同几何状况、含水状况、 风化状况、粗糙程度对反射、发射光谱的影响；了解多种地物光谱随时间变化的特征与规律；了解入射和观测角度变化对地物光谱的影响。 ④培养学生理论联系实际及知识的综合运用能力，为后续专业课程学习创造条 件。 1.3实习任务 测量试验区的植被、水、土壤、道路的光谱特性。要求测定不同植被、水、土壤、道路的波谱特性曲线，即每类地物至少选择5个小类（或样本）。 ①清水、营养化水、污染水反射光谱、发射光谱测试与特征分析； ②不同覆盖度、不同长势植被覆盖反射光谱、发射光谱测试与特征分析； ③城乡非自然目标反射光谱、发射光谱测试与特征分析； ④土壤反射光谱、发射光谱测试与特征分析； ⑤岩石反射光谱、发射光谱测试与特征分析。 要求：上述5个实验根据具体情况必作2个，选作1个。
1.4设备（软件）及资料准备 1.4.1 实习设备及软件 测定地物反射光谱特性的仪器是可见光、近红外光谱仪。仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。测定地物发射光谱特性的仪器是热红外波谱仪、热红外辐射计。 1.4.2 实习前准备工作 1.4. 2.1 光谱测试仪器的标定 测量仪器在采集数据前必须通过指定的定标实验室的定标检测，检验仪器的工作性能。仪器的定标在室定标和实验场地现场定标，并在提交数据时附上相应测量仪器的定标报告。若对同一种典型地物（农作物、岩矿、水体等）的相同观测项目采用不同型号的测量仪器，则必须在观测实验前到指定的实验室或实验场进行统一校准和比对：即在相同的条件下，同时测量同一目标，进行归一化处理，分析各仪器的误差，以精度高的仪器为准，进行误差订正，并在提交数据时应附上相应测量仪器的比对报告。其中波谱仪与辐射计的性能要求为： ⑴可见光、近红外波段波谱仪 ①波谱仪读数时间漂移最大值，在0.38－1.1μm 围平均不得超过3％； ②波谱仪的读数的线性度误差不得超过1％； ③波谱仪在0.38－1.1μm 围波长绝对误差平均不得超过0.8nm。 ⑵短波红外波段波谱仪 ①在1.1－2.5μm 围波谱仪读数时间漂移最大值，平均不得超过5％； ②波谱仪读数的线性度误差不得超过3％；
第四章 太赫兹时域光谱
第四章太赫兹时域光谱 电磁波谱技术作为人类认识世界的工具，扩展了人们观察世界的能力。人眼借助于可见光可以欣赏五颜六色的世界，利用红外变换光谱技术和拉曼光谱技术等可以了解分子的振动和转动等性质，利用X射线衍射技术可以了解物质的结构信息。而太赫兹光谱技术作为新兴的光谱技术能够与红外、拉曼光谱技术形成互补，甚至在某些方面能够发挥不可替代的作用，从而成为本世纪科学研究的热点领域。 4.1 太赫兹时域光谱技术的优势 太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是太赫兹光谱技术的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术。由于太赫兹辐射本身所具有的独特性质（可参见第1章1.3节），太赫兹时域光谱技术对应有如下一些特性： （1）THz -TDS系统对黑体辐射不敏感，在小于3太赫兹时信噪比可高达104，这要远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性业比较好。 （2）由于THz -TDS技术可以有效的探测材料在太赫兹波段的物理和化学信息，所以它可以用于进行定性的鉴别工作，同时它还是一种无损探测的方法。 （3）利用THz -TDS技术可以方便、快捷的得到多种材料如电介质材料、半导体材料、气体分子、生物大分子（蛋白质、DNA等）以及超导材料等的振幅和相位信息。 （4）在导电材料中，太赫兹辐射能够直接反映载流子的信息，THz -TDS的非接触性测量比基于Hall效应进行的测量更方便、有效。而且，THz -TDS技术已经在半导体和超导体材料的载流子测量和分析中发挥出了重要的作用。 （5）由于太赫兹辐射的瞬态性，可以利用THz -TDS技术进行时间分辨的测量。 另外，太赫兹-TDS技术还具有宽带宽、探测灵敏度高，以及能在室温下稳定工作等优点，所以它可以广泛地应用于样品的探测。 4.2 太赫兹时域光谱系统 THz -TDS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
电磁辐射与地物光谱特征
注：教师讲稿附后
第2章电磁辐射与地物光谱特征 2.1 电磁波谱与电磁辐射 2.1.1 电磁波谱（1-16） 1、波：振动的传播称为波。（纵波、横波） 2、电磁波：电磁振动的传播。 3、电磁波的性质：横波、真空中以光速传播、波粒二象性。 4、电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，构成电磁波谱。 2.1.2 电磁辐射的度量（17-22） 1、辐射源：任何物体都是辐射源。不仅是发光、发热的物体，发出其它波段电磁波的物体也是辐 射源。 2、辐射能量： 1）辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位J； 2）辐射通量（φ）：在单位时间内通过某一面积的辐射能量，单位W=J/S 3）辐射通量密度（E）：单位面积上的辐射通量，单位W/m2. ◆辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，记为: I=dΦ/dS，单位是W/m2, S 为面积。 ◆辐射出射度(M)：温度为T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，记为:M=dΦ/dS，单 位也是W/m2，S为面积。 4）辐射强度：是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量。 5）辐射亮度（L）：描述面辐射源的辐射特性的，指在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。L=φ/[Ω（Acosθ）]。 6）朗伯源：辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源。 2.1.3 黑体辐射（23-35） 1、绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体称为绝对黑体。 2、黑体辐射规律：普朗克公式 （1）斯忒藩一玻尔兹曼定律 （2）维恩位移定律 （3）瑞利-金斯定律 3、实际物体的辐射 （1）基尔霍夫定律 （2）实际物体的辐射 （3）例子：P23
太赫兹光谱技术检测水分及水合作用的研究进展
Advances in Analytical Chemistry 分析化学进展, 2018, 8(1), 1-10 Published Online February 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/8c12649357.html,/journal/aac https://https://www.wendangku.net/doc/8c12649357.html,/10.12677/aac.2018.81001 Research in Moisture and Hydration Detection by Terahertz Time Domain Spectroscopy Liping Liu1*, Yufei Wang1, Yazhou Zhang1, Fei Yang2, Maojiang Song2 1School of Food and Drug Manufacturing Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang Guizhou 2Guizhou Institute of Metrology, Guiyang Guizhou Received: Jan. 11th, 2018; accepted: Jan. 25th, 2018; published: Feb. 5th, 2018 Abstract The terahertz (THz) radiation occupies a large portion of the electromagnetic spectrum between the microwave and infrared bands. It refers to the frequency between the 0.1 THz to 10 THz (the wavelength is 3 mm to 30 μm). Since it possesses many attractively characteristic properties, THz imaging and sensing technologies can provide information not available through conventional methods such as microwave and X-ray techniques. THz waves contain rich information involved in molecular vibration and rotation, and have sub-picoseconds pulse width, low photon energy, and high space-time coherence. Combined with the terahertz imaging systems of transmission type and reflection type, a general review of its application in medical applications, forestry products, agriculture/food products by using THz time domain scan-imaging technology is provided. The achievements and the problems to be solved are also discussed. We also reviewed the water structure and interaction in the solution detected by terahertz time spectroscopy and conducted the research of our study. Keywords Terahertz, Spectroscopy, Moisture Imaging, Moisture Detection, Water Interaction 太赫兹光谱技术检测水分及水合作用的 研究进展 刘丽萍1*，王煜斐1，张亚洲1，杨霏2，宋茂江2 1贵州理工学院，食品药品制造工程学院，贵州贵阳 *通讯作者。
第四章 太赫兹的时域光谱
第四章太赫兹的时域光谱 利用太赫兹脉冲可以分析材料的性质，其中太赫兹时域光谱是一种非常有效的测试手段。太赫兹脉冲时域光谱系统是在二十世纪九十年代出现的，太赫兹脉冲光谱仪利用锁模激光器产生的超快激光脉冲产生和探测太赫兹脉冲。最常用的锁模激光器是钛宝石激光器，它能产生800nm附近的飞秒激光脉冲。 太赫兹时域光谱系统是一种相干探测技术，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等光学参数。太赫兹时域光谱有很高的探测信噪比和较宽的探测带宽，探测灵敏度很高，可以广泛应用于多种样品的探测。 典型的太赫兹时域光谱系统如图4-1所示，主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置、太赫兹辐射探测装置和时间延迟控制系统组成。飞秒激光器产生的激光脉冲经过分束镜后被分为两束，一束激光脉冲(泵浦脉冲) 经过时间延迟系统后入射到太赫兹辐射源上产生太赫兹辐射，另一束激光脉冲（探测脉冲）和太赫兹脉冲一同入射到太赫兹探测器件上，通过调节探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟可以探测出太赫兹脉冲的整个波形。 太赫兹时域光谱系统分为透射式和反射式，所以它既可以做透射探测，也可以做反射探测，还可以在泵浦-探测的方式下研究样品的时间动力学性质。根据不同的样品、不同的测试要求可以采用不同的探测装置。 图4-1 典型的太赫兹时域光谱系统 4.1 透射式太赫兹时域光谱系统 材料的光学常数（实折射率和消光系数）是用来表征材料宏观光学性质的物理量，它是进行其他各项研究工作的基础。但是一般材料在太赫兹波段范围内的光学常数的数据比较少。利用太赫兹时域光谱技术可以很方便地提取出材料在太赫兹波段范围内的光学常数。在本节中所介绍的是T.D.Dorney和L.D.Duvillaret等人提出的太赫兹时域光谱技术提取材料光学常数的模型。实验中的太赫兹时域光谱系统
基于太赫兹时域光谱技术的生物分子鉴别及相互作用研究
基于太赫兹时域光谱技术的生物分子鉴别及相互作用研究 太赫兹波(Terahertz wave,THz)是指频率介于0.1-10THz之间的电磁辐射,处于电子学到光子学的过渡区域。作为光谱测量技术的一个重要手段,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术展现出独特的优势。太赫兹技术为生物学、物理学、化学等诸多学科的发展提供了新的研究手段。太赫兹波技术在林业科学相关研究、食品质量安全、医学检测及诊断、爆炸物检测、太赫兹通信、有机生物分子探测、天文遥感等方面都很好的应用前景。 太赫兹时域光谱技术可同时测量电场的相位和幅度,经傅里叶变换,样本材料在该波段的吸收系数、折射率以及复介电常数等参数都可以获得。太赫兹电磁波谱与有机物及生物分子(如DNA、RNA、蛋白质等)的转动和振动能量对应,是研究生物分子和有机物方面非常有效的工具。太赫兹辐射光子能量非常低,在进行生物检测时不会造成生物电离;同时太赫兹波属于远红外和毫米波范畴,具有低散射的特点。以上优点使太赫兹做生物检测时具有天然的优势。 本文在国家973计划“活细胞的太赫兹波无标记检测技术基础研究”(2015CB755401),国家自然科学基金项目“‘十二五’国家科技支撑计划项目”(2012BAK04B03),重庆市科学技术委员会项目“太赫兹复合材料无损检测成像设备”(cstc2013yykfC00007)的共同资助下,利用太赫兹时域光谱技术鉴别固相生物分子的种类;研究液相生物分子的相互作用;与超材料相结合,鉴别液相生物分子种类;研究液相生物分子间的相互作用。主要研究内容如下:1、对应用太赫兹光谱技术研究生物分子的研究现状进行了详细梳理与总结;重点介绍了与用 THz-TDS技术检测固相样本、液相样本以及液相样本与超材料结合相关的研究成果;对后续章节中实验中用到的样品制作工艺和实验设备进行描述。在此基础上,提出本文的主要研究思路和内容。2、详细说明了不同生物分子样本的制作流程及注意事项;对太赫兹辐射源的工作原理、结构及太赫兹波的探测手段和方法进行介绍;介绍了THz-TDS系统的工作原理及结构;重点讨论了透射式THz-TDS技术的原理和系统结构以及提取材料参数的理论依据和方法。 3、对外观相似,直观上难以区分,且没有明显的特征吸收峰的固相生物分子进行鉴别,首先利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)提取了不同生物分子样本的透射光谱数据的主成分,然后结合基于网格搜索算法的支持向
地物光谱反射率分析
实习报告 实习题目：地物光谱测定 实习时间，地点：天山堂前面空地贺兰堂地信专业机房 实习目的：认识地物光谱反射率的规律，分析典型地物的光谱特征 使用仪器：地物光谱分析仪 测量目标的基本信息：草地，裸地，水泥路，红灌丛，绿灌丛 环境参数表：气温：18度 实习内容，实习步骤：1. 用ASD软件打开外业测量地物光谱数据，去除十条曲线中明显异常曲线 打开ASD软件→file→open→选中测得的十条曲线→打开→选择加载的十条数据→view→graph data→在空白处右击→customization dialog→axis→min/max(设置max为1)，根据图形删除其中一条或多条异常曲线（在目录中直接删除） 2.对符合条件的地物光谱曲线进行处理(导出每种地物的JPG、tab和平均值.mn数据) ①加载符合条件的曲线（方法与步骤1相同）→export→分别
选择jpg，设置输出路径和文件名，点击export即可 ②求每种地物的平均值曲线 Process→statistics→选择mean→设置输出路径和文件名即可 对于上述导出的平均值曲线，点击export→分别选择text格式，设置输出路径和文件名，点击export即可导出.dat文件 3.处理数据 ①对每种地物的jpg文件，只需要分析其曲线特征（联系地物实际特性来分析其在可见光（380-760nm）和近红外（760-1500nm）之间的光谱特征） ②将上述的dat文件（五个）分别用excel打开，并且计算红、绿、蓝波段的平均值，蓝光101-171，绿光171-251，红光281-341，将计算好的五组数据放入新的excel表中，并绘制折线图 ③将步骤2中的各种地物平均值数据在ASD中打开，方法如步骤1所示，并将其按照jpg格式导出，并对其进行分析。 反射率曲线及分析：
遥感导论-习题及参考答案第二章 电磁辐射与地物光谱特征答案
第二章电磁辐射与地物光谱特征 ·名词解释 辐射亮度：由辐射表面一点处的单位面积在给定方向上的辐射强度称为辐射亮度。 普朗克热辐射定律：在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1 灰度波谱：用该类型在该波段上的灰度值反应的波谱曲线 黑体辐射：任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。 电磁波谱：将电磁波按大小排列制成图表。 太阳辐射：太阳射出的辐射射线 瑞利散射：大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射 米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射 地球辐射：地面吸收太阳辐射能后，向外辐射的射线。 地物波谱特性：各种地物因种类和环境条件不同,都有不同的电磁波辐射或反射特性 反射率：地物反射能量与入射总能量之比。 比辐射率：某一物体在一特定波长和温度下的发射辐射强度与理想黑体在相同波长和温度下所发射的辐射强度之比。 后向散射 ·问答题 地球辐射的分段特性是什么？ 当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球本身的辐射，几乎可以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，即6um以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只考虑地表物体自身的热辐射。两峰交叉之处是两种辐射共同其作用的部分，在2.5~6um，即中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。 什么是大气窗口?试写出对地遥感的主要大气窗口 答：大气窗口的定义：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高 的波段成为大气窗口。 包括：部分紫外波段，0.30 m μ~0.40m μ，70%透过。 全部可见光波段，0.40 m μ~0.76m μ，95%透过。 部分近红外波段，0.76 m μ~1.3m μ，80%透过。 近红外窗口：1.5 m μ~2.4m μ，90%透过，可区分蚀变岩石。 包括两个小窗口：1.5 m μ~1.75m μ 2.1 m μ~2.4m μ。 中红外窗口：3.5 m μ~5.5m μ，反射和发射并存。 包括两个小窗口（反射和发射混合光谱）：3.5 m μ~4.2m μ 4.6 m μ~5m μ 远红外窗口：8 m μ~14m μ，发射电磁波，热辐射。 微波窗口：0.5cm~300cm
激光测试原理
武汉光电国家实验室（筹） 激光测试原理与技术 课程报告 太赫兹相干层析技术 学号：M201272511 姓名：黄亚雄 专业：光学工程 指导教师：齐丽君 2013年6月8日
太赫兹相干层析技术 摘要 太赫兹成像技术的研究是目前太赫兹研究领域的热门课题，本论文主要针对太赫兹成像技术进行了系统的介绍与分析。与光学相干层析成像技术相结合，我们提出了一种太赫兹相干层析技术。该技术的纵向分辨率可达100μm以下，这一实验结果高于太赫兹飞行时间成像技术和合成孔径成像技术。此外，该技术具有系统结构简单、紧凑等特点，在高精度的材料无损探伤领域具有及其巨大的应用前景。 关键词：太赫兹成像技术相干层析成像材料无损探伤分辨率 引言 由于太赫兹对大部分非金属材料和非极性物质具有极强的穿透能力，并且对单光子能量低，不会对生物组织产生有害的电离作用，因此太赫兹技术被广泛的应用于材料无损探测、安检机生物组织病变检测等成像领域。 1995年，Hu等人首次在太赫兹时域光谱系统中加入一二维扫描的载物台，待测样品被放置在太赫兹聚焦点上，并在与太赫兹垂直方向进行二维扫描，通过记录下每个扫描点透过的太赫兹时域波形，形成样品的太赫兹图像。他们使用这种方法完成了对微电子芯片内部结构的成像。此后，太赫兹成像引起了研究人员的极大关注，并逐渐发展起来了一些新的太赫兹成像技术，主要包括以下几种： (1) 连续太赫兹波二维成像技术 (2) 合成孔径成像技术 (3) 太赫兹近场成像技术
(4) 脉冲太赫兹波飞行时间成像技术 (5) 太赫兹波计算机辅助层析成像技术 研究一种系统结构及扫描方式简单、成像精度高的太赫兹三维层析成像技术在材料高精度无损探测领域具有及其重要的意义。学相干层析成像技术是基于宽带光源的弱相干特性对待测物体内部结构进行高分辨率层析成像的技术，它依靠光源的时间相干性，对物体进行三维结构重构。太赫兹对非金属材料很强的穿透能力，其穿透深度很高，将太赫兹技术与光学相干层析技术结合起来，我们提出了太赫兹相干层析技术。 一太赫兹相干层析技术 相对红外和微波，由于太赫兹波较低的单光子能量和对大部分非金属材料具有较高的穿透性能等特点，近几十年来逐渐引起了人们的研究热潮。自1995年Hu等人[错误！未定义书签。]首次利用太赫兹辐射进行二维成像实验以来，太赫兹成像技术受到世界许多研究人员的关注。2002年，B. Ferguson等人将X射线波段的层析成像技术移植到太赫兹波段，提出太赫兹三维层析成像的概念[错误！未定义书签。]。该技术原理是一束太赫兹波穿透被成像物体后，然后通过平移和转动，使太赫兹以不同位置和不同角度穿透被成像物体，通过Radon变换计算物体吸收率的空间分布，实现对物体三维重构。但是，在某些场合，待成像物体无法绕轴旋转，应用受到极大的限制。2009年，德国Synview公司报道了一种基于连续太赫兹波的三维成像技术。该技术使用一个中心频率为300GHz的返波管作为太赫兹源，利用电学调制的方法测量不同反射波到达探测器所需的时间，计算待测物体离探测器的相对距离，实现对待测物体的三维重构。由于所使用的是单频长波长的太赫兹源，考虑到衍射极限的限制，该技术的最佳纵向分辨率为0.5mm，对于某些需要高精度测量的应用领域是不够的。 光学相干层析成像技术（Optical Coherent Tomography, OCT）是一种高分辨率光学无损成像技术，可以无损伤地探测样品结构及成分，可以实现二维或三维
太赫兹(THz)技术资料讲解
太赫兹(THz)技术 一、基本概念 (1) 1. 太赫兹波 (1) 2. 太赫兹波的特点 (1) 二、国内外研究现状 (2) 1. 美国 (3) 2. 欧洲 (3) 3. 亚洲 (3) 三、太赫兹技术的应用 (4) 1. 太赫兹雷达和成像 (4) 2. 太赫兹通信 (5) 3. 太赫兹安全检查 (6) 4. 太赫兹无损检测 (7) 5. 环境探测 (7) 6. 生物医学 (8) 7. 天文观测 (8) 8. 材料特性的研究 (9) 四、太赫兹技术的研究内容 (9) 1. 太赫兹辐射源 (9) 2. 太赫兹波段信号的探测 (10) 3. 太赫兹功能器件 (10) 五、我们能做些什么 (10)
一、基本概念 1.太赫兹波 太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。 2.太赫兹波的特点 THz波具有很多独特的性质。从频谱上看，THz 辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域， THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看, THz波段的能量介于电子和光子之间。 THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。 THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质： 1)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于) THz电磁波时域谱，并且具有对黑
太赫兹技术及其应用研究
太赫兹技术及其应用研究 姓名：王结库 学号：0710940414 专业班级：电科074 指导老师：于莉媛
太赫兹技术及其应用研究 摘要：太赫兹技术是一个具有广泛应用前景的新兴学科，近10年来，太赫兹技术理论研究的蓬勃发展带动了太赫兹波应用研究的迅速扩大。作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理化学、信息和生物学等基础研究领域，以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景。文章简要介绍了太赫兹波的重要特性集、太赫兹技术的研究现状及应用前景，重点介绍了太赫兹技术的特性、及在国防领域的应用。 关键词：太赫兹；特性；太赫兹波成像；应用 1 引言 太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，通常它是指频率在0.1THz一10 THz(波长在3um～3 mm)之间的电磁波，在某些特定场合，指0.3 THz一3 THz之间的电磁波，还有一种更广泛的定义，其频率范围高达100THz．直到上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”(Teraheaz Gap)，对太赫兹波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲太赫兹技术产生以后．近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，太赫兹技术表现出了极大的应用潜力．作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域。以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景．本文将对太赫兹辐射的特性进行介绍，并在介绍太赫兹技术的常见应用基础上，着重对太赫兹技术在有关国防领域的潜在应用进行介绍． 2 特性 太赫兹波之所以引起科学界浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它是一类广泛存在而并不为人所熟悉的电磁辐射，更重要的原因是它具有很多独特的性质，正是这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景．从频谱上看，太赫兹辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域。太赫兹辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间． 2.1 波粒二相性 太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性．太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性；在与物质互相作用时，太赫兹波还显示出粒子特性． 2.2 穿透性
太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用
太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用 发表时间：2015-11-05T14:17:32.303Z 来源：《医师在线》2015年17期作者：李胜 [导读] 湖北省恩施州公安局刑侦支队 445000 太赫兹光谱技术因此被广泛运用于生活各方面，如工业、医药和食品等。本文则重点介绍了太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用现状，应用原理以及其发展前景。 （湖北省恩施州公安局刑侦支队 445000） 【摘要】太赫兹光谱技术在近年来发展迅速，许多国家纷纷投入大量资金及人力去研发太赫兹光谱技术。太赫兹光谱技术因此被广泛运用于生活各方面，如工业、医药和食品等。本文则重点介绍了太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用现状，应用原理以及其发展前景。 【关键词】太赫兹光谱技术；毒品检测；光谱分析；应用 【中图分类号】 R2 【文献标号】 A 【文章编号】 2095-7165（2015）17-0364-01 毒品不仅影响人们的身心健康，更影响着社会的稳定和谐。但是仍有许多不法分子在暗地里通过非法途径进行非法的毒品交易活动。为了侦破不法分子的伪装，检测人员用过许多手段来检测毒品，如红外光谱和生化检测方法等，然而许多方法都存在缺陷，太赫兹光谱技术则为检测毒品提供了一个新的安全可靠的途径。 1. 太赫兹光谱技术概述与性质 太赫兹光谱技术是近年来兴起的一种探测技术，在我国各个重要领域都发挥着不可或缺的作用。太赫兹光谱技术在很多国家都受到强烈重视，很多国际和地区专门为其成立了许多研发机构，目前已经被应用于化学、波导、石油天然气开采等多种场所。太赫兹光谱技术受到世人的青睐，与它本身具有的性质有着很大的关系。 1.1 太赫兹光谱有着良好的透视性 对于很多物质材料和液体来说，太赫兹波都具有良好的穿透能力，利用它的这一特点，可以对很多不透明的物体进行透视，并进行成像。目前进行透视技术主要采用X 射线或者是超声波成像技术，这两种技术都具有一定的局限性，如X 射线对人体健康造成威胁等。而太赫兹光谱成像技术则可以对这两种技术进行补充，可以将其运用于安全检查或者某些工程的质量控制过程中的无损探伤。 1.2 太赫兹光谱技术具有良好的安全性 从安全性的角度来讲，太赫兹波的光子能量强度非常低，很难造成对电介质材料有害的电离反应，对材料不会造成损害。除此之外，太赫兹波会被水进行完全吸收，因此，太赫兹波不会穿透人的皮肤，也就不会对人体内部细胞造成危害，只能对人体的皮肤层造成一定的影响。 1.3 太赫兹波具有良好的波谱分辨能力 太赫兹波具有良好的波谱分辨能力，这个特点可以用来鉴别不同波普结构的分子。同时，利用太赫兹波的波谱分辨能力，不仅可以探测出物体的形状特征，更可以识别出组成该物体的分子成分。 2. 太赫兹光谱技术在毒品检测中的原理及优势 毒品在我国是被严厉禁止的，它不仅会对吸食者的身心健康造成严重损害，还会导致一系列社会问题，影响社会的稳定和经济的发展。因此，国家安检人员在很多时候需要对藏匿在包裹中的毒品进行检测。然而，由于缺乏先进和准确的探测技术，对于毒品的检测目前很难使人们满意。太赫兹光波具有以上特点，因此，利用太赫兹光谱技术的无损检测可以很好地解决这一难题。 太赫兹光波技术在毒品检测方面主要运用到太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术，其中，太赫兹光谱技术最为关键。从分子结构上来分析，很多毒品都可以分解为结构略有差异的有机大分子。而太赫兹光波对于不同有机大分子间的微小差异十分敏感，通过太赫兹光波对有机大分子间的距离、振动频率、分子间的作用力等进行探测，便可以形成不同的特征光谱，再通过成像技术将这些光谱呈现在电脑上，通过与数据库里的毒品的分子结构进行比对，就可以准确和高效的探测出包裹中藏匿的毒品。 目前安检人员检测毒品主要是通过使用警犬和X 射线等。使用警犬时必须要求毒品密封不严或者有少量被散落在密封装置外面，这样警犬才能嗅到毒品的存在。而X 射线检测毒品则很难确定其种类，同时还会对人体造成一定的辐射危害。在实验室中，科学家经常采用化学法、核磁共振等技术来进行毒品检测，然而这些技术对样品都会造成一定的损害，并不能做到无损检测，并且在检测的准确性方面也打不到要求。因此，太赫兹光谱检测技术在毒品检测中就具有很大的优势，有着高效性、准确率高、无损检测、对人体危害小等优良特征。 3. 太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用 首都师范大学与第一公安部研究所曾合作研究测量了毒品的太赫兹光谱，并建立了毒品数据库。这些数据与国际一致认可的实验值是符合的，由此也证实了太赫兹光谱检测毒品的可靠性。试验证明，包装物对毒品的太赫兹光谱几乎没有影响，也就是说隐藏在包装物中的毒品也可以用太赫兹光谱技术检测出来。试验中证实，毒品太赫兹光谱识别最有效的方法有两种。第一是通过R2公式来计算检测结果与实验值的相似性，这是最简单有效的方法，公式计算简单，准确率高，并且可以及时检测毒品。第二种是利用自组织映射网络即SOM 来对毒品进行定性识别检测。SOM 对于不同种类的毒品可以通过训练运算，映射出一张反应各自分布特征的图。因此，只要将需要检测的毒品输入网络，就可以得到其分布图，根据数据库，就可以找出对应的分类。除此之外，太赫兹成像技术也可以用于定性识别毒品。太赫兹辐射对于大多数电介质材料都有良好的穿透效果，而且太赫兹光线也不会损害电介质材料，因此可以进行无损成像。试验研究显示，太赫兹成像技术不仅可以获取毒品的太赫兹光谱特征，还可以辨别毒品混合物。但太赫兹成像技术也有其局限性，因为太赫兹成像技术会受到水蒸气的干扰而导致检测结果不准确，因此在检测毒品，必须在干燥的环境下进行操作。除此之外，利用SVM 神经网络也可以检测毒品和毒品混合物的各组分种类，并可以获得准确的检测结果；也可利用最小二乘法来对毒品混合物的组分含量进行定量识别。 4. 太赫兹光谱技术在毒品检测中的前景展望 太赫兹光谱技术给光谱研究领域带来了一个新的挑战，也是一个得以继续发展的机遇。目前利用太赫兹光谱技术检测毒品的项目仍在初步探索过程，还不能广泛运用于实际中的毒品检测。但是利用太赫兹光谱技术检测毒品的理论和试验研究表明，太赫兹光谱技术将会成为毒品检测的一种新型可靠手段。 5. 总结 传统的毒品检测手段都存在一定的危险性，有的甚至威胁到检测人员的身体健康。利用太赫兹光谱技术来检测毒品虽然还未正式投入实践中，但太赫兹光谱技术的前景已经可以预见。太赫兹光谱技术一定会凭借其安全性和准确性的优势而被更广泛地运用于其它领域。 【参考文献】 [1] 和挺,沈京玲.太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用研究［J］.光谱学与光谱分析,2013,33(9):2348-2353. [2] 贾燕,李宁,逯美红等.太赫兹光谱和成像技术在毒品识别和检测方面的应用［J］.现代科学仪器,2006,(2):41-44. [3] 江德军,王光琴,贾燕等.太赫兹波及其在毒品检测中的应用［J］.北京石油化工学院学报,2006,14(4):84-89.
自建太赫兹时域光谱仪解决方案
Kit for building your own THz Time-Domain Spectrometer
Table of contents 0.Parts for the THz Kit (3) 1.Delay line (4) 2.Pulse generator and lock-in detector (5) 3.THz antennas (6) 4.T3DS software (7) 5.Basic steps to build your THz spectrometer (8) 6.Contact details (12)
0.Parts for the THz Kit The kit to build your THz Time-Domain spectrometer includes the following items: ?delay line (linear stage) from Zaber Technologies to match the pulse propagation times of optical and THz beam path ?combined pulse generator and lock-in detector based on a data acquisition system from National Instruments ?set of two THz antennas (free space or fiber-coupled) ?laptop with T3DS software to control the delay line and the data acquisition system
太赫兹的相关产品及介绍说明
TDS 以及 FDS 光谱系统的成像光束 我们的太赫兹成像相机是一款测量 TDS 以及 FDS 光速轮廓的完美工具。TERASENSE 与 TOPTICA 研究者在我们的研发项目中已证实了这款产品的实用性。这个研发项目是继 2015 年 3 月 19 日-20 日在慕尼黑的 TOPTICA 总部举行的技术会议而产生的。我们对在这次在 TDS 以及 FDS 系统的应用前景相当自信，这次的相互促进合作标志着一个新时代的到来，同 时也是标志 TERASENSE 成像仪的时代的到来。 太赫兹时域光谱(THz-TDS) 太赫兹时域光谱运用了光谱技术，通过这个技术材料的属性可通过太赫兹辐射短脉冲探测 出来。生成和检测方案对样板材料在太赫兹辐射的振幅和相位的效果都是非常敏感的。脉 冲太赫兹辐射是由光电导开关产生(GaAs 或者 InGaAs/InP)产生的，通过 femtosecond 激 光照射。最后，事实上傅立叶变换的太赫兹振幅产生的太赫兹频谱的频率范围为 0.1 – 5 太 赫兹。 Test of TeraSense camera operation with TDS system TeraSense 相机在 TDS 系统的检测 ? 50 GHz – 0.7 THz 频率范围 ? 1.5 x 1.5 mm 2 像素大小 ? 1 nW√Hz 噪声等效功率 ? 每秒高达 50 帧 ? 16x16, 32x32, 64x64 总像素型号 ? 光纤耦合 InGaAs 光电开关 ? 0.1 – 5 THz 带宽 ? >90 dB 动态范围峰值 ? 平均功率 25 uW
100MHz脉冲重复率 太赫兹频域光谱(THz-FDS) 太赫兹频域光谱运用了光谱技术，通过这个技术材料的属性可用持续波(cw)太赫兹辐射探测出。辐射是通过在高带宽的光电导体中的光外差作用获得的：两个持续波激光的输出转换成太赫兹辐射，正是在不同频率的激光。光电混频器由一个小型金属-半导体-金属结构表示。使用偏压到半导体结构中，然后产生一个振荡在跳动频率的光电流。输出频率范围从50GHz高达1.5THz。 Test of TeraSense camera operation with TDS system
太赫兹时域光谱技术原理File
太赫兹时域光谱技术原理 4.3.1 透射式太赫兹时域光谱技术 如上图所示，在时域中可测得含有样品信息的太赫兹脉冲E sam (t)和不含样品信息的探测脉冲E ref (t)，然后分别对它们进行傅立叶变换，将它们转换到频域中的复值)(~ωsam E 和)(~ωref E ，可求出它们的比值为: {}}])(~2exp[)]1(~[]1)(~[1]1)(~[exp ]1)(~[)(~4])([exp )()(~)(~2 22d c n i n n d c n i n n d c i T E E ref sam ωωωωωωωωωωφωωω-+--???--+=-?-= 其中，)()()(~ωωωik n n -=是复折射率，)(ωT 为所测的透射功率，)(ωφ?表示固有的相移，而d 和c 则分别表示被测样品的厚度和真空中的光速。 从实验中我们可以测得)(ωT 和)(ωφ?，而后由它们可以求出)(ωn 和)(ωk 。最后根据所计算出的复折射率，反复对其进行修正，以使测量值和计算值之间的误差减到最小。 根据最后所得到的复折射率，很容易能够将其转换为复相对介电常数（也可以是复介电常数）)()()(~21ωεωεωεi -=，或者是复电导率)()()(~21ωσωσωσi -=。它们之间的关系是)(~)(~2ωωεn =，)()(201ωωεεωσ=，])([)(102∞--=εωεωεωσ。其中，∞ε为物质在足够高的频率条件下的介电常数，0ε为物质在自由空间的介电系数。 太赫兹辐射也可以通过干涉测量法来测得，但是这种方法的缺点是只能测出振幅信息，而相位信息却丢失了。所以利用这种方法很难得到复折射率。 4.3.2 反射式太赫兹时域光谱技术 如果被测样品是光厚介质（如重掺杂载流子的半导体）的话，那么则需要使用反射式THz -TDS 来对其进行探测。将从样品上和反射镜上所测得的脉冲信号)(t E sam 和)(t E ref 进行傅立叶变换后可得到各自的复值)(~ωsam E 和)(~ωref E 。在垂直入射的条件下，它们的比值为; )] (~1)][(~1[)](~1)][(~1[)](exp[)()](exp[)()(~)(~ωωωωωφωωφωωωref ref ref ref sam n n n n i R i R E E -++-=?-?-= 上式中)(~ωref n 表示反射镜的折射率。这里还要求反射镜的表面和样品放置在同一水平面上，稍微的错位就会导致相位变化很大，所以它们之间的误差要尽量减小到1μm 以下。如果考虑样品内部的多次反射的情况，则上式可变为：
太赫兹波的 应用
太赫兹的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）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；又由于它的脉冲很短（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由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。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射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行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当中，其广袤的科学前景为世界所公认。 1.公共安全 THz的强透射能力和低辐射能量以及国家在公共安全检测方面的重大需求, 比如检测毒品，以及在要害部门、场所的安全监控，如机场安检，使得THz辐射有望成为一种新的公共安全监控技术。由于THz既可以用于成像，又可以用于波谱分析，且其穿透能力极强，所以可以用其来实现非接触、非破坏性的探测。通过THz我们不仅能够检测出携带有武器的乘机者，还可以检测旅客携带的特殊物品。科学家们曾预测，在不久的将来，THz成像技术将成为机场、车站及海关等公共场所安全检查的新手段。 2.环境探测 THz技术能够对固体、气体、液体及火焰等介质的电学、声学性质及
化学成分进行研究。科研人员可利用THz穿透烟雾来检测出大气中的有毒或有害分子, 因此可用于环境的污染检测。由于THz波同样能够被大气层中的水、氧气、氮化物等物质所吸收, 我们可以通过卫星携带的THz探测器实现对大气中气体含量及分布进行检测，然后通过大气微量分子变化来监测全球气候变暖问题。2004年美国国防部DARPA 投入大量的资金，研制THz成像阵列技术,并最终研制出便携式、远距离THz成像雷达，它可以在沙尘暴、浓烟及海上浓雾中寻找目标并清晰成像。 3.生物医学 生物体对THz波具有独特的响应，而且很多生物大分子如DNA分子的旋转及振动能级多处于THz波段，所以THz在蛋白质等生物大分子无标志识别应用中有着举足轻重的作用。由于THz具有类似X射线的穿透能力，且其光子能量小，不会引起生物组织的光离化，所以在生物医学成像方面非常安全，适合于生物医学成像。THz辐射不仅在皮肤癌检测上得到应用，而且还在生物芯片和生物传感器方面发展迅速。另外由于大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在THz范围，所以THz有助于“指纹”识别、结构表征及分子生物信息应用的发展，如果通过THz来分析药物的物理、化学及生物成分、波谱特性、分子、量子相互作用过程等重要信息来对药物生产质量进行控制。 4.天文观测 THz在天文学上占有极为重要的地位，是射电天文学上极重要的波段，