太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术是最新的太赫兹技术,它基于宽波段太赫兹脉冲,可同时获得太赫兹波形的幅度和相位信息,在材料的远红外物性研究中有重要应用。本文涉及太赫兹时域光谱技术的基本特征、发射、探测技术和主要应用。     

反射式太赫兹时域光谱技术快速辨别水性和溶剂型涂料

采用反射式太赫兹时域光谱技术测试涂料的时域光谱,通过第1次反射和第2次反射的反射峰比值,得到判定涂料为水性还是溶剂型的临界阈值。该方法无需复杂的样品前处理,仅需将涂料置于测量容器中即可完成测试。一次性纸杯或聚乙烯塑料容器、不同的测试人员和测试时间对临界阈值均无影响,为生态环境监管领域提供了一种快速、准确辨别水性涂料和溶剂型涂料的方法。     

运用太赫兹时域光谱技术定量分析柴油的含硫量

测量柴油样品的太赫兹时域光谱并对其含硫量进行了定量计算.在0.2 ～1.5 THz范围内,柴油的吸收系数随着太赫兹频率和硫含量呈规律性递增.基于这一变化关系建立起了硫含量与太赫兹吸收系数和频率的多元非线性模型,通过测量柴油的太赫兹光谱代入此模型即可计算出柴油的硫含量.这一结果为太赫兹时域光谱技术应用于柴油含硫量的无损快速检测奠定了理论基础,显示出巨大的应用前景.     

太赫兹时域光谱系统检测MCT陶瓷太赫兹性能

通过固相反应法制备MgTiO3-CaTiO3陶瓷,采用太赫兹时域光谱系统测试该陶瓷样品的时域光谱,经过计算得到0.2 THz~2.5 THz频率范围内陶瓷的电容率和吸收系数;介质陶瓷的电容率随烧结温度升高先增大后减小,烧结条件为1 260℃×3 h的陶瓷性能最佳,在1 THz处电容率为18.68,吸收系数为8.52 cm-1,可望应用于太赫兹整机设备中的材料与元器件。     

一种利用透射式太赫兹时域光谱技术精确提取样品折射率的方法

运用透射式太赫兹时域光谱技术提取可区分回波样品折射率,主要依靠测得信号的相位差计算得到.具体有两种方法:一是利用参考脉冲和太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号,二是利用太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号和经样品内部反射两次后的第二个透射信号.实际操作中入射光束与样品表面法线存在夹角,该夹角不易测量,计算时通常忽略,这会最终引起折射率的测量误差,且该误差与选用的折射率提取方法有关.在分析两种方法因夹角引起误差的基础上,提出一种全新的折射率修正方法,该方法能从理论上消除夹角引起的误差,同时实验验证了该方法的有效性.     

离子径迹电光学性质的太赫兹时域光谱

为了深入研究离子径迹的电光学性质,室温下用太赫兹时域光谱（THz-TDS）测量高能重离子辐照的聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE）,获得了辐照样品的光学常数。研究发现,在离子沉积能量或离子剂量较高时,辐照PS和PE的吸收系数相比未辐照样品都有显著增加,这是由于辐照产生的碳团聚体对太赫兹波有吸收作用;对折射率而言,辐照PS的折射率增加而辐照PE的折射率降低,这与2种聚合物的结构有关。用有效介质理论提取出辐照聚合物中离子径迹的光学常数,并用Drude-Lorentz模型对其进行拟合,由拟合参数计算出了离子径迹的直流电导率。与常规接触测量法获得的离子径迹的电学参数进行比较,发现2种测量结果的差异是由于沿径迹方向能量沉积的不均匀性造成,THz-TDS测量结果更能反映高能量沉积区域物质的电学性质。     

基于太赫兹时域光谱的半导体材料参数测量

根据太赫兹时域光谱系统(TDS)的测量原理,提出了一个考虑F-P效应的半导体材料参数测量方案.利用该方案可以在时域波形中,截取多个反射回峰,以提高材料参数提取的精确度.另外,考虑到多重反射对样品厚度的准确性要求较高,提出了一种有效的厚度优化方法.以GaAs为待测样品,利用上述方法精确提取了其折射率与消光系数谱.并采用返波振荡器(BWO)作为太赫兹辐射源对相同样品进行测量,有效的验证了使用TDS系统对半导体材料参数测量的准确性.     

烷基化汽油中烃类物质含量的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱技术研究了烷基化汽油中烯烃在太赫兹波段的性质。以烷基化汽油中的2,4,4-三甲基戊烯为例,分析了其不同浓度在太赫兹波段产生的光谱响应。结果表明, 对于烯烃含量不同的烷基化汽油,其信号中的峰强具有明显不同,并浓度的变化呈线性变化。利用时域谱最大值和最小值之和拟合而成的预测曲线对两种未知浓度样品进行预测,其误差均小于0.5%。同时对其不同频率下的吸收系数进行拟合与分析。根据太赫兹光谱最原始的幅值信息及其吸收系数可对其中烯烃含量进行快速定性,甚至是定量分析, 为烷基化汽油中烃含量和品质的定量检测作基础。     

不同水的太赫兹时域光谱

太赫兹(THz)波检测是一种新型有效的相干检测方法,它可以同时获得被检测物质的振幅和相位信息。利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对几种常见水进行了测谱分析;采取迭代的方法,消除了吸收近似带来的误差,完善了透射式太赫兹时域光谱技术中传统的数据处理方法;通过比较不同的滤波器,确定了Symlets9小波滤波为最优的滤波方式;拟合得到了折射率和吸收系数随频率指数变化的规律,其相关系数的平方达到0.9以上。结果表明,不同水的折射率和吸收系数变化曲线的参数值的差异和拟合相关性的不同,可以作为区分水质好坏的依据。     

基于相干层析的太赫兹成像技术研究

介绍了一种结合光学相干层析技术和太赫兹技术的太赫兹三维成像技术——太赫兹相干层析成像技术。该技术利用宽频太赫兹的弱相干原理,可以实现对待测样品进行高精度的三维成像。实验结果表明太赫兹相干层析成像技术的纵向分辨能力高于100 μm。在纵向探测精度方面,该技术相对传统的方案有了较大的提高,在高精度太赫兹无损探测领域具有巨大的应用前景。     

一种太赫兹波段宽带反射型极化变换器

提出了一种由表层矩形金属周期图案、聚酰亚胺薄膜基底和金属反射面组成的新型反射型极化变换器。为了降低极化变换器对基底厚度的敏感度,增大工作带宽,该设计采用将传统反射型极化变换器表层金属线栅开口截断和增大金属线栅宽度的方法,引进了表层金属图案对两正交极化方向电磁场的等效电容电感效应,进行相位调制。仿真结果表明中心频率为500 GHz时,工作带宽可达到140 GHz,插入损耗小于0.5 dB,并且在一定基底厚度条件下误差在一定范围内,整体性能几乎无变化。仿真表明该极化变换器有效增大了工作带宽,并降低了对基底厚度敏感度。提出了薄膜光刻工艺来对设计的极化变换器进行加工制作。     

Terahertz波相干层析成像技术

介绍和讨论了Terahertz波相干层析成像技术(T-CT)。与X-射线计算机层析成像技术(X-CT)相比,Terahertz-CT可获得更丰富的信息来处理图像。理论上,该技术可获得被测物在Terahertz波段的复折射率的三维分布。这意味着有可能利用Terahertz-CT进行暗箱识别探测,该技术在安全检查和无损探测等方面有着广阔的前景。     

基于液晶的太赫兹反射式波束扫描天线

提出了一种基于液晶的太赫兹电控反射式移相器及其构成的波束扫描阵列天线.通过采用液晶调控的开槽结构移相器,解决了液晶调控过程中谐振层覆盖面不足造成的液晶取向不均、边缘效应和饱和电压增大等问题.设计了工作在380 GHz三开槽的移相器,对谐振频点的表面电流分布和谐振频点进行了仿真分析.数值计算结果表明当液晶相对介电常数在2...     

光谱域编码的压缩光谱测量技术

光谱测量技术在生物医药、国防、安检、生产监控、地质勘测、物质分析、环境保护和减灾防灾等方面有着广泛的应用。但受制于现有探测器件和应用的技术条件,传统类型光谱仪在上述领域的应用灵活性和适用性的限制较多,光谱系统微型化和可集成化是确定发展的趋势之一。光谱成像系统有着向微型化、芯片化和智能化发展的迫切需求,且伴随相关计算光谱成像理论的成熟完善,计算型光谱仪有望在减少器件或系统重量与尺寸的同时,大幅提升光谱分辨能力。基于压缩感知理论的计算型光谱仪具有实时性好、适用范围广、结构调整灵活、成本低廉等诸多优势。文中参考压缩感知理论的基础框架,详细对比多种分光结构的设计方法,分析光谱域直接编码的压缩光谱测量技术,归纳总结具有压缩感知功能的智能芯片化光谱仪的发展趋势和技术问题。     

多层胶接结构胶层均匀性的太赫兹时域表征方法

多层胶接结构广泛应用于航空航天领域中,其粘接强度是保障工程安全的关键因素。采用飞行时间、能量、幅值等不同的太赫兹时域光谱参数表征多层胶接结构胶层的均匀性,进而评价多层胶接结构材料的胶接质量。采用太赫兹时域光谱飞行时间成像法对胶层区域的均匀性进行定性分析,通过计算获得4块实验样件的飞行时间相对标准差分别为8.78%、8.09%、7.30%和9.57%,实现了胶层均匀性的定量评价;利用太赫兹时域光谱能量积分信息,分别采用能量积分曲线的峰度和偏度定性分析胶层均匀性,通过计算获得4块实验样件能量标准偏差分别为0.95、0.9、0.71和1.01,实现了胶层均匀性的定量评价;此外,根据太赫兹时域光谱的幅值特征信息,以幅值离散系数定量地表征胶层均匀性。研究结果表明:太赫兹时域光谱的飞行时间、能量积分及幅值3种特征参数均能够实现多层胶接结构胶层均匀性的定量评价,该方法能够为多层胶接结构粘接强度的评估提供可靠的手段。     

A time domain fluorescence tomography system for small animal imaging

We describe the application of a time domain diffuse fluorescence tomography system for whole body small animal imaging. The key features of the system are the use of point excitation in free space using ultrashort laser pulses and noncontact detection using a gated, intensified charge-coupled device (CCD) camera. Mouse shaped epoxy phantoms, with embedded fluorescent inclusions, were used to verify the performance of a recently developed asymptotic lifetime-based tomography algorithm. The asymptotic algorithm is based on a multiexponential analysis of the decay portion of the data. The multiexponential model is shown to enable the use of a global analysis approach for a robust recovery of the lifetime components present within the imaging medium. The surface boundaries of the imaging volume were acquired using a photogrammetric camera integrated with the imaging system, and implemented in a Monte-Carlo model of photon propagation in tissue. The tomography results show that the asymptotic approach is able to separate axially located fluorescent inclusions centered at depths of 4 and 10 mm from the surface of the mouse phantom. The fluorescent inclusions had distinct lifetimes of 0.5 and 0.95 ns. The inclusions were nearly overlapping along the measurement axis and shown to be not resolvable using continuous wave (CW) methods. These results suggest the practical feasibility and advantages of a time domain approach for whole body small animal fluorescence molecular imaging, particularly with the use of lifetime as a contrast mechanism.      

太赫兹波对肾癌组织的光谱检测

利用太赫兹光谱技术,对人肾癌组织进行检测,分别比较了肿瘤组织和肿瘤旁正常组织对太赫兹波的响应。通过对新鲜含水和经冷冻真空脱水组织的测量分析,分别获得了不同样品在0.2~1.2 THz波段的吸收系数和折射率。结果显示,生物组织中含水量对太赫兹波吸收信号强度有很大的影响。同时,不同组织的细胞结构和成分也是影响太赫兹信号强度的重要因素。比如癌细胞和正常细胞的结构的不同,因此对太赫兹电磁波的吸收以及它们在太赫兹波段的折射率都有显著的不同。结果显示太赫兹光谱技术在生物组织检测和临床医学如肿瘤疾病诊断方面具有广阔的应用前景。     

数字域斜模态时间延迟积分技术

为了实现遥感图像超分辨目的,提出数字域斜模态时间延迟积分(Digital Domain Tilting Model Time Delayed and Integration,DT-TDI)技术。对技术过程所涉及的数字域TDI技术、倾斜采样成像理论、数字域斜模态TDI技术等分别进行分析与研究。首先,构建通用的数字域TDI模型。之后,利用倾斜采样成像思想,构建适用于不同倾斜角度下的DT-TDI模型。然后,以45°倾角对模型进行实验验证,获取该角度一定姿轨条件下的序列低分辨率图像。最后,通过超分辨算法对具有亚像素位移的低分辨率图像序列进行超分辨重构,获取高分辨率图像。实验结果表明,DT-TDI技术可在不同倾斜模态下进行稳定成像,45°倾角时获取的低分辨率图像亚像素位移误差约15%,基本满足超分辨重构需求。重构后图像分辨率明显提升。