太赫茲一體化測量系統

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TeraSys 4000

太赫茲一體化系統:太赫茲光譜、測量和物質(zhì)檢測

太赫茲一體化系統

太赫茲介紹太赫茲介紹
實(shí)驗室級太赫茲系統TeraKit DODS實(shí)驗室級太赫茲系統
太赫茲圖像系統TeraImage太赫茲圖像系統
太赫茲晶體太赫茲晶體

應用:

安保:爆炸物檢測, 生化武器檢測, 郵件檢測
物質(zhì)檢測:人造外科材料缺陷檢測,有機材料
光譜:藥物檢測等

特點(diǎn):

一鍵操作
全固定部件
維護簡(jiǎn)單
強大的軟件庫和軟件包,自帶危險品辨識功能

產(chǎn)品參數:

頻率范圍: 0.3 - 4 Thz (其它頻率范圍可定制)
輸出功率: > 50 nW
光譜分辨率: < 0.01 THz
偏振, 線(xiàn)型: > 100 : 1, 垂直
輸入電壓: 110V / 240V, 50 or 60 Hz
功率: < 60 W
預熱時(shí)間: 15 分鐘
操作環(huán)境溫度: 18°C - 30°C
外形尺寸: 40cmx25cmx18cm

 

TeraSys 4000光學(xué)架構

TeraSys4000光學(xué)架構

TeraSys 4000頻率響應(其它頻率范圍可定制)

TeraSys4000頻率響應

TeraSys 4000產(chǎn)品資料下載Jaz預配置光譜儀

 

太赫茲原理及應用研究

以下文章轉載自中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院網(wǎng)站

太赫茲輻射是指振蕩頻率在THz(1THz=1e12Hz)波段的電磁輻射,通常所指的太赫茲波段范圍在0.1~10THz,它在電磁波譜中位于微波和紅外輻射之間,如圖1所示。

太赫茲波段范圍

圖1、太赫茲波段在電磁波譜中的位置

自然界充滿(mǎn)了大量的太赫茲輻射源,從宇宙背景輻射到我們身邊絕大多數物體的熱輻射都在太赫茲波段。雖然人們早已知道太赫茲波段的存在,但是因為用傳統的電子學(xué)和光學(xué)方法均難以產(chǎn)生和探測太赫茲波,因此人們對于太赫茲波段的特性一直知之甚少,該波段也被稱(chēng)為電磁波譜后的空白——太赫茲空隙(THz Gap)。近二十年,超快電子學(xué)技術(shù)、低尺度半導體技術(shù)以及激光技術(shù)的發(fā)展,為太赫茲輻射提供了穩定可靠的發(fā)射源和探測手段,從而引發(fā)了太赫茲技術(shù)的迅速發(fā)展。

正如19世紀90年代發(fā)現了X射線(xiàn)一樣,科學(xué)界正在努力探索太赫茲輻射的許多新用途。物質(zhì)的太赫茲波段光譜(包括發(fā)射、反射、透射)包含著(zhù)豐富的物理和化學(xué)信息,在進(jìn)行生物體的太赫茲成像時(shí),不僅可以給出被測樣品的結構信息,也可以獲得成分信息;同時(shí)由于太赫茲輻射其光子能量?jì)H有毫電子伏,不會(huì )引起生物體的電離傷害,是非常的探測光源。目前,太赫茲技術(shù)已被證明在包括基礎研究領(lǐng)域、生物醫學(xué)領(lǐng)域、公共領(lǐng)域、信息通信領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域甚至更加深入的物理研究以及實(shí)際應用中有著(zhù)廣闊的應用前景。預計在未來(lái)的20年,太赫茲技術(shù)將在醫學(xué)、工程科學(xué)和工業(yè)上廣泛應用,從而大大改善人類(lèi)健康和生活素質(zhì)。

太赫茲波具有較強的穿透能力。與可見(jiàn)光、X射線(xiàn)、電子束、中紅外、近紅外和超聲波等廣泛應用于醫學(xué)診斷、材料分析以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的成像信號源相比,太赫茲波因其在電磁波譜中所處的特殊位置,使其對很多介電材料和非極性的液體具有良好的穿透性,因此太赫茲波的一個(gè)很有吸引力的前景就是作為X射線(xiàn)成像和超聲波成像等技術(shù)的補充,用于生物醫學(xué)成像、檢查或者無(wú)損探傷。圖2所示為對人進(jìn)行THz透視成像,可以清楚的看到藏于衣服下的武器。

太赫茲透視成像

圖2、太赫茲波透視成像用于檢查。太赫茲圖像可以清晰得顯示隱藏于衣服下的武器(手槍、匕首)

太赫茲技術(shù)的另一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是它的性。相對于X射線(xiàn)上千電子伏的光子能量,太赫茲輻射的光子能量只有毫電子伏的數量級(1THz的光子能量為4.1meV),因此不會(huì )引起有害的電離反應。這使得針對人體的檢查和對生物樣品的檢測等應用具備充分的保證。

【太赫茲成像技術(shù)及其應用】

1995年,美國的 Hu 和 Nuss 等人首次建立起國際上套 THz 基于電光THz時(shí)域光譜技術(shù)的成像裝置,并通過(guò)這套系統獲得了幅太赫茲圖像:利用透射掃描成像獲得的新鮮樹(shù)葉及兩天后的樹(shù)葉含水量的分布,見(jiàn)圖3。自此以后,許多科學(xué)家相繼開(kāi)展了如電光取樣成像、層析成像、THz單脈沖時(shí)域場(chǎng)成像、近場(chǎng)成像、暗場(chǎng)成像、收發(fā)分置 THz 成像、三維成像及T射線(xiàn)CT等的研究。

太赫茲樹(shù)葉含水量

圖3、太赫茲波輻射的幅圖像:圖像顯示了樹(shù)葉因含水量不同而形成的對比。

太赫茲波輻射能穿入皮膚底下數毫米的地方,而其他醫療技術(shù),(如X光和核磁共振成像技術(shù))盡管可以透視更深處組織,但因成像對比機制的不同,而對皮膚以下幾毫米的深層無(wú)能為力。在醫學(xué)治療過(guò)程中照射的X光的光子能量高,對人體造成的傷害非常大。而用太赫茲波作為生物醫學(xué)成像的光源,可以避免X線(xiàn)等光源的副作用,并且圖像的清晰度和對比度更好,在影像上表現非常出色,因此可大量應用到細胞及器官的鑒定或成像,放射診斷和遺傳基因研究。

癌細胞與健康細胞的太赫茲圖像有著(zhù)明顯的不同特征。這對于癌細胞的檢測提供了有利的幫助。Woodward等人用太赫茲成像對基礎細胞癌的研究表明太赫茲脈沖成像有能力從正常組織中分辨出癌變組織,并且對鑒別腫瘤的類(lèi)型和分析腫瘤向周?chē)臄U散情況,以及在判斷腫瘤的深度上都非常有益。而且這種可視化技術(shù)將有助于外科手術(shù)的進(jìn)行。

太赫茲癌細胞

圖4、太赫茲對皮膚癌成像。左圖為光學(xué)成像,右圖為太赫茲成像;右圖中不同位置灰度的深淺不同反映了病灶的分布和和在皮下的深度

圖4給出了一個(gè)皮膚癌病灶的太赫茲圖像與光學(xué)圖像。從太赫茲的圖像可以清楚的辨別出表皮下癌變區域的大小、分布和深度。

太赫茲肝臟病理

圖5、癌變的人體肝臟病理切片樣品。(a)為光學(xué)照片 (b)太赫茲脈沖光譜成像,0.2-0.5THz (c)太赫茲連續波成像,230GHz

圖5是利用太赫茲成像技術(shù)對人體肝臟病理切片的檢測結果。光學(xué)成像中較明亮的部分為癌變部位,相應于太赫茲成像圖中為顏色較深的部位。其原因主要歸結于,癌變組織與正常組織在組織密度、成分結構等方面都發(fā)生了變化,因而使太赫茲波在與組織作用時(shí)的組織光學(xué)參數(例如透過(guò)率等)產(chǎn)生了差異。

骨骼和牙齒由于含水量較小,是對太赫茲波阻礙較小的組織。在牙科診斷中,太赫茲波不僅可以探測出牙齒損壞部位,同時(shí)可以探明牙根的腐爛程度。并且通過(guò)分析穿過(guò)牙齒的太赫茲光散射時(shí)間的差異,將牙齒表面的琺瑯質(zhì)與牙齒內部的琺瑯質(zhì)和牙本質(zhì)分開(kāi),同時(shí)探測出牙齒內部的空洞情況。Pickwell教授利用太赫茲波在牙齒中不同界面折射率的敏感特性,采用太赫茲脈沖反射成像技術(shù)(Terahertz Pulse Imaging, TPI)實(shí)現了對齲齒的早期檢測,并利用該方法,清晰的重建了牙齒的二維及準三維圖像,見(jiàn)圖6、7。

太赫茲牙齒成像

圖6、TPI系統牙齒準三維重建:牙齒的光學(xué)及太赫茲成像對比,可以看到牙齒內部的空洞結構(右)

太赫茲牙齒內部折射率

圖7、TPI系統脈沖相應函數及牙齒內部折射率分布

 

【太赫茲光譜技術(shù)及其應用】

太赫茲波段包含了豐富的光譜信息。太赫茲光譜頻域范圍覆蓋了包括生物大分子和凝聚態(tài)物質(zhì)振動(dòng)、轉動(dòng)能級的一個(gè)廣泛的電磁波譜范圍,因而許多物質(zhì)在該波段具有明顯的特征吸收譜,或稱(chēng)之為指紋譜。太赫茲光譜的獨特優(yōu)點(diǎn),使得利用太赫茲波輻射不僅可以測量由材料吸收而反映的空間密度分布,還可以通過(guò)相位測量得到折射率的空間分布,從而獲得與材料相關(guān)的更多信息。太赫茲波的光譜分辨特性使得太赫茲成像技術(shù)不僅可以呈現物體的形貌,還可以鑒別物體的組成成分。利用太赫茲光譜技術(shù)分析諸如毒品、爆炸物、氨基酸和蛋白質(zhì)、中草藥等藥物,已經(jīng)引起了社會(huì )各界的廣泛關(guān)注。

丙氨酸分子太赫茲光譜

圖8、同型和異型的丙氨酸分子在太赫茲波段的光譜表現出的差異

太赫茲光譜技術(shù)

圖9、通過(guò)太赫茲光譜鑒別技術(shù)識別各種粉末,圖中分別為Codeine, Cocaine, Sucrose (均為60mg)

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù) (Terahertz time domain spectroscopy, THz - TDS) 是國際上近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的研究技術(shù)。它利用物質(zhì)對太赫茲頻帶的不同特征吸收譜 ,分析研究物質(zhì)成分、結構及其相互作用關(guān)系。通常有機分子內化學(xué)鍵的振動(dòng)吸收頻率主要在普通紅外波段 ,但對于分子之間弱的相互作用 (如氫鍵)及大分子的骨架振動(dòng)(構型彎曲)、偶極子的旋轉和震動(dòng)躍遷以及晶體中晶格的低頻振動(dòng)吸收頻率,則對應于太赫茲紅外波段范圍。這些振動(dòng)所反映的分子結構及相關(guān)環(huán)境信息,都在太赫茲波段內不同吸收位置及吸收強度上有明顯的響應,有機分子的這些光譜特征,使得利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)鑒別化合物結構、構型與環(huán)境狀態(tài)成為可能。

 

 


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