维普资讯 http://www.cqvip.com 低温与超导 超导技术 Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． 第３５卷第３期 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｖ０１．３５ Ｎｏ．３ 基于远红外激光源的太赫兹成像 张彩虹，王媛媛，盖博，陈健，康琳，许伟伟，吴培亨 （南京大学超导电子学研究所，南京２１００９３） 摘要：太赫兹波可以穿透许多物质，相对于可见光和ｘ射线具有非常强的互补特征，在成像方面的应用前景非常 广阔。介绍了一种基于透射谱的连续波太赫兹成像系统，并利用该系统做了一些实验探索。 关键词：太赫兹（ＴＨｚ）成像；透射谱；准光系统 Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ——ｗａｖｅ ＴＨｚ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆａｒ—・ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅ Ｚｈａｎｇ Ｃａｉｈｏｎｇ，Ｗａｎｇ Ｙｕａｎｙｕａｎ，Ｇａｂｒｉｅｌ Ｓｔｏｉａｎ，Ｃｈｅｎ Ｊｉａｎ，Ｋａｎｇ Ｌｉｎ，Ｘｕ Ｗｅｉｗｅｉ，Ｗｕ Ｐｅｉｈｅｎｇ （Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴＨｚ ｗａｖｅｓ ｅａｒｌ ｐｅｎｅｔｒａｔｅ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈａｔ ａｒｅ ｏｐａｑｕｅ ｔｏ ｖｉｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｎｅａｒ—ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｅｇｂｔ ｏｒ ｏｎｌｙ ｌｏｗ—ｃｏｎｔｒａｓｔ ｉｍａｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｘ—ｒａｙ ｒｅｇｉｏｎ．ＴＨｚ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ．Ｗｅ ｒｅｐｏｒｔ ａ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ—ｗａｖｅ（ｃｗ）ＴＨｚ ｉｍａ百ｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｅｏｍｅ－ ｔｒｙ．Ａｎｄ ｓｏｍｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｏｎｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＨｚ ｉｍａ ｎｇ；Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；Ｑｕａｓｉ—ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ １ 引言 ２实验 太赫兹（ＴＨｚ）波通常是指波长在３ｍｍ～３０１ｘｍ区 ＴＨｚ成像的基本原理就是利用成像系统把成像样 间（１００ＧＨｚ～１０ＴＨｚ）的电磁辐射，其波段位于微波和 品的透射谱或反射谱所记录的信息（包括振幅或相位 红外光之间。一直以来，由于产生和检测ＴＨｚ比较困 信息）进行处理和分析，就可以得到样品的ＴＨｚ图像。 难，人们对该波段电磁辐射性质的了解还非常有限。 直到近十几年，超快技术的发展，为ＴＨｚ脉冲的产生 提供了稳定、可靠的激发光源和检测技术，使得ＴＨｚ 的研究和应用成为一个迅速发展的前沿领域。由于其 独特的强透射能力和低辐射能量等特点，使得其在物 体成像、安全检测、质量检查、环境监测、医疗诊断、射 电天文、通信雷达、宇航等方面具有重大的科学价值和 应用前景…。 ＴＨｚ波可以穿透塑料、木材、织物、纸张、半导体等 许多物质，相对于可见光和ｘ射线具有非常强的互补 特征，特别适合于可见光不能透过、而ｘ射线成像的 对比度又不够的场合。ＴＨｚ波的光子能力极低（４． 注：抛物镜上的数字表示其反射焦距。单位：毫米 ２ｍｅＶ／ＴＨｚ），且没有Ｘ射线的电离性质，通常认为ＴＨｚ 图１系统原理图 波对物质，尤其对生物组织基本无损 Ｊ，因此ＴＨｚ成 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｎ 像技术在物品检查、安全检测、生物、工业、医疗诊断等 ｔｈｅ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｍｉｒｒｏｒｓ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅｉｒ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈｓ 方面的应用前景非常广阔。 ｉｎ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｓ． 本文介绍的ＴＨｚ成像系统是根据样品透射谱的 收稿日期：２００７—０１—３１ 基金项目：科技部９７３项目（２００６ＣＢ６０１００６）、国家自然科学基金项目（６０５７１００７和１０７７８６０２）、国防科技重点实验室基金项目 （５１４７３０４０１０５Ｊｗ１ １０１）资助。 作者简介：张彩虹（１９８２一），女，无线电物理专业在读研究生，研究方向为太赫兹成像。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・２４６・ 超导技术 ＳｕｐｅＩ１ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ 第３期 振幅信息得到样品的ＴＨｚ图象。主要包括以下几个 部分：１）远红外激光源（ＦＩＲ）；２）Ｈｅ—Ｎｅ激光源；３） 聚焦抛物镜等组成的准光系统；４）待测样品；５）位移 台；６）检测器；７）计算机及其软件（如图１所示）。 本系统中的实验装置与其它文献中所提到的主要 生物组织等许多物质，具有很强的穿透能力，而且对不 同材料物质的穿透能力不同，对同种物质不同厚度时 的穿透能力也不同，这就是ＴＨｚ成像的主要依据。据 此，我们对很多物质做了ＴＨｚ成像的实验研究，昕用 的频率为２．５２５ＴＨｚ。 第一个太赫兹成像，是１９９５年由Ｈｕ Ｂｉｎｂｉｎ ３ 等 得到，该成像系统是基于电光ＴＨｚ时域光谱技术的。 不同在于我们使用的是爱丁堡仪器公司ＦＩＲＬ一１００型 的远红外激光源，输出为圆形横截面的高斯平行波束， 相对现有的其它ＴＨｚ光源输出功率大、稳定性较好。 由于ＴＨｚ波非可见，为了实验调节的方便，我们在实 图２是其利用透射扫描成像获得的新鲜树叶和两天后 的树叶含水量的分布图像。图３是我们的成像系统对 验中加入了可见的Ｈｅ—Ｎｅ激光作光路校准。远红外 激光源输出的波束首先经光栅反射，该光栅同时透射 Ｈｅ—Ｎｅ激光，从而使这两种波束聚合在一起后经一抛 物镜聚焦到样品上。样品固定在一位移台上，计算机 自动控制位移台的移动，从而控制样品在二维平面（Ｙ —ｚ）内移动。然后，穿过样品的透射波束再经过另一 抛物镜聚成平行波束到功率检测计上。计算机通过 ＧＰＩＢ和ＨＰ ３４４０１Ａ数字万用表读取功率计的功率信 息。该功率计是Ｓｃｉｅｎｔｅｃｈ公司生产的热量计ＭＡ— ｌＯ。最后，扫描完整个样品的数据经过一定的算法进 行量化处理，得到样品的图像。 整个测试系统包括硬件和软件两部分，软件部分 自动控制硬件部分进行数据的采集、处理，从而得到样 品的ＴＨｚ图象并直接显示出来。我们采用的软件是 实验室虚拟仪器控制平台ＬａｂＶＩＥＷ，全自动控制整个 测量系统的运行。测量时，计算机控制位移台从而控 制样品在二维平面内逐点移动，同时通过数字电压表 读取相对应位置的功率检测器的功率信号，并Ａ／Ｄ转 换成数字信号送到计算机存储。最后将采集得到的整 个样品的功率信号线性量化，成灰度图象显示。当然， 要得到最佳对比度、清晰度的图象，还要根据结果调节 线性量化的均匀与否。 影响实验结果的两个关键因素是：１）光路的调 节。图象的分辨率是由实验所用ＴＨｚ信号的频率决 定的，对于频率已经确定的情况，光路调节的好坏就直 接影响了图像的质量。特别是光栅和第一个抛物镜的 调节，因为这两者直接决定了ＴＨｚ波照射到样品上光 斑的大小和位置，从而直接影响了图像的质量－２ ；２） 测量速度。虽然ＦＩＲＬ一１００型的源相对其它同类的 ＴＨｚ源比较稳定，但是它的输出功率还是会随着时间 逐渐减小，所以必须尽量提高数据采集速度。 ３实验探索和分析 研究表明，ＴＨｚ波可以穿透塑料、纸张、织物、一些 风干的树叶所作的ＴＨｚ成像，ＴＨｚ波对树叶的不同组 织及不同厚度穿透能力不一样，和光学图象对比可以 看出，树叶的茎脉非常清晰，组织结构完全呈现出来。 实验时发现，不同新鲜程度的树叶，即含水量不同时图 像的效果相差很多。这个结果有望在工农业上用于植 物含水量的测定。 （ａ） （ｂ） 图２树叶的ＴＨｚ图象：（ａ）新鲜；（ｂ）不新鲜 Ｆｉｇ．２ ＴＨｚ ｉｍａｇｅ ｏｆ ａ ｌｅａｆ 【ａ） 【ｂ） 图３树叶的（ａ）光学照片；（ｂ）Ｔｎｚ成像 Ｆｉｇ．３（ａ）Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ ａ ｌｅａｆ；（ｂ）ＴＨｚ ｉｍａｇｅ ｏｆｔｈｅ ｌｅｆａ ＴＨｚ波可以穿透塑料、皮包、纸张、衣服和皮肤等， 透视整个人体，但是它不会像ｘ射线一样对人体构成 伤害，因此可以利用ＴＨｚ波检查机场通关的旅客和行 李，检查是否有毒品、、或刀具等危险物品。图４ 是我们所做的透过０．５ｍｍ厚塑料片的垫片的ＴＨｚ图 像，可以看出，在可见光下隐藏的垫片在ＴＨｚ波下被 清晰得呈现了出来。 ＴＨｚ波还可以用于介电常数分布或厚度分布的测 量，例如纸币水印图象的成像。水印纸同正常的纸张 比较起来，水印的暗部纤维密度高，亮的地方纤维密度 低，迎着光线识别最为清晰。所以．真正的水印效果， 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ・２４７・ 并不是印刷上去的，而是在纸张生产过程中通过增减 以凸起的地方纸浆就少（纸就薄），这样就形成了“水 某些部位纸浆纤维密度的方法而制成的。在生产过程 印”效果。这种效果在ＴＨｚ波下可以清晰地“看出”水 中，把各种图像花纹刻在装纸浆的抄纸帘上。因为预 印图像。这种水印是只能在制造纸张时才获得的，伪 先准备的图象花纹的纹络凹凸不平，花纹凹下去的地 造很困难。而现在很多伪币制造者是用压印、涂白或 方纸浆纤维的密度就会增大，所以凹下去的地方纸的 印刷等手段搞出一个似乎带有明暗的假水印，这在 厚度就大；花纹凸起的地方纸浆纤维密度就会减少，所 ＴＨｚ透视下就会立刻大白。 图４内径３ｍｍ外径７ｍｍ的金属铜垫片（ａ）无塑料片覆盖时光学照片；（ｂ）０．５ｍｍ厚塑料片覆盖后的光学照片；（ｃ）０．５ｍｍ厚塑 料片覆盖的后２．５２５ＴＨｚ成像 ｒ ｉｇ．４ Ａ ｃｏｐｐｅｒ ｇａｓｋｅｔ ｗｈｏｓｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｉｓ ３ｍｍ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｄｉｍａｅｔｅｒ ｉｓ ７ｍｍ（ａ）Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓｋｅｔ ｗｉｈｔｏｕｔ ａ ｐｌｓａｔｉｃ ｂｏａｒｄ；（ｂ）Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｆｏｔｈｅ ｇａｓｋｅｔ ｉｗｔｈ ａ ｐｌｓａｔｉｃ ｂｏａｒｄ ｏｆ０．５ｍｍ；（ｃ）ＴＨｚ ｉｍａｇｅ ｆｏｔｈｅ ｇａｓｋｅｔ ｗｉｈｔ ａ ｐｌａｓｔｉｃ ｏｂａｒｄ ｆｏＯ．５ｍｍ 图５ （ａ）实验所用瓜子的光学照片（ｂ）瓜子剥开后的光学照片（Ｃ）瓜子未剥开时２．５２５ＴＨｚ成像 Ｆｉｇ．５（ａ）Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｎｆｌｏｗｅｒ ｓｅｅｄ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈｔｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；（ｂ）Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｈｔｅ ｓｕｎｆｌｏｗｅｒ ｓｅｅｄ ａｆｔｅｒ ｏｐｅｎｉｎｇ ｉｔ ｔｏ ｒｅｖｅａｌ ｈｔｅ ｉｎｔｅｍａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；（ｃ）ＴＨｚ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ＳＨｎｎｏｗｅｒ ｓｅｅｄ 图５是对一粒瓜子所作的ＴＨｚ图像。经过对比不 像，因为检测的只是二维样品的功率信息，还缺乏深度 难发现，瓜子仁的边界很清晰地呈现了出来，即材料、厚 和相位信息 引。我们乐观地相信，随着科学技术的发 度不同时，ＴＨｚ波的穿透能力明显不同 Ｊ。这也证明了 展，这个问题将可以很快地解决，在不远的将来，我们 ＴＨｚ波可以用于介电常数分布或厚度分布的测量。 就可以看到清晰的三维物体的ＴＨｚ成像，ＴＨｚ成像技 本系统使用的是热量计，用来检测ＴＨｚ信号功率， 术也将被广泛地应用到人们的工作和学习生活中。 虽然能实现目前的功能要求，但是响应速度比较慢，所 以扫描样品时，每个象素都需要一秒左右的时间。而远 参考文献 红外激光源的输出功率在随着时间慢慢减小，这样形成 １ Ｆａｔｔｉｎｇｅｒ Ｃ．Ｇｒｉｓｃｈｋｏｗｓｋｙ Ｄ．Ｐｏｉｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｏｐｔｉｃｓ． 的图像灰度不是非常均匀。从文中几幅ＴＨｚ图像也可 ａｏｐ１．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１９８８，（５３）：１４８０． 以看出，图像的右边比左边偏暗，主要就是后来的功率 ２ Ａｄｒｉａｎ Ｄｏｂｒｏｉｕ，Ｍａｓａｔｓｕｇｕ Ｙａｍｓ．ｓｈｉｍ，Ｙｕｉｃｈｉ Ｎ．ｅｔ ａ１．Ｔｅｒａ－ 变小了。我们预定用响应速度快的超导检测器 来代 ｈｅｒｔｚ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｂａｃｋｗａｒｄ—ｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ． 替热量计完成短时快速成像。 Ａｐｐ１．Ｏｐｔ．，２００４，４３（３０）：５６３７—５６４６． ３ Ｈｕ Ｂ Ｂ，Ｎｕｓｓ Ｍ Ｃ．Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｌｌ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｗａｖｅｓ．Ｏｐｔ．Ｌｅｎ．， ４结论 １９９５，２０：１７１６． ４ Ｍａｔｈｔｅｗ Ｃ Ｂｅａｒｄ．Ｃｈａｒｌｅｓ Ａ Ｓｃｈｍｕｔｔｅｎｍａｅｒ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｔｏｗａｒｄｓ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ＴＨｚ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ． 本文介绍了一种基于远红外激光源的连续波ＴＨｚ Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏ１．．２００２．４７：３８４１—３８４６． 成像系统，该系统检测的是样品的透射谱的振幅信息， ５ Ｃｈｅｎ Ｊ，Ｋｕｒｉｇａｔａ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｗｉｄｅｂａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ 图像的分辨率主要是由信号源的频率决定。利用该系 ｌ１ｉｓｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ 统，我们做了许多实验探索，并成功实现了一些样品的 Ｔｒａｍ．ｏｎ ＡｐｐＩ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，２００３，１３：１１４３—１１４６． ＴＨｚ成像，为ＴＨｚ成像的实际应用提供了一些参考。 ６ Ｎｉｃｈｏｌａｓ Ｋａｒｐｏｗｉｃｚ，Ｈｕａ Ｚｈｏｎｇ，Ｃｕｎｌｉｎ Ｚｈａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ａｐｐ１． 本系统还局限于对一些结构简单样品的ＴＨｚ成 Ｐｈｙｓ．Ｌｅｎ．，２００５．８６：０５４１０５．
