（等离子体物理专业论文）连续波太赫兹成像实验研究.pdf

摘要 摘要 太赫兹波( t e r a h e r t z ，t h z ) 是指频率在0 1 t h z 1 0 t h z ( 1 t h z ：1 0 1 2 h z ，波长介于 3 0 9 m 。3 m m ) 范围内的电磁辐射，其波段位于毫米波与红外线之间，是宏观电磁理 论向微观量子理论过渡的区域，有着重要的学术价值和应用研究价值。自2 0 世纪 8 0 年代以来，随着常规太赫兹源和太赫兹探测器的成功研制，太赫兹科学技术获 得了迅速的发展。 太赫兹成像技术作为一种新型的成像技术，具有比微波更高的成像分辨率， 有比光波更强的穿透能力，并且能量低，对人体无任何伤害，所以可用于军事、 安检、医学、生物成像等方面，有着广阔的应用前景。 本论文主要的研究内容和所得成果如下： l 、利用l a b v l e w 软件，设计了扫描成像控制系统，成功实现样品位置控制 与成像数据采集的同步性，达到实验要求。 2 、利用m a t l a b 软件，编写了连续波太赫兹成像中实时成像、一维扫描成 像、二维扫描成像数据处理程序。 3 、研究了一维扫描成像中，成像分辨率与样品扫描速度的关系、成像分辨率 与样品厚度的关系。对比了不同样品对太赫兹波的透射效果，并比较了对 图像进行直接处理与平均处理的效果，结果表明，图像平均处理有更好的 分辨率。 4 、研究了二维扫描成像中，选取聚乙烯与纸张等不同材料时，连续波太赫兹 成像的二维扫描成像，成像结果表明，成像效果与材料有很大关系，对透 射性较好的聚乙烯材料有更好的成像效果。 关键词：连续波，太赫兹，透射成像，扫描成像 a b s t r a c t a bs t r a c t t e r a h e r t z ( t h z ) w a v e sr e f e rt ot h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nw i t ht h ef r e q u e n c y r a n g eo f 0 1 t h zt oi o t h z ( w a v e l e n g t hr a n g eo f 3 0 , u mt o3m m ) ，w h i c ht h ew a v eb a n d i sb e t w e e nm i l l i m e t e ra n di n f r a r e dr a y , a n di st h et r a n s i t i o na r e af r o mt h em a c r o s c o p i c e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r yt o t h em i c r o c o s m i cq u a n t u mt h e o r y t e r a h e r t zs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yh a si m p o r t a n ta c a d e m i ca p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hv a l u e a st h et h zs o u r c e h a ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d ，t h et e r a h e r t z s e i e n c ea n dt e c h n o l o g yw o u l db ew e l l d e v e l o p e ds c i e n c et h e8 0 so f2 0c e n t u r i e s y 硗s of a r , b e c a u s e o fl a c k i n gt h ed e c t r o m c d e v i c e st h a tc a nw o r ki nt h zb a n d ，t h e zt e c h n o l o g ym e e t ss o m e w h a td i f f i c u l t i e s t e r a h e r t zi m a g i n gi san e wt e c h n o l o g yo fi m a g i n g i th a sm o r eh i g h e ri m a g e r e s o l u t i o nt h a nt h em i c r o w a v ei m a g i n g , a n dh a sm o r es t r o n g e rp e n e t r a t i o na b i l i t yt h a n l i g h t i th a sl o w e re n e r g yt h a nx - r a y s t h e r ea len o ta n yd a m a g et oh u m a nb o d y i tc a l l b eu s e dt om i l i t a r y , s e c u r i t y , m e d i c a l , b i o l o g i c a li m a g i n ga n ds oo n i th a v eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h ef o l l o w i n gr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e di nt h i st h e s i s ： f i r s t , as c a n n i n gi m a g i n gc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e du s i n gl a b v i e w s o r w a r ei no r d e rt or e a l i z es y n c h r o n i z a t i o no fs a m p l el o c a t i o na n di m a g ed a t a a c q u i s i t i o n s e c o n d , s e v e r a lc o n t i n u o u sw a v et h zi m a g i n gd a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m sh a v eb e e n w r i t e db yu s i n gm a t l a b ，w h i c hm a i n l yi n c o l u d er e a l - i m a g i n g , o n e - d i m e n s i o n a l s e a n i n gi m a g i n g , t w od i m e n s i o n a ls c a n i n gi m a g i n g t h i r d , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m a g i n gr e s o l u t i o na n ds a m p l e ss c a n n i n gs p e e dh a s b e e ns t u d i e d ，w h i l er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m a g i n gr e s o l u t i o na n ds a m p l e st h i c k n e s s ，功e t r a n s m i s s i o ne f f e c t so fd i f f e r e n ts a m p l e sh a v eb e e nc o m p a r e df o rt e r a h e r t zw a v e 硼舱 e f f e c t so fi m a g i n gd a t ap r o c e s s i n gh a v eb e e nc o m p a r e db yu s i n gd i r e c t l yi m a g e s p r o c e s s i n ga n da v e r a g ei m a g e sp r o c e s s i n g , t h e r e s u l t ss h o w nt h a ta v e r a g ei m a g e p r o c e s s i n gh a sm o r eb e t t e rr e s o l u t i o n s f i n a l l y , 1 1 1 et r a n s m i s s i o ne f f e c t so fp o l y e t h y l e n ea n dp a p e rh a v eb e e nc o m p a r e di n e x p e r i m e n t s a b o u tt w o - d i m e n s i o n a lc o n t i n u o u sw a v et h zi m a g i n g s c a n n i n g a b s t r a c t i m a g i n g ，t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee f f e c to fi m a g i n gh a v ev e r yb i gr e l a t i o nw i t h m a t e r i a l s t h ep o l y e t h y l e n eh a sm o r eb e t t e rr e s o l u t i o nt h a np a p e ri nt h et r a n s m i s s i o n i m a g i n ge x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sw a v e ，t e r a h e r t z ( t h z ) ，t r a n s m i s s i o ni m a g i n 岛s c a n n i n gi m a g i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：鞫兰塑日期：年月日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 羔! 竺塾导师签名： 日期： 之塑盐 年月日 第一章绪论 第章绪论 本章主要介绍太赫兹辐射的特点 用领域、太赫兹成像面临的主要问题 1 1 太赫兹辐射的特点 国内外太赫兹科学与技术的研究现状和应 最后介绍本文主要的研究内容与章节安排。 太赫兹波是指频率在0i t h z - 1 0 t h z ( 波长为3 0 9 i n - 3 m m ) 范围内的电磁波。 它在长波波段与毫米波、亚毫米波相重合，而在短波波段与红外线相重合，在电 磁波谱中占有一个很特殊的位置。太赫兹这一位置正好处于科学技术发展相对较 好的微波毫米波与红外线光学之间，但由于太赫兹波源问题一直未能得到很好的 解决，因此形成了一个在研究上相对落后的“空白”。太赫兹在长波方向主要依靠电 子学技术，而在短波方向则主要依靠光子学技术，在电子学与光子学之间的这一 “空白”蕴含着深刻的物理含义( i o l 。 1 0 。 1 0 3】0 6l 矿1 0 “1 0 ”1 0 ”1 酽l 护4 图1 1 太赫兹在电磁渡谱中的分布 t h z 辐射有以下特点 ( 1 ) 高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对 不透明物体进行透视成像是x 射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安 检或质检过程中的无损检测。 ( 2 ) 低能量性：太赫兹光子能量为4l i n e r ( 毫电子伏特1 只是x 射线光子能 量的1 0 8 分之。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质l e 常适用于针对 人体或其他生物样品的活体检查。 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性，因为肿瘤组织中水分含量与正 常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置。 ( 4 ) 瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料 包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而 且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。 ( 5 ) 相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能 够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光 系数、介电常数等光学参数。 ( 6 ) 指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和 生物大分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段，所以根据这些指纹谱，太赫兹 光谱成像技术能够分辨物体的形貌，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆 等提供相关的理论依据和探测技术。 1 2 太赫兹的研究现状与应用领域 早期人们对太赫兹辐射的研究兴趣来源于大气对太赫兹波的吸收，太赫兹主 要被化学家和天文学用于研究一些简单分子的振动和转动的光谱性质以及热发射 线。随着近2 0 多年来，一系列新技术、新材料的发展提供了更高功率的太赫兹源， 太赫兹技术已经被证明在更加广阔的范围有发展前景【l o 1 3 】。由于和半导体、制药、 加工、空间以及国防工业密切相关，太赫兹科学与技术成为一个非常具有吸引力 的领域，人们对太赫兹辐射的研究与日俱增，其中美国、欧洲、日本等国家和地 区都已经投入了很大的人力和资金。2 0 0 4 年，美国m r r 将太赫兹技术列为改变未 来世界的十大技术之一【1 4 】。2 0 0 5 年，日本将其作为“国家支柱技术十大战略目标 之首。我国对太赫兹研究虽然起步较晚，但国家给予高度重视，2 0 0 5 年1 1 月2 2 日，以“太赫兹科学技术的新发展 的2 7 0 次香山科学会议召开，来自科研院所、 高等院校等相关领域的4 4 名专家学者参加了此次学术讨论会，交流了国内外太赫 兹科学技术的研究现状和发展趋势，探讨了我国太赫兹科学技术研究的重大科学问 题和需要解决的关键技术【1 5 1 。1 1 位院士在会上发言，对太赫兹科学技术的重要性和 我国未来发展战略提出了宝贵意见。到目前，世界上已有1 3 0 多家研究机构开展 了相关的光电子材料、太赫兹激光器、太赫兹光谱学及相关生物医学成像等方面 的研究，太赫兹科学与技术的主要研究领域有以下几方面： ( 1 ) 利用频谱的应用研究：每种分子都有特定的振动能级和转动能级，对太 2 第一章绪论 赫兹波产生特定的吸收谱线。研究生物组织和化学物质的特征谱，可以用来鉴别 化学成份。现在已经研究过的有甲基氯化物和甲基氟化物的太赫兹吸收谱或透射 谱、甲烷与空气混合燃烧时火焰的吸收谱、火焰中热水蒸汽的吸收谱。 ( 2 ) 利用时域谱的应用研究：对于太赫兹波与物质的相互作用，通过振幅和 相位变化的测量，可以表征固体、液体和气体材料的电子、品格振动和化学成分 等性质。可以研究材料的吸收系数、折射率、介电常数、频移等性质。许多对可 见光不透明而对x 光完全透明的材料，可以用太赫兹波进行测量。 ( 3 ) 太赫兹波在生物技术和信息技术领域的应用：太赫兹波在这两个领域的 应用能够带动高水平的学科交叉研究，无论在科学问题的解决，还是发展新型应 用技术，具有广阔的前景。在生物技术方面，不同生物分子的太赫兹光谱表征、 脱氧核糖核酸和蛋白质的无标记检测、分子反应的测量等方面，已经取得了一些 鼓舞人心的进展。在信息技术方面太赫兹波收发机的原理试验已经开展，人造卫 星上搭载的太赫兹探测器已经成功地绘制了地球上海洋的温度分布图，作为宽带 无线通讯的一种手段也正在研究之中。 ( 4 ) 太赫兹成像：1 9 9 5 年h u 利用太赫兹成像的第一篇文章发表之后【1 6 】，太 赫兹成像技术受到普遍重视，最初利用振幅的变换研究了塑料封装的集成电路的 内部引线等结构和树叶中含水量的分布图像。现在已有多重新的成像技术进项研 究，这些技术包括：使用光电导偶极子的t 射线常规成像技术、使用c c d 摄像机 的电光t 射线成像技术、使用单周期脉冲t 射线通过时间反演进行物体重构的成 像技术、利用基尔霍夫移动的t 射线反射成像技术、动态孔径和暗场t 射线成像 技术、t 射线计算机断层成像技术等。各种成像技术在扫描方式、信噪比、动态范 围、分辨率、成像时间、制造成本、紧凑程度、应用范围和领域各有不同。其中， t 射线c t 成像技术与x 射线c t 相比，不仅可以获得被测物吸收率的三维分布， 而且可以获得折射率或者介电常数的三维分布。有些物体对x 射线完全透明，成 像对比度差，如对t 射线有一定的透射率，则t 射线成像就可以作为一种有效地 补充手段。由于t 射线光子能量较x 射线光子能量低很多，不会引起光电离和破 坏，对生物进行活体检查更安全。因此，t 射线c t 在医学检查、安全检查、环境 监测、食品生产质量监督等方面存在巨大的应用潜力【1 7 - 3 s 。 1 3 太赫兹波成像面临的主要问题 虽然经过2 0 多年的发展，太赫兹成像技术已经取得了一些成就，但是现在还 3 电子科技大学硕+ 学位论文 是面临很多需要解决的问题： 水分的影响：由于大部分生物组织含有丰富的水分， 力很强，这就大大降低了生物样品成像的灵敏度。 温度的影响：大多数太赫兹探测器对温度极为敏感， 起探测器很大的失真，所以应该保持温度的恒定。 而水对太赫兹的吸收能 外部温度的变化就会引 信噪比的提高：现在产生的太赫兹波都在毫瓦量级，再者探测器的灵敏度不 够，降低了信噪比，所以要提高太赫兹的输出功率。 分辨率的提高：在太赫兹成像中空间分辨率主要取决于光束的束腰半径，因 此要提高成像分辨率就要提高光束质量。 功率不稳定：气体泵浦有较好的输出功率，但是输出波长的不稳定使得太赫 兹波的功率不稳定，对成像有很大影响。 噪声和干涉：连续波太赫兹成像可以提高成像速度，但是缺乏光谱信息；如 果提高图像分辨率，信噪比将减小，由于太赫兹波不能保证正入射，所以存在干 涉条纹。 成本高昂：现在太赫兹时域光谱系统和成像系统设备不仅价格昂贵，信息处 理也很复杂，有待进一步提高实用化水平。 1 4 本论文主要研究的内容 第二章为连续波成像理论与系统，主要介绍太赫兹成像的主要分类以及连续 波成像的主要特点，接着介绍了连续波太赫兹成像系统的构成、各个构成组件的 特点及性能参数。 第三章是太赫兹扫描成像的控制系统和数据的数字图像处理，主要为了解决 扫描位置定位与数据采集的同步性问题，利用l a b v i e w 编写了一维、二维扫描成 像控制系统程序。对于扫描成像的后期处理，利用m a t l a b 编写了数据处理程序。 第四章是连续波扫描成像，利用实验室太赫兹成像系统搭建一维和二维扫描 成像光路，研究了一维扫描成像分辨率与扫描速度、材料厚度的关系，一维扫描 成像中不同材料透射性的比较，二维扫描成像中不同材料的成像比较。 第五章是总结，主要对本论文工作进行了总结，并对以后索要开展的工作做 出展望。 4 第二章连续波太赫兹成像理论与系统 第二章连续波太赫兹成像理论与系统 太赫兹成像的方法随激光器种类的不同多种多样，具体根据方法的不同可以 分为透射成像、反射成像、c c d 成像等。透射式成像光路搭建比反射式成像要简 单的多，采用何种成像方式主要取决于成像系统和样品的特点。，对于输出功率较 大的系统可使用透射成像，对于输出功率较小的系统可使用反射成像：对于透射 性较好的样品可选用透射成像，对于透射率低的物体样品采用反射式成像较好。 我们使用的太赫兹成像系统输出功率较大，一般采用透射成像，本章首先介绍了 太赫兹透射成像的基本理论，然后对连续波太赫兹成像系统的构成进行了介绍。 2 1 太赫兹成像分类 目前国内外许多机构都在对太赫兹成像进行研究，使用不同的太赫兹源与成 像方式。对透射成像要求输出功率稳定并且较大的辐射源。目前太赫兹源主要有 自由电子激光器、气体泵浦太赫兹激光器、量子级联激光裂3 删。根据太赫兹波 产生和探测的机理形式可以分为脉冲太赫兹成像和连续波太赫兹成像【2 3 弓5 1 。 2 1 1 脉冲太赫兹成像 太赫兹时域光谱成像可以探测和识别隐蔽的物体，与一般的强度成像不同在 于信息量大，每一个成像点对应一个时域波形，可以从时域信号或者傅里叶变换 谱中选择任意一个数据点的振幅或相位进行成像，从而重构样品的空间密度分布、 折射率和厚度分布。因为太赫兹脉冲对大多数非极性电解质材料( 纸张、塑料、 陶瓷、布料) 具有良好的穿透性，某些特定物质像炸药、毒品等在太赫兹波段也 有明显的吸收峰，可用于材料识别。因此太赫兹时域光谱成像在安全检测、无损 检测等方面有很好的应用前景旧。 脉冲成像尽管信息量大，但通常需要较长的时间，可以使用c c d 器件做探测 器，同时实现对整个物体的时域波形进行扫描，提高采集速度；另外可以采用啁 啾脉冲探测的方法，也可以实现单脉冲成像。但是这两种方法相对扫描成像信噪 比很低，成像质量也要降低，使用起来有很大限制。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 连续波太赫兹成像 随着太赫兹辐射技术和探测技术的发展，快速化、小型化、便携式的连续波 成像系统也在发展，向实际的普及和应用迈进，2 0 0 3 年美国伦斯勒大学t h z 研究 中心的张希成【2 2 】等人建成第一个小型、便携式连续波成像系统，可用于无损检测 等方面。 连续波成像系统根据不同的应用目的，可分为反射式和透射式。连续波系统 采用逐点扫描的方法进行成像，用来记录t h z 波透射过样品以及经样品反射后的 强度信息，不需要时间延迟和扫描点暂停，使得成像速度比光谱扫描速度提高好 多倍，太赫兹成像的分辨率由聚焦光斑确定，所以可以根据需要调整光学系统的 参数进行改变。对于无损检测，由于样品内部的缺陷和损伤对太赫兹波有不同的 吸收，并且考虑边缘的散射效应，太赫兹电场的强度分布会有所不同，反映到太 赫兹图像上为灰度值的不同，据此可以判定物体内对应得缺损位置。当然这种方 法信息量少，但是由于它结构简单、操作方便，并且相对有成本低、数据获取快 速、信噪比高的优点，因此有很大应用前景【3 引。 表2 1 脉冲和连续太赫兹波成像的比较 太赫兹连续波成像 脉冲太赫兹波成像 花费( 美元)约5 0 0 0 0 15 0 0 0 0约2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 系统复杂程度低高 速度点秒_ 1约1 0 0 0 0 0 4 0 0 0 数据复杂程度低高 光谱信息无有 深度信息无 有 折射率信息 无有 从上表可以看到，利用脉冲太赫兹波进行成像一般都是单点扫描，扫描速度 慢，所需的时间很长，对几个平方厘米的物体进行成像几乎都要超过三十分钟， 这个速度对于对大物体或需要进行大范围扫描的物体进行太赫兹成像来说，是不 能接受的，脉冲太赫兹成像只有在一些特殊情况下才会有实际应用，由此也产生 了太赫兹连续波成像。 相比脉冲太赫兹波成像，太赫兹连续波成像技术无法得到样品的光谱信息， 即无法获得物体的频域和时域信息。但是，通常连续太赫兹波源能提供的功率比 6 第二章连续波太赫兹成像理论与系统 脉冲太赫兹源的高得多，因此虽然只能提取到强度信息，也能够满足许多地方的 应用需要。而其探测形式也比脉冲形式的太赫兹波简单的多，大大简化了系统的 复杂程度，成本也相对低廉，更容易普及，国内许多高校都配置了太赫兹连续波 成像系统，进行太赫兹成像的相关研究。 2 2 太赫兹透射成像理论 一 图2 - 1 透射式成像j 泉理圈 如图2 - 1 中e l 为入射太赫兹波的强度，e 2 为透过样品后的太赫兹波强度。由 菲涅耳公式可以得到太赫兹波与物质作用时的透射系数： f = 丽雨2 , 气e x i , s e , 面 ( 2 - 1 ) 啊c 0 s6 ：+ ，1 2c o s 包 、。 式中啊和吃分别为空气和样品的折射率；瞑和瞑分别为入射角和折射角。若 有太赫兹波垂直入射到样品表面，所以于是有： f ：兰l ( 2 2 ) 啊+ 吃 当太赫兹波在介质中传播距离d 时，相位改变由传输因子决定： p ( 州) ：唰亟竽) ( 2 - 3 ) 若没有样品时，对于自由空气路径，有关系式： 巨= 瓦删( 彩) ( 国，x ) ( 2 - 4 ) 当太赫兹波穿过厚度为d 的介质时，波形可以表示为： 7 电子科技大学硕l 学位论文 e = 巨椰。，( m ) 只， m ，扛一d ) 】k ，p m d ，( ，d ) r o ( 2 5 ) 式中巨。伪太赫兹波刚到这样品时太赫兹波强度；t 。为空气到样品的透射系 数；r ，。为样品到空气的透射系数。于是得到透射太赫兹波的传输函数： f f = = 二 r 2 6 、 e l 实验中主要利用上面的传输函数实现成像。其中e l 和e 2 可以通过热释电探测 器直接探测。 2 3 连续太赫兹波成像系统 在透射成像中系统中使用的仪器有e i 公司的p l 6 c 0 2 激光器、f i r 2 9 5 低压 真空腔、p y r o c 锄l l i 热释电相机、t s a 系列维电控平移台、s c 3 0 0 控制箱，下 面对这些仪器进行介绍。 如图2 2 所示为连续波太赫兹成像输出系统，实验台右边为p l 6 一c o z 激光器、 激光器前面放置功率计以及两块平面反射镜；实验台左边f i r 一2 9 5 低压真空腔、 地面右边为电源控制器和分子泵，地面左边为机械泵、离子泵、混合气体气瓶。 实验台之前放置了激光器水冷系统等。整套系统置于洁净间内，保持稳定的温度 和湿度，这样就能保证太赫兹输出源的稳定。 图2 - 2 太赫兹成像系统 量 j 第二章连续波太赫兹成像理论与系统 2 3 1 光泵浦太赫兹激光器 在c h a n g e 和b r i d g e s 发现光泵浦甲醇远红外激光振荡以后，连续波远红外激 光器发展的很快，至今已经在4 0 p m 1 2 0 0 9 m 之间发现上千条谱线，其中泵浦甲醇 获得的1 1 8 3 9 m 激光功率是最强的由于光泵浦太赫兹激光谱线比较丰富，多条谱 线具有很高的连续波输出功率，所以在远红外光谱学、光测量学、等离子体诊断 等方面已经得到了广泛的应用【4 1 - 4 4 。 国内已经由中科院上海光学精密机械研究所首先对连续波远红外激光器进行 了研究【4 5 1 ，利用开式腔体和介质波导腔体进行研究，对1 1 8 8 3 1 x m 的输出功率与气 体气压的关系、输出功率与泵浦功率的关系进行测量，并对测量结果进行定性的 研究。 h h 图2 - 3 甲醇分子机构示意图 甲醇的分子结构如图2 3 所示，它是一个非对称转子，包括1 2 个本征振动模， 与光泵浦过程有关的首要是c - o 键拉伸振动膜，同时要迭加上外转动模和内转动 模，因此甲醇分子的振动态可以用五个量子数描写：总角动量量子数、振动量子 数、o h 根相对于c h 3 根的扭转量子数、o h 根通过c h 3 根三重位垒的隧道效应附 加量子数和总角动量对c h 3 对称轴的投影量子数。用c 0 2 的9 p 3 6 谱线泵浦c h 3 0 h 产生2 5 t h z 的转动能级示意图如图2 _ 4 所示 9 电子科技大学硕士学位论文 振厂 动 j 基 态i l 第 ( 甲醇c h 3 0 h ) t h z 辐射 11 8 8 3 9 i n 2 5 t h z 图2 - 4 2 5 t h z 的产生能级示意图 光泵浦太赫兹激光主要源于分子转动能级间的跃迁，如c h 3 0 h 分子吸收波长 为9 6 9 i - t m 的c 0 2 激光，则从振动的基态跃迁到第一振动激发态，且转动能级为 j = 1 6 ；分子从第一振动激发态上自发的从j = 1 6 的转动能级跃迁至j = 1 5 的转动能级， 并且辐射出太赫兹光子，t 太赫兹光子波长为1 1 8 8 3 p m ：之后分子开始自发的跃 迁回振动基态。这个循环过程就产生了连续的太赫兹波，产生太赫兹波的物理过 程如图所示，如图所示分别对应振动基态j = 1 6 、第一振动激发态j = 1 6 、第一振动 激发态j _ 1 5 。 j 音1 6 x j 1 5 ( 、 f 取 11 8 8 t t m 图2 5 2 5 t h z 的产生过程 由于振动能级与转动能级间的能量相差很大，导致产生的太赫兹波效率很低， 大部分泵浦激光能量就转化为热能，能量转化的极限可由m a n l e y - r o w e 公式 1 0 第= 章连续波太赫兹成像理论与系统 = 粤( 2 - 7 ) z y m 在式2 - 7 中： 表示泵浦激光到太赫兹激光的转换效率 v f i r 表示太赫兹激光的频率 i ，。表示泵浦c o z 激光的频率 经过测算c h 3 0 h 产生的波妊为1 1 88 3 p m 时的激光转换效率极限为4 ，现 在高功率时得到的最高转换效率是1 ，低功率时仅为08 。一般波长的太赫兹 激光的转换效率在0 0 0 1 一0 1 之削考虑到c 0 2 激光器的效率只有1 0 一1 5 ， 所以激光器的转换效率很低。 p l 6 c 0 2 激光器 目2 4 5 太赫兹源系统的示意图 如图2 - 6 所示为太赫兹输出源示意图，该系统中使用的太赫兹激光器为英国爱 丁堡公司( e i ) 生产，主要包括f l 6 c 0 2 激光器、f i r = 2 9 5 低压真空腔。其中p l 6 - c 0 2 激光器作为泵浦源，发射出的激光经过反射镜后打到充有气体的f i r 2 9 5 低压谐振 腔里面，就会产生太赫兹波。 表2 - 2 常见的太赫兹输出谱线和输出功率 使用气体 波长( r , n a ) 频率( t h z ) 谱线型号最大输出功率( m w ) c h 3 0 h 7 0642 5 9 d 3 4 2 0 c h 3 0 h 8 6 234 89 r 8 电子科技大学硕+ 学位论文 c h 3 0 h 9 6 5 3 2 29 r l o9 0 ， c h 3 0 h 1 1 8 82 5 29 p 3 61 5 0 c h 2 f 2 1 2 2 42 4 59 r 2 24 0 c h 3 0 h 1 6 31 8 4l o r 3 83 6 c h 2 f 2 1 8 4 31 6 39 r 3 21 5 0 c h 2 f 2 1 9 3 91 5 59 r 2 21 0 c h 2 f 2 2 1 4 6l 4 09 r 3 41 0 0 h c o o h3 9 3 60 7 69 r 1 84 0 h c o o h4 1 8 6o 7 29 i 己2 23 0 h c o o h4 3 2 60 6 99 r 2 04 0 从表2 2 可以看出，在选用c h 3 0 h ( 甲醇) 9 p 3 6 谱线和选用c h 2 f 2 ( 二氟甲 烷) 9 r 3 2 时，有最大的输出功率。 太赫兹激光器的调节主要包括泵浦c 0 2 激光器的调节和f i r - 2 9 5 太赫兹腔长 的调节两部分。利用调节c 0 2 腔的粗调和微调改变激光器的波长，选择到所需要 的波长谱线后，可以调节到输出最大功率为1 1 0 w 的激光。调节f i r 一2 9 5 低压真空 腔的腔长时，观察输出太赫兹激光的频率将太赫兹的腔长调节到太赫兹波长的整 数倍，利用爬山法锁定激光的输出频率，对于较少频率的变化可通过微调激光器 腔长调节旋钮或者p z t ( 压电陶瓷) 实现。 泵浦太赫兹激光对于c 0 2 激光的波长要求比较严格，在一个小范围的c 0 2 激 光只激发出一条太赫兹谱线。f i r - 2 9 5 激光器在选用工作气体为c h 3 0 h ( 甲醇) 时，输出太赫兹波的波长为1 1 8 8 3 1 a m ，输出功率稳定可达到1 w 。 2 3 2p y r o c a mu i 热释电相机 进行扫描成像时，使用快速反应的探测器能够缩短成像的时间。一般探测器 的探测频谱范围无法覆盖太赫兹波段，而热释电探测器具有很宽的频率响应范围， 热释电探测器主要根据一些晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效 应制成。当晶体受到波的照射时，因为温度的变化使得自发极化强度发生变化， 结果在垂直与自发极化的晶体的两个外表面间产生感应电荷，根据感应电荷的变 化可以测量出光辐射的能量【锥4 刀。由于热释电探测器的电信号正比于探测器温度 随时间的变化率，这样就不需要热平衡过程，响应时间非常快。实验室所用p y r o c a m 1 2 第：璋连续波太赫兹成像理论与系统 i i 热释电相机如图2 7 所示 国2 7 e y l o c a m 热释电相机 由于物质吸收光辐射后就会转化为热能，这种热能使得晶格的温度升高，而 温度的变化就又改变了晶体中晶格的间距，这就引起了在居里温度下出现的自发 极化强度的变化，从而使晶体在某个特定方向上引起表面电荷的变化，产生热释 电效应。当热释电晶体吸收频率为的辐射后，其温度和自发极化强度也随而变化 从而导致晶体表面电荷密度也随频率变化。在晶体两侧接上电极，电极之间加上 负载，则负载就开始有电流通过。而入射的交变辐射会在热释电晶体中产生的电 流可以表示 。= 4 鲁= 4 筹警= 4 ，警( 2 - 8 ) 在式( 2 8 ) 中 p 表示热释电警惕的极化矢量 r = 寺表示热释电晶体热释电系数 表示热释电探测器的极化面积 热释电探测器上产生的热释电电流在负载电阻r 上产生的输出电压为 r = o 墨= 4 ，兰 r ( 2 9 ) 从式( 2 - 9 ) 中可以看出，热释电探测器的输出电压与晶体的热释电系数，及 温度变化率兰 成正比，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间没有关系，并且r 只 d f 取决与材料本身的性质，即输出电压与温度的变换率成正比。 若热释电探测器接到放大器的输入和输出端则可以等效为简单的r - c 电路， 电子科技大学硕士学位论文 其中c d 、r d 为热释电探测器的电容和电阻，c a 、r a 为放大器的电容和电阻，根 据r - c 电路可以得到负载电阻r l 等效为： 吃2 五i 2 而r 丽 ( 2 1 0 ) r l 的模为 i 置i ：与 ( 2 - 1 1 ) ( 1 + c 0 2 r 2 c 2 ) j 热释电探测器的温度t 可以表示为 r = l 吼妙+ 五+ 弼 ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中瓦表示环境温度 矾表示热释电探测器接受辐射后平均的温度变化值 i 矾l p 似表示与时间相关的温度变化量 则温度变化率为 i a = 彩l 咒l ( 2 - 1 3 ) 一= 彩i d l 。i 一 i z - l 、 将式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 3 ) 带入式( 2 9 ) 可得到输出电压为 v = r a ：, s r o坠_ t ( 1 + t 0 2 r 2 c 2 ) 2 电压幅值为： i v l ：厂4 力i 万t o l 与 ( 1 + 缈2 r 2 c 2 ) 2 由文献 4 6 】可知 咒= 兰奠_ t c x p i ( r _ o t + 纠 g ( 1 + 缈2 f 2 日) 2 电压幅值为将其代入式( 2 1 5 ) 可以得到 i v l ：上驾牡 g ( 1 + 缈2 ) 2 ( 1 + c 0 2 ) 2 式中 ：如，：等 r 和c 分别表示热释电探测器和放大器的等效电阻和等效电容 1 4 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 第二章连续波太赫兹成像理论与系统 根据光探测器响应率的定义，热释电探测器的电压响应率为热释电探测器的输出 电压幅值与预设光功率的比值，则有 足，：盟= 上鸳塑1( 2 1 8 ) 锄 g ( 1 + 0 2 f ；) 2 ( 1 + 国2 f h 2 ) 2 实验室使用的探测器是由美国s p i r i c o n 公司生产的p y r o c a mi i i 型号的超宽光 谱相机，该相机使用热释电面阵探测器，具有灵敏度高、光谱响应范围广的特点， 覆盖了真空紫外紫外到远红外波段，可同时适应脉冲成像和连续波成像。其应用 主要包括准分子激光光斑分析、1 1 2 u r n 的c o c 0 2 激光光斑分析、人眼安全激光 光斑分析、军用激光光斑分析、工业加工用激光光斑分析、太赫兹超远红外激光 光斑分析、各种紫外和红外、远红外成像等。p y r o c a m 相机参数性能见( 表2 3 ) ， 该相机通过1 3 9 4 接口与计算机进行连接，使用相机附带软件l b a p c ( 图2 8 ) 进 行相机控制并采集数据，数据内容是1 2 4 x1 2 4 的矩阵( 图2 9 ) ，其值是在当前时刻 相机每个像素接收到的功率值，该功率是一个相对值，并非绝对功率值，所以有 负值出现。 表2 - 3p y r o c a m1 i i 相机参数 相机光谱响紫外波段 15 7 3 5 5 n m 适合各类紫外一深紫外激光器 应频率 红外波段 1 0 6 - 3 0 0 0 u r n 适合各类红外一超远红外激光器 3 5 5 一l1 0 0 a m 由于p y r o c a m 的分辨率和灵敏度弱于硅基c c d 相 机，且常规c c d 相机价格很便宜，建议在可见光波段 可见波段 有响应 使用常规c c d 有效面积 1 2 4 m mx1 2 4 m m大靶面适合各类激光器 像素间距 1 0 0 u r n x1 0 0 u r n 在激光光斑很小时可以考虑扩柬测量 总像素数目1 2 4 x 1 2 4这是现在的工业制造极限，更大像素的相机工艺非常复 杂，价格也非常昂贵 连续波灵敏 2 2 0 n w p i x e l ( 2 4 h z ) 相机内置光学斩波器标准2 4 h z , 4 8 h z 可选 度 2 2 m w c m 2 脉冲灵敏度 7 n j p i x e l 可适应l f s - 1 2 8 m s ；单发l 一1 0 0 0 h z 的脉冲激光；超过 7 0 u j e m 2 1 0 0 0 i - i z 准连续激光请利用斩波器工作在连续模式 常规光窗 b k - 7 ，s i ，g e , z n s e 首要目的是保护芯片，次要目的是作为宽带宽滤光片滤 除旁代杂散光。 1 5 圆越瞄萄西瞄豳豳 皇堡竺! 塑墅竺竺星 2 5 22 3 9 9 62 0 1 1 8 51 4 8 1 3 51 0 1 7 6 9 8 3 6 8 4 6 2 2 4 1 2 17 9 1 s 4 8 7 89 7 5 54 7 1 71 7 1 23 2 2 9 1 电子科技大学硕士学值论文 ! n i i b j 蠲嗣置西蕊 。 。一一! = - 二t ，； 枷一z = = _ ：一 图2 - 8 相机采集图像界面 避墨墨基毖 鬟2 8 5 5 1 8 67 9 5 72 3 11 3 6 6 1 0 2 91 1 7 26 7 1 5 41 2 0 3 3 3 2 7 6 3 6 图2 - 9 相机保存数据的格式厦内容 该相机还能通过软件提供的a e t i v e x 控件实现远程控制，这能大大简化我们实 现快速扫描成像的工作，也方便在其它软件平台上实现对热释电相机的控制。 伪l 璺m 8o笛氆川驼m舶m耋!ls懈舱瑚s；抽盯m他号蝴猫呈他寸”似mh纠诬瑚懈懈mm叫住砷研；船舶砖瑚懈猫钳m俐抖o吖引w埘 第二章连续波太赫兹成像理论与系统 23 - 3 二维电控平移台与控制箱 控制仪器由二维电控平移台和步进电机控制箱两部分组成。实验室所用的二 维电控平移台是北京卓立汉光仪器有限公司生产的t s a 2 0 0 和t s a l 5 0 电控平移台 组成，控制箱为s c 一3 0 0 型步进电机控制箱( 图2 - 1 0 ) ： 图2 一i os c 3 0 0 型步进电机控制箱与t s a 系列电控平移台实物图 表2 4 二维电控平移台的主要参数 电控平移台型号 t s a 2 0 m ( a ) bt s a l 5 0 - ( a ) 精密重载型( 水平轴)精密型( 垂直轴) 台面尺寸 螵杆导程4 m a n 分辨率 2s u 1 2 5 1 z 最大速度 重复定位精度 3 u 3 0 步进电机 4 2 b y g h l 0 1 一l8 。4 2 b y g h l 0 1 m9 0 最大静转矩 4 0 n e m4 0 n c m 额定工作电流l7 a 中心负载 3 0 k g1 0 k g 自重 48 k g33 k g 电子科技大学硕士学位论文 电控平移台水平轴用的是t s a 2 0 0 - ( a ) b 精密重载型电控平移台，垂直轴用 的是t s a l 5 0 ( a ) 精密型电控平移台，两者结合就可实现二维扫描。 s c 3 0 0 系列步进电机控制箱是一款3 轴的点对点( p t p ) 位置定位集成控制 系统，能方便的对平移台旋转台的进行控制，性能参数见表2 5 ： 表2 5s c 3 0 0 系列步进电机控制箱的主要参数 电源电压 2 2 0 v 5 0 h z 控制轴数1 3 轴( 各轴独立设有相应控制功能键，能够直接控制各轴 位移量、最大速度、初速度、加速度) 适用电机及驱动能力两相步