太赫兹一体化测量系统

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TeraSys 4000

太赫兹一体化系统:太赫兹光谱、测量和物质检测

太赫兹一体化系统

太赫兹介绍太赫兹介绍
实验室级太赫兹系统TeraKit DODS实验室级太赫兹系统
太赫兹图像系统TeraImage太赫兹图像系统
太赫兹晶体太赫兹晶体

应用:

安保:爆炸物检测, 生化武器检测, 邮件检测
物质检测:人造外科材料缺陷检测,有机材料
光谱:药物检测等

特点:

一键操作
全固定部件
维护简单
强大的软件库和软件包,自带危险品辨识功能

产品参数:

频率范围: 0.3 - 4 Thz (其它频率范围可定制)
输出功率: > 50 nW
光谱分辨率: < 0.01 THz
偏振, 线型: > 100 : 1, 垂直
输入电压: 110V / 240V, 50 or 60 Hz
功率: < 60 W
预热时间: 15 分钟
操作环境温度: 18°C - 30°C
外形尺寸: 40cmx25cmx18cm

 

TeraSys 4000光学架构

TeraSys4000光学架构

TeraSys 4000频率响应(其它频率范围可定制)

TeraSys4000频率响应

TeraSys 4000产品资料下载Jaz预配置光谱仪

 

太赫兹原理及应用研究

以下文章转载自中国科学院深圳先进技术研究院网站

太赫兹辐射是指振荡频率在THz(1THz=1e12Hz)波段的电磁辐射,通常所指的太赫兹波段范围在0.1~10THz,它在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间,如图1所示。

太赫兹波段范围

图1、太赫兹波段在电磁波谱中的位置

自然界充满了大量的太赫兹辐射源,从宇宙背景辐射到我们身边绝大多数物体的热辐射都在太赫兹波段。虽然人们早已知道太赫兹波段的存在,但是因为用传统的电子学和光学方法均难以产生和探测太赫兹波,因此人们对于太赫兹波段的特性一直知之甚少,该波段也被称为电磁波谱最后的空白——太赫兹空隙(THz Gap)。近二十年,超快电子学技术、低尺度半导体技术以及激光技术的发展,为太赫兹辐射提供了稳定可靠的发射源和探测手段,从而引发了太赫兹技术的迅速发展。

正如19世纪90年代发现了X射线一样,科学界正在努力探索太赫兹辐射的许多新用途。物质的太赫兹波段光谱(包括发射、反射、透射)包含着丰富的物理和化学信息,在进行生物体的太赫兹成像时,不仅可以给出被测样品的结构信息,也可以获得成分信息;同时由于太赫兹辐射其光子能量仅有毫电子伏,不会引起生物体的电离伤害,是非常安全的探测光源。目前,太赫兹技术已被证明在包括基础研究领域、生物医学领域、公共安全领域、信息通信领域、军事领域甚至更加深入的物理研究以及实际应用中有着广阔的应用前景。预计在未来的20年,太赫兹技术将在医学、工程科学和工业上广泛应用,从而大大改善人类健康和生活素质。

太赫兹波具有较强的穿透能力。与可见光、X射线、电子束、中红外、近红外和超声波等广泛应用于医学诊断、材料分析以及工业生产领域中的成像信号源相比,太赫兹波因其在电磁波谱中所处的特殊位置,使其对很多介电材料和非极性的液体具有良好的穿透性,因此太赫兹波的一个很有吸引力的前景就是作为X射线成像和超声波成像等技术的补充,用于生物医学成像、安全检查或者无损探伤。图2所示为对人进行THz透视成像,可以清楚的看到藏于衣服下的武器。

太赫兹透视成像

图2、太赫兹波透视成像用于安全检查。太赫兹图像可以清晰得显示隐藏于衣服下的武器(手枪、匕首)

太赫兹技术的另一个显著特点是它的安全性。相对于X射线上千电子伏的光子能量,太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏的数量级(1THz的光子能量为4.1meV),因此不会引起有害的电离反应。这使得针对人体的检查和对生物样品的检测等应用具备充分的安全保证。

【太赫兹成像技术及其应用】

1995年,美国的 Hu 和 Nuss 等人首次建立起国际上第一套 THz 基于电光THz时域光谱技术的成像装置,并通过这套系统获得了第一幅太赫兹图像:利用透射扫描成像获得的新鲜树叶及两天后的树叶含水量的分布,见图3。自此以后,许多科学家相继开展了如电光取样成像、层析成像、THz单脉冲时域场成像、近场成像、暗场成像、收发分置 THz 成像、三维成像及T射线CT等的研究。

太赫兹树叶含水量

图3、太赫兹波辐射的第一幅图像:图像显示了树叶因含水量不同而形成的对比。

太赫兹波辐射能穿入皮肤底下数毫米的地方,而其他医疗技术,(如X光和核磁共振成像技术)尽管可以透视更深处组织,但因成像对比机制的不同,而对皮肤以下几毫米的深层无能为力。在医学治疗过程中照射的X光的光子能量高,对人体造成的伤害非常大。而用太赫兹波作为生物医学成像的光源,可以避免X线等光源的副作用,并且图像的清晰度和对比度更好,在影像上表现非常出色,因此可大量应用到细胞及器官的鉴定或成像,放射诊断和遗传基因研究。

癌细胞与健康细胞的太赫兹图像有着明显的不同特征。这对于癌细胞的检测提供了有利的帮助。Woodward等人用太赫兹成像对基础细胞癌的研究表明太赫兹脉冲成像有能力从正常组织中分辨出癌变组织,并且对鉴别肿瘤的类型和分析肿瘤向周围的扩散情况,以及在判断肿瘤的深度上都非常有益。而且这种可视化技术将有助于外科手术的进行。

太赫兹癌细胞

图4、太赫兹对皮肤癌成像。左图为光学成像,右图为太赫兹成像;右图中不同位置灰度的深浅不同反映了病灶的分布和和在皮下的深度

图4给出了一个皮肤癌病灶的太赫兹图像与光学图像。从太赫兹的图像可以清楚的辨别出表皮下癌变区域的大小、分布和深度。

太赫兹肝脏病理

图5、癌变的人体肝脏病理切片样品。(a)为光学照片 (b)太赫兹脉冲光谱成像,0.2-0.5THz (c)太赫兹连续波成像,230GHz

图5是利用太赫兹成像技术对人体肝脏病理切片的检测结果。光学成像中较明亮的部分为癌变部位,相应于太赫兹成像图中为颜色较深的部位。其原因主要归结于,癌变组织与正常组织在组织密度、成分结构等方面都发生了变化,因而使太赫兹波在与组织作用时的组织光学参数(例如透过率等)产生了差异。

骨骼和牙齿由于含水量较小,是对太赫兹波阻碍较小的组织。在牙科诊断中,太赫兹波不仅可以探测出牙齿损坏部位,同时可以探明牙根的腐烂程度。并且通过分析穿过牙齿的太赫兹光散射时间的差异,将牙齿表面的珐琅质与牙齿内部的珐琅质和牙本质分开,同时探测出牙齿内部的空洞情况。Pickwell教授利用太赫兹波在牙齿中不同界面折射率的敏感特性,采用太赫兹脉冲反射成像技术(Terahertz Pulse Imaging, TPI)实现了对龋齿的早期检测,并利用该方法,清晰的重建了牙齿的二维及准三维图像,见图6、7。

太赫兹牙齿成像

图6、TPI系统牙齿准三维重建:牙齿的光学及太赫兹成像对比,可以看到牙齿内部的空洞结构(右)

太赫兹牙齿内部折射率

图7、TPI系统脉冲相应函数及牙齿内部折射率分布

 

【太赫兹光谱技术及其应用】

太赫兹波段包含了丰富的光谱信息。太赫兹光谱频域范围覆盖了包括生物大分子和凝聚态物质振动、转动能级的一个广泛的电磁波谱范围,因而许多物质在该波段具有明显的特征吸收谱,或称之为指纹谱。太赫兹光谱的独特优点,使得利用太赫兹波辐射不仅可以测量由材料吸收而反映的空间密度分布,还可以通过相位测量得到折射率的空间分布,从而获得与材料相关的更多信息。太赫兹波的光谱分辨特性使得太赫兹成像技术不仅可以呈现物体的形貌,还可以鉴别物体的组成成分。利用太赫兹光谱技术分析诸如毒品、爆炸物、氨基酸和蛋白质、中草药等药物,已经引起了社会各界的广泛关注。

丙氨酸分子太赫兹光谱

图8、同型和异型的丙氨酸分子在太赫兹波段的光谱表现出的差异

太赫兹光谱技术

图9、通过太赫兹光谱鉴别技术识别各种粉末,图中分别为Codeine, Cocaine, Sucrose (均为60mg)

太赫兹时域光谱技术 (Terahertz time domain spectroscopy, THz - TDS) 是国际上近年来发展起来的研究技术。它利用物质对太赫兹频带的不同特征吸收谱 ,分析研究物质成分、结构及其相互作用关系。通常有机分子内化学键的振动吸收频率主要在普通红外波段 ,但对于分子之间弱的相互作用 (如氢键)及大分子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和震动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收频率,则对应于太赫兹红外波段范围。这些振动所反映的分子结构及相关环境信息,都在太赫兹波段内不同吸收位置及吸收强度上有明显的响应,有机分子的这些光谱特征,使得利用太赫兹时域光谱技术鉴别化合物结构、构型与环境状态成为可能。

 

 


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