太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用研究進展

蔡 禾，郭雪嬌，和 挺，潘 銳，熊 偉，沈京玲

（首都師范大學(xué)物理系，北京市THz波譜與成像重點實驗室，THz光電子學(xué)教育部重點實驗室，北京 100048）

太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用研究進展

蔡 禾，郭雪嬌，和 挺，潘 銳，熊 偉，沈京玲

（首都師范大學(xué)物理系，北京市THz波譜與成像重點實驗室，THz光電子學(xué)教育部重點實驗室，北京 100048）

概述了利用光整流、光電導(dǎo)天線、參量振蕩、空氣等離子體等方式產(chǎn)生太赫茲（THz）波，以及利用電光取樣、光電導(dǎo)天線、空氣等離子體等探測THz波的方法。闡述了THz時域光譜技術(shù)以及近年來發(fā)展的異步電光取樣技術(shù)。討論了THz技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。重點介紹了本課題組近年來致力于THz檢測技術(shù)在毒品檢測識別方面的研究情況。建立了含有38種純度在90％以上的THz毒品譜庫，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等方法對毒品進行計算機自動識別，研究確定了毒品純度和有效成分含量的理論和實驗方法。用高斯軟件對個別品種，如甲基苯丙氨（MA）、氯氨酮、海洛因進行了光譜解析，研究結(jié)果為實現(xiàn)毒品的實驗室檢測提供了依據(jù)。最后，簡單綜述了THz技術(shù)的發(fā)展前景。

THz波；無損檢測；光譜分析；異步電光取樣；綜述

1 引言

太赫茲（Terahertz，THz）波（或稱太赫茲輻射、T-射線、亞毫米波、遠紅外，通常簡稱為THz）指的是頻率在0.1～10 THz（1 THz＝1012Hz）的電磁輻射。從頻率上看，該波段位于毫米波和紅外線之間，屬于遠紅外波段；從能量輻射上看，其大小在電子和光子之間。在電磁頻譜上，THz波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是THz技術(shù)還很不完善。究其緣由是因為此頻段既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合用微波理論來研究，從而形成了通常所說的“THz空隙”（THz Gap）。

20世紀80年代初，由于缺乏有效的THz產(chǎn)生方法和檢測手段，對于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限。近十幾年來，超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的產(chǎn)生和應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展。

THz科學(xué)的早期研究主要集中在發(fā)展THz技術(shù)本身，之后人們開始對THz波與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生興趣，其研究對象集中在半導(dǎo)體，涉及超導(dǎo)體和介電物質(zhì)，再以后，THz輻射被用來研究化學(xué)和生物樣品的光譜特性。進入21世紀后，THz技術(shù)不但在基礎(chǔ)科研中繼續(xù)受到重視，其應(yīng)用研究也引起人們的興趣，比如安全檢查、無損檢測、醫(yī)療診斷及制藥等化學(xué)合成過程中的應(yīng)用等。本文前半部分介紹了THz的產(chǎn)生和探測方法以及THz時域光譜和異步電光取樣技術(shù)；后半部分主要介紹了THz近些年比較新的應(yīng)用。

2 THz波的產(chǎn)生和探測

THz波的產(chǎn)生分為連續(xù)波的THz產(chǎn)生和THz脈沖的產(chǎn)生。產(chǎn)生連續(xù)THz波的方法主要有4種：（1）通過FTIR（Fourier Transform Infrared Spectrometer）使用熱輻射源產(chǎn)生，如汞燈和SiC棒；（2）是通過非線性光混頻產(chǎn)生；（3）是通過電子振蕩輻射產(chǎn)生，如反波管、耿式振蕩器及肖特基二極管產(chǎn)生；（4）是通過氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器等THz激光器直接產(chǎn)生。

目前產(chǎn)生THz脈沖常用的方法有光導(dǎo)天線法、光整流法、THz參量振蕩器法、空氣等離子體法等，其中空氣等離子體能產(chǎn)生相對較高強度的THz波而備受關(guān)注，此外，還可以用半導(dǎo)體表面產(chǎn)生THz波。下面主要介紹產(chǎn)生THz脈沖的一些常用方法。

2.1 光導(dǎo)天線（PCA）產(chǎn)生THz脈沖

光導(dǎo)天線輻射機制是利用超快激光脈沖泵浦光導(dǎo)材料，在其內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對，這些載流子在外加偏置電場作用下，做加速運動形成瞬態(tài)光電流，從而輻射出低頻THz脈沖。PCA由兩個距離在μm量級電極組成，此種THz輻射系統(tǒng)的性能取決于3個因素：光導(dǎo)體、天線的幾何結(jié)構(gòu)和泵浦激光的脈沖寬度，如圖1所示。光導(dǎo)體是產(chǎn)生THz輻射的關(guān)鍵部件，對于性能良好的光導(dǎo)體來說，它應(yīng)該具有載流子壽命極短，載流子遷移率高和介質(zhì)耐擊穿強度大等特點。目前應(yīng)用于THz技術(shù)中最多的光導(dǎo)體材料是Si和低溫生長的GaAs（LT-GaAs）材料。

2.2 光整流產(chǎn)生THz脈沖

光整流方法是利用電光晶體作為非線性介質(zhì)，使超快激光通過非線性節(jié)點材料進行二階非線性光學(xué)過程或高階非線性光學(xué)過程產(chǎn)生THz脈沖。光整流的物理過程是一個瞬間完成的過程，而產(chǎn)生的THz輻射強度與非線性介質(zhì)的極化電場強度P（t）的低頻部分對時間的二階偏導(dǎo)數(shù)成正比。光整流的關(guān)鍵問題是位相匹配，它可以放大激光和THz脈沖在非線性介質(zhì)中的相互作用，并且能影響光整流的產(chǎn)生效果。

非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)影響所產(chǎn)生的THz脈沖的振幅強度、頻率分布以及光整流的轉(zhuǎn)換效率。常用的非線性介質(zhì)有LiNbO3、LiTaO3、有機晶體DAST、半導(dǎo)體GaAs、ZnTe、InP、InTe等。在產(chǎn)生THz脈沖方面，用得最多的是ZnTe和GaAs，而DAST則是很有潛力的有機介質(zhì)，是目前非線性效應(yīng)最強的物質(zhì)之一。

比較光整流和PCA產(chǎn)生的THz脈沖［1］可知：（1）用PCA輻射的THz脈沖能量通常要比用光整流效應(yīng)所產(chǎn)生的THz脈沖的能量強。這是因為光整流效應(yīng)產(chǎn)生的THz脈沖的能量僅僅來源于入射的激光脈沖的能量，而PCA輻射的THz脈沖的能量則主要來自天線上所加的偏置電場，如果要想獲得能量較強的THz脈沖，則可以通過調(diào)節(jié)外加電場的大小來實現(xiàn)。（2）PCA產(chǎn)生的THz電磁波的頻率較低，而光整流產(chǎn)生的THz電磁波的頻率較高。（3）PCA產(chǎn)生的THz脈沖頻譜寬度較窄，而光整流產(chǎn)生的THz脈沖的頻譜寬度較寬。

2.3 空氣等離子體產(chǎn)生THz脈沖

Cook和Hochstrasser［2］等人最早發(fā)現(xiàn)將頻率為ω的飛秒脈沖和頻率為2ω的倍頻光聚焦在空氣中，將空氣電離可產(chǎn)生THz波。該方法與之前的在晶體中進行光整流產(chǎn)生THz波相比，不存在損傷閾值的問題，即對激光的強度沒有限制。

空氣中產(chǎn)生THz波有3種結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖（a）是將波長為800nm或400nm，脈寬為100fs的激光脈沖聚焦到空氣中產(chǎn)生等離子體，從而輻射THz波；而圖（b）較之于圖（a）則是在聚焦透鏡后添加了一塊BBO晶體用于倍頻；圖（c）是利用分色鏡將波長為800nm和400nm（基頻波與二次諧波）的兩束光混合在一起，通過干涉相長或干涉相消對THz輻射進行相干控制。

張希成等人［3］證明了空氣等離子體產(chǎn)生THz脈沖是發(fā)生在空氣中的三階非線性效應(yīng)（即在空氣中發(fā)生了（2ω+ΩTHz）-ω-ω＝ΩTHz四波混頻過程），其機理可用ETHz∝χ（3）E2ω（t）（t）cos（φ）來表達，并且認為三階極化率張量只與χxxxx分量有關(guān)，產(chǎn)生的THz電場只在x方向有分量，為線偏振光。

之后，一些關(guān)注空氣產(chǎn)生THz脈沖的研究者重復(fù)了產(chǎn)生THz脈沖的實驗過程時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的THz脈沖在兩個正交的方向有幾乎相等的分量，并對其做了解釋和證明。2008年6月，Aurélien Houard［4］等人提出了在空氣產(chǎn)生THz脈沖的實驗過程中，由于強激光會在BBO晶體中發(fā)生雙折射，且作者認為空氣等離子體各向異性會使基頻波有偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的THz脈沖在與基頻倍頻垂直的y方向上也會產(chǎn)生較大的THz分量，實際上是來自于三階極化率張量項的貢獻。

2.4 參量振蕩器產(chǎn)生頻率可調(diào)的THz波

光學(xué)參量振蕩是產(chǎn)生THz輻射的另一機制，是基于光學(xué)參量效應(yīng)的一種技術(shù)。THz參量源通常有THz參量發(fā)生器（Terahertz-wave Parametric Generator，TPG）和THz參量振蕩器（Terahertzwave Parametric Oscillator，TPO）兩種，二者之間的區(qū)別在于TPO有諧振腔，而TPG沒有這樣的選頻結(jié)構(gòu)。THz參量源具有很高的非線性轉(zhuǎn)換效率，其結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化、工作可靠、便于操作、相干性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)單頻、寬帶、可調(diào)諧、可在室溫下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的全固態(tài)THz輻射源。

THz參量源是利用晶格或分子本身的共振頻率來實現(xiàn)THz波的參量振蕩和放大的，是一種與極化聲子相關(guān)的光學(xué)參量技術(shù)。當(dāng)一束強激光束通過非線性晶體時，光子和聲子的橫波場會發(fā)生耦合，產(chǎn)生出光-聲混態(tài)，稱之為極化聲子。由極化聲子的有效參量散射，即受激極化聲子散射，可輻射出THz波。在這個散射過程中同時包括二階和三階非線性過程，因此，泵浦光、閑頻光和極化波（THz波）三者之間會發(fā)生很強的相互作用。

圖3 參量振蕩產(chǎn)生頻率可調(diào)的THz波裝置圖Fig.3 Frequency-tunable THz wave generated by parametric generator

2008年，Koji Suizu［5］等人利用KTP-OPO（雙波長輸出KTP光學(xué)參量振蕩器）產(chǎn)生的兩束波長相差不大的平行泵浦光在鈮酸鋰晶體中差頻產(chǎn)生出THz波，在THz波的輸出上利用了切倫科夫輻射的原理［6］，如圖3所示。眾所周知，當(dāng)晶體中極化波的速度大于輻射出的射線波的速度時就可以說其滿足了切倫科夫的相位匹配條件。在鈮酸鋰晶體中，由兩束泵浦光差頻產(chǎn)生的THz波的波速（發(fā)出的瞬間具有泵浦光的速度）大于由THz引起的介質(zhì)極化產(chǎn)生的次波輻射的波速（等于THz的速度），滿足了切倫科夫輻射的相位匹配條件［7］，從而以一定角度輻射出THz波。同時，因為聚乙烯膜很薄，可以和THz波的波長相比，所以可在聚乙烯膜上使用一組硅棱鏡陣列來耦合THz波的輸出，然后用硅測輻射熱計來探測產(chǎn)生的連續(xù)寬頻范圍的THz波。

2.5 幾種發(fā)射源的比較

目前，THz波發(fā)射源可以大致分為以下幾類：非相干的熱輻射源，電子學(xué)的高頻微波輻射源，THz激光器，光電子輻射源，這些THz波光源都有自己的特點及局限性［8］。自由電子激光和氣體激光可以發(fā)射相對較強的THz輻射，并可以覆蓋較寬的頻率范圍，但它們的體積較大，功耗較高；量子級聯(lián)激光器可以輸出10mW數(shù)量級的THz輻射，但它需要工作在低溫環(huán)境下，而且目前的量子級聯(lián)激光器只能工作在THz的高頻波段，第一臺工作在THz波段的量子級聯(lián)激光器的標準發(fā)射波長為4.4THz［9］。電子學(xué)方法可以獲得較高的輸出功率，但只能發(fā)射低頻THz波。脈沖的THz發(fā)射源幾乎覆蓋了整個THz波段，且常溫下可獲得較高的信噪比，然而需要昂貴的飛秒脈沖激光器，且平均功率較低。

2.6 PCA探測

利用PCA探測THz脈沖的裝置與發(fā)射裝置相似，只是在探測裝置的天線電極之間沒有施加偏置電壓，而是直接連接一個電流計測量由THz電場驅(qū)動的電流。當(dāng)探測脈沖和THz脈沖同時照射到探測天線的電極間隙時，感測脈沖在該區(qū)域產(chǎn)生瞬時的自由載流子使該區(qū)域成為導(dǎo)體，而THz電場則驅(qū)動光生載流子形成電流。由于探測光脈沖和THz脈沖具有固定的時間關(guān)系，并假定由探測脈沖激發(fā)的自由載流子壽命遠短于THz脈沖的周期，可近似地認為有該探測脈沖激發(fā)的載流子會受到一個恒定電場的作用，從而產(chǎn)生可以測量的電流，該電流可以表示為＝eμE（τ），其中是光生自由電子的密度，τ是探測脈沖和THz脈沖之間的時間差。該式表明了測量電流值正比于該時刻THz脈沖的電場強度，通過改變τ探測脈沖就會對THz脈沖的電場進行取樣。

2.7 電光取樣

電光取樣測量技術(shù)基于線性電光效應(yīng)：當(dāng)THz脈沖通過電光晶體時，會發(fā)生電光效應(yīng)，從而影響探測（取樣）脈沖在晶體中的傳播。當(dāng)探測脈沖和THz脈沖同時通過電光晶體時，THz脈沖電場會導(dǎo)致晶體的折射率發(fā)生各向異性的改變，致使探測脈沖的偏振態(tài)發(fā)生變化。調(diào)整探測脈沖和THz脈沖之間的時間延遲，檢測探測光在晶體中發(fā)生的偏振變化就可以得到THz脈沖電場的時域波形。

自由空間電光取樣THz探測原理如圖4所示。圖中的激光器為飛秒激光器，它所發(fā)出的飛秒激光脈沖經(jīng)分束器之后，分為泵浦脈沖和探測脈沖。泵浦脈沖用來激發(fā)THz發(fā)射極使其產(chǎn)生THz脈沖，然后該脈沖被離軸拋物面鏡準直聚焦，經(jīng)半透鏡照射到電光晶體之上，由此改變電光晶體的折射率橢球。當(dāng)線偏振的探測脈沖在晶體內(nèi)與THz光束共線傳播時，其相位會被調(diào)制。由于電光晶體的折射率會被THz脈沖電場改變，所以探測光經(jīng)過電光晶體時，其偏振狀態(tài)將會由線偏振轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振，再經(jīng)偏振分束鏡（這里常用的是沃拉斯通（Wollaston）棱鏡）分為s偏振和p偏振兩束，而這兩束光的光強差則正比于THz電場。使用差分探測器可以將這兩束光的光強差轉(zhuǎn)換為電流差，從而探測到THz電場隨時間變化的時域光譜。利用機械電動延遲線可以改變THz脈沖和探測脈沖的時間延遲，通過掃描這個時間延遲可得到THz電場的時域波形。為了提高靈敏度和壓縮背景噪聲，可以采用機械斬波器來調(diào)制泵浦光，而后利用鎖相探測技術(shù)，即可獲得THz電場振幅和相位的信息。

圖4 電光探測原理圖Fig.4 Schematic diagram of electro-optic sampling

2.8 空氣探測

2006年，戴建明和張希成等人［10］根據(jù)THz輻射的產(chǎn)生和探測是互逆過程這一理論，利用三階非線性性質(zhì)實現(xiàn)了空氣等離子體探測THz電場。圖5是利用空氣產(chǎn)生并探測THz的裝置圖。在探測THz輻射時，將800nm的探測激光與THz脈沖同時聚焦在空氣中，在四波混頻的過程中，THz輻射與800nm激光可以產(chǎn)生400nm波長的光Esignal2ω∝χ（3）EωEωETHz，其中Esignal2ω是THz波場誘導(dǎo)產(chǎn)生二次諧波信號的電場分量，可見二倍頻光的電場強度正比于THz在特定延遲時刻的電場強度。

以往，遠距離寬帶THz波的遙感探測和光譜分析是無法實現(xiàn)的，這是因為空氣中的水蒸氣對THz波具有強吸收，THz波在空氣中的衰減高達100db/km。但空氣等離子體產(chǎn)生和探測THz波的方法是通過將可見光脈沖發(fā)送到遠處被測物體附近來產(chǎn)生和探測THz波的，利用可見光在空氣中的低衰減（＜0.01dB/km）來實現(xiàn)遠距離THz波的感測，因而具有重要的應(yīng)用意義。

圖5 空氣等離子體產(chǎn)生與探測裝置圖Fig.5 Generation and detection of THz in air plasma

2.9 幾種THz探測器的比較

THz波的探測器可以分為：光學(xué)和光電子學(xué)探測器（光電導(dǎo)天線和電光取樣）和量熱式探測器。光學(xué)和電子學(xué)探測器應(yīng)用在脈沖THz技術(shù)中，可以摒除環(huán)境噪聲的影響，獲得高信噪比的測量結(jié)果，而且可以進行相干測量；量熱式探測器可以探測各種光源發(fā)射的THz輻射，而且可以測量各種光譜范圍的輻射；但是與差分測量相比，他們的探測靈敏度較低，而且容易受到環(huán)境輻射的影響，是非相干測量。

3 THz時域光譜技術(shù)

3.1 THz時域光譜系統(tǒng)

利用THz脈沖可以分析材料的性質(zhì)，其中THz時域光譜技術(shù)（THz-TDS）是一種非常有效的測量手段。THz時域光譜技術(shù)是一種相干探測技術(shù)，它利用樣品的THz透射或反射光譜信息，同時獲得THz脈沖的振幅信息和相位信息，再通過對時域波形進行傅里葉變換直接得到樣品的吸收系數(shù)和折射率等光學(xué)參數(shù)。圖6為THz時域光譜系統(tǒng)光路圖。

圖6 THz時域光譜系統(tǒng)Fig.6 Terahertz time domain spectrocopy

從激光器射出的飛秒激光經(jīng)過分束鏡分為兩束，一束為泵浦光入射到發(fā)射極InAs，通過光整流效應(yīng)產(chǎn)生THz波，經(jīng)4個離軸拋物面鏡聚焦到探測晶體ZnTe；反射的一束經(jīng)一系列的反射鏡到達探測晶體上THz的聚焦點，THz輻射電場使通過電光探測晶體的探測脈沖的偏振態(tài)發(fā)生改變，從而反映出THz電場的大小及變化。通過電動平移臺的移動改變探測點，從而描畫出THz波的時域波形。

3.2 異步電光取樣技術(shù)

傳統(tǒng)的THz時域光譜系統(tǒng)采用了電光取樣的方法，系統(tǒng)中掃描THz譜需用電動平移臺，通過電動平移臺調(diào)整探測脈沖與THz的相位差來改變測量點，該方法掃譜時間慢，測量時間長。

近年來，出現(xiàn)了一種基于異步電光取樣技術(shù)的測譜系統(tǒng)［11，12］，其特點是無機械延遲裝置、掃譜時間快、測量精度高。

該系統(tǒng)由1臺60fs的鈦寶石激光器作為探測光，1臺10fs的鈦寶石的激光器作為泵浦光，2臺激光器的重復(fù)頻率均約為82.6MHz，通過激光控制電路來控制2臺激光器的重復(fù)頻率有一個微小的差值，保持在108Hz。如圖7所示，非線性晶體、光電倍增管和電流前向放大器組成了和頻振蕩自相關(guān)儀，產(chǎn)生時間觸發(fā)信號輸入示波器作為時鐘信號。產(chǎn)生THz和探測THz均采用了PCA結(jié)構(gòu)。由于探測脈沖的周期和產(chǎn)生的THz脈沖周期不同，每經(jīng)過一個重復(fù)周期，探測脈沖的探測點相對與THz波向前移動，從而實現(xiàn)探測點的改變，描畫出THz的時域波形，其原理如圖8所示。

采用這種方法對THz波進行采樣可實現(xiàn)1s采108次THz譜，頻譜寬度為63.7THz，時間分辨率可達15.8fs。相比傳統(tǒng)的用平移臺掃譜的方法，該方法具有速度快、頻譜寬度寬、頻率分辨率高等特點，且這種異步電光取樣系統(tǒng)的技術(shù)指標正在不斷的提高。該技術(shù)對未來THz的實際應(yīng)用提供了效率保障。

圖7 異步電光取樣裝置圖Fig.7 Asynchronous optical sampling setup

圖8 異步電光取樣探測原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of asynchronous optical sampling

4 THz波技術(shù)的應(yīng)用

4.1 THz是對毒品檢測的有效手段

近年來，作者致力于THz檢測技術(shù)在毒品識別方面的研究，并取得了一些成果，為實現(xiàn)毒品的實驗室檢測提供了依據(jù)。

圖9 SOM對6種毒品60個光譜的聚類結(jié)果Fig.9 Sixty spectra of six illicit drugs clustered by SOM neural network

利用THz時域光譜技術(shù)測量得到了38種純度在90％以上的毒品的THz光譜，建立并豐富了毒品THz光譜數(shù)據(jù)庫［13］；在初步研究了“自然毒品”的光譜特征和對隱藏毒品利用特征峰識別、成像識別等方法［14］進行識別的基礎(chǔ)上，研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［15］、支持向量機（SVM）［16］，二次求導(dǎo)等方法［17］實現(xiàn)計算機自動識別研究。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANN）是由大量處理單元（神經(jīng)元）相互連接而成的網(wǎng)絡(luò)，它模擬生物體中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)構(gòu)和功能，如學(xué)習(xí)、控制和識別等，采用物理上可實現(xiàn)的器件或采用計算機來模擬生物體中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)構(gòu)和功能，是人工智能研究的一種方法。其中自組織特征映射（Self Organization Feature Mapping，SOM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種重要類型。采用THz-TDS技術(shù)對6種常見毒品進行研究，得到了0.2～2.6THz的特征吸收光譜，將毒品的60個光譜作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每種樣品10個光譜，通過SOM網(wǎng)絡(luò)對其聚類，訓(xùn)練60 000次后的結(jié)果如圖9所示。然后以訓(xùn)練好的SOM對12個待識別的60個光譜進行分類，分類結(jié)果如圖10所示。在這兩幅圖中，不同的形狀代表不同毒品的THz光譜，相同的形狀代表相同的毒品不同次測得的光譜，空心點代表用來訓(xùn)練的光譜，實心點代表識別的光譜。從圖9可以看出，相同毒品的光譜在網(wǎng)格中的距離要近些，不同毒品的光譜在網(wǎng)格中的距離大于相同光譜在網(wǎng)格中的距離，說明SOM網(wǎng)絡(luò)將毒品的光譜進行了成功的聚類，實現(xiàn)了對不同毒品的分類。圖10的識別結(jié)果表明，訓(xùn)練好的SOM網(wǎng)絡(luò)可以對不同毒品的THz光譜進行分類，即可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來鑒定毒品的種類。

圖10 用訓(xùn)練好的SOM網(wǎng)絡(luò)對6種毒品的60個光譜的識別結(jié)果，實心的標記代表用SOM網(wǎng)絡(luò)識別的光譜Fig.10 Result of identification using well-clustered SOM neural network

支持向量機（SVM）是V.Vapnik［18］提出的一種機器學(xué)習(xí)方法，由于其出色的學(xué)習(xí)功能，該技術(shù)已成為機器學(xué)習(xí)界的研究熱點，并在很多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用。由于SVM在高維小訓(xùn)練樣本情況下有著很好泛化能力，并且相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，尤其是自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［19］在參數(shù)設(shè)定和識別過程要節(jié)省很多時間，因此，采用THz-TDS技術(shù)對9種常見毒品純品和3種混合物進行了實驗研究，并在得到它們0.2～2THz的特征吸收光譜的基礎(chǔ)上，用SVM對毒品純品和混合物的THz吸收光譜進行了識別分類。用歸一化預(yù)處理后的9種毒品和面粉的THz吸收光譜訓(xùn)練libsvm模型，選用與訓(xùn)練光譜不同時間測得的毒品和混合物的THz吸收光譜作為檢測光譜，經(jīng)過歸一化預(yù)處理之后分別輸入到訓(xùn)練好的libsvm模型中進行識別，識別率達100％。識別結(jié)果表明，用SVM可以實現(xiàn)對不同種類毒品的識別和鑒定，為THz光譜技術(shù)用于毒品的檢測和識別提供了另一種有效的方法。

作者還研究了確定毒品純度和有效成分含量的理論和實驗方法［20］，采用吸收系數(shù)分別為α1（ω），α2（ω）……αn（ω）的n種樣品S1，S2，……，Sn均勻混合成質(zhì)量為M的混合樣品，吸收系數(shù)α（ω）＝biαi（ω），其中bi為各已知成分的百分比，如果每個成分的吸收系數(shù)及它們混合物的吸收系數(shù)已知，那么通過線性回歸的方法，就可以算出各成分的質(zhì)量百分比。其中b1∶b2……∶bn＝m1∶m2……∶mn，這表明如果混合物和它的各個成分的吸收系數(shù)已知，就可以采用最小二乘法計算出混合物中各成分的百分比含量。將維生素B6、維生素C、蒽醌按一定比例混合，用該方法計算出各組分的含量并與實際含量做比較，結(jié)果見表1，其絕對誤差＞2.99％，相對誤差＞7.64％，總體上3種成分的實際含量和計算含量基本一致。實驗表明，用THz-TDS技術(shù)定量檢測混合物各組分含量是可行的。

表1 維生素B6、維生素C、蒽醌的實際含量及計算結(jié)果Tab.1 Contains of vitam ins B6，vitam ins C，anthraquinone in experiment and calcu lation

用高斯軟件對個別品種的毒品進行光譜解析是該研究的另一方向，現(xiàn)已經(jīng)完成了對甲基苯丙氨（MA）、氯氨酮、海洛因的光譜解析［21，22］。

圖11 MDMA的THz吸收光譜計算結(jié)果與實驗結(jié)果Fig.11 THz absorption spectra of MDMA by calculation and experiment

以二亞甲基雙氧苯丙胺（MDMA）為例，在室溫下提取了它在0.2～2.6 THz的時域光譜。利用密度泛函理論，將低頻振動模型應(yīng)用于MDMA，使用高斯GaussianView3.09軟件包計算其吸收譜。計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比見圖11。

對于MDMA來說，實驗與計算結(jié)果符合的比較好，不僅吸收峰的個數(shù)相吻合，整體趨勢也比較相似，只是有一些頻率的偏移。計算得到的吸收峰1.11、1.78和2.60 THz分別對應(yīng)于1.20、1.83和2.57THz。實驗表明THz-TDS和離散傅里葉變換（DFT）很適合用于識別MDMA的分子振動的特征譜。

4.2 郵件檢測

早在2003年，日本的Kodo Kawase［23］就提出了在不拆開信封的情況下，通過提取信封內(nèi)可疑物指紋譜的方法來識別信封內(nèi)的毒品，并通過在特定頻率成像的方法來區(qū)分信封內(nèi)的毒品可疑物的種類。因此，利用THz時域光譜技術(shù)進行郵件檢測，將毒品藏匿在信封中以合法的途徑運毒將不再可能。圖12是透過信封對MDMAmethamphetamineaspirin3種毒品在7個頻率下的成像。

圖12 MDMAmethamphetamineaspirin3種毒品在不同頻率下的成像結(jié)果Fig.12 Three drug images in seven frequencices

在日本每天有成百上千封郵件需要檢查，如果逐一用成像的方法對郵件進行檢查，將是一項繁重的工作，因此，近年來，日本利用THz技術(shù)和X射照相技術(shù)設(shè)計了一套能快速高效地分類篩查郵件的裝置，該裝置現(xiàn)已投入日本郵局試用［24］，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 快速掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.13 THz rapid screening system

該快速掃描系統(tǒng)用于迅速從大量郵件中篩選出可疑的信件，其過程分為5步：挑選厚度2cm以下的信封；采用X射線照相技術(shù)拍攝，排除部分只含有紙的信封；對X射線拍攝的信封照片中存在陰影部分的信件進行進一步檢查，將只含有紙張的信件收集起來；用THz散射探測器將信封中有可疑粉末的信件挑出，該散射探測器如圖14所示，探測部分由肖特基二極管作THz產(chǎn)生源和探測器，信封中若存在可疑粉末，接收器將會接收到散射的THz波，實驗證明毒品顆粒在微米量級這樣大小的顆粒剛好對THz散射強烈，因此，THz散射探測器非常適合這項工作；最后掃描有可疑粉末的信封，與譜庫里的時域譜對比，進行毒品識別。

圖14 THz散射探測裝置圖Fig.14 Optical setup of THz scattering detector

4.3 THz脈沖雷達

近年來，異步電光取樣方法的問世使THz技術(shù)向應(yīng)用又邁進了一步。該方法由于能夠迅速地進行電光采樣，而不需要電動平移臺，彌補了傳統(tǒng)THz時域光譜的掃描光譜時間慢的缺點，因此，成為具有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椉夹g(shù)。

Takeshi Yasui［25］利用這項技術(shù)制造了THz脈沖車載雷達，圖15為該雷達的結(jié)構(gòu)示意圖。雷達采用了典型的異步電光取樣結(jié)構(gòu)，用PCA作THz發(fā)射源和探測器，并采用了兩臺激光器。

圖15 THz脈沖雷達結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Schematic diagram of terahertz impulse radar

當(dāng)障礙物距探測器的距離改變，探測脈沖和門控脈沖光程會變長，從而可測算出障礙物距離的改變。該產(chǎn)品目前所能達到的測量精度在2mm左右。

4.4 工業(yè)加工——塑料焊接點的無損檢測

THz時域光譜系統(tǒng)可以應(yīng)用于塑料加工工業(yè)［26］。塑料作為一種重要的建筑材料，其質(zhì)量的監(jiān)管應(yīng)予以重視。作為建筑材料，如果存在著氣泡或者存在著生產(chǎn)過程中帶入的一些摻雜物，會導(dǎo)致焊接點強度的急劇下降成為安全隱患。例如，生產(chǎn)用來運輸天然氣的聚乙烯管時，任何一處焊接的缺陷都將引起巨大的風(fēng)險和經(jīng)濟上的損失，因此，塑料焊接點質(zhì)量檢測是必要的。對于塑料的檢測一直是工業(yè)生產(chǎn)上的一個難點，X射線和超聲都不能很好地解決對塑料制品的檢測，其檢測成功率很低，而正在發(fā)展當(dāng)中的THz成像技術(shù)恰能克服這種限制，S.Wietzke在實驗中證明［27］，通過THz成像可以成功地檢測塑料焊接處摻雜的沙子或者金屬顆粒。此外，通過對焊接端的THz成像也可以檢測出是否有脫層現(xiàn)象，從而確定產(chǎn)品某處是否適合焊接并選擇合適的焊接范圍。圖16為塑料管焊接平面的成像圖。

圖16 塑料管焊接處THz成像圖Fig.16 THz image of end of plastic tube

4.5 工業(yè)加工——塑料纖維走向及添加物含量的無損檢測

纖維復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航海、汽車制造等行業(yè)，纖維復(fù)合材料的無損檢測是THz技術(shù)發(fā)揮作用的另一個重要領(lǐng)域。纖維復(fù)合材料有出色的力學(xué)性質(zhì)，但也存在一定的缺陷，例如，作為飛行器殼體的石墨纖維復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)由石墨纖維為骨架填充樹脂材料制成，其優(yōu)點是質(zhì)量輕而堅固，缺點是被加熱到200℃以上容易被損壞，因此，檢測石墨纖維復(fù)合材料的受熱損壞程度是非常有意義的工作。Karpowicz［28］等人將THz技術(shù)引入纖維復(fù)合材料的無損檢測中，對被火燒過的碳纖維化合物成像以確定損傷程度，由于石墨纖維是導(dǎo)電材料，對THz輻射不透明，對THz吸收較強，因此，采用了反射式成像方式。

玻璃纖維對THz幾乎是透明的，Stoi和他的合作者對航天用玻璃纖維化合物進行了深入的研究，檢測樣品是否有空隙，脫層以及力熱損傷。除此之外，很多材料的力學(xué)性質(zhì)與材料內(nèi)添加纖維的比重和纖維的走向密切相關(guān)。因此，在利用這種材料制造對安全系數(shù)要求較高的重要零部件時，纖維含量和纖維走向兩個指標十分重要，甚至要求在加工過程中對其進行監(jiān)測。由于其它無損檢測方法不能很好地解決這個問題，THz時域光譜技術(shù)成為完成這項工作的主要方法。

近年來，S.Wietzke等人做了纖維走向［29］和纖維含量［30］的測定工作。對于纖維含量的測定是通過測定混合物的介電常數(shù)來實現(xiàn)的，即利用了準靜電有效介質(zhì)理論［31］計算的介電常數(shù)來確定混合物成分含量。對于纖維走向的測定則是基于他們提出的一種提取樣品空間任一位置的纖維走向的算法，用不同偏振方向的THz波照射樣品各表面，找到樣品的3個主折射率從而確定纖維走向。

4.6 THz層析成像

相襯X射線計算層析照相法是一種新興的成像技術(shù)，它可以利用第三代同步加速器輻射源或使用微聚焦X射線源來實現(xiàn)，在材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)中已經(jīng)獲得了有意義的結(jié)果。THz波計算機層析成像是在X射線計算機層析成像的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型層析成像形式，利用了THz波和新的重構(gòu)計算方法。這種技術(shù)使THz成像擴展到能夠研究物體復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于THz波具有許多獨特性質(zhì)，所以3DTHz層析成像會有許多潛在的應(yīng)用，如郵件包裹的檢查、國土安檢、物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢查、無損檢測等。

1997年，Mittleman等人［32，33］的研究已經(jīng)實現(xiàn)了反射式THz層析成像，該研究小組通過數(shù)字信號處理算法成功地重構(gòu)出了軟盤的3DTHz像，但是，這種層析成像只能對有明顯邊緣的層狀目標物體進行成像。利用透射式連續(xù)THz波成像系統(tǒng)也能實現(xiàn)計算層析成像。由于連續(xù)波成像系統(tǒng)省去了泵浦—探測成像裝置，所需的元件數(shù)量很少，大大減小了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。同時系統(tǒng)也無需時間延遲掃描，成像速度得到了大幅度提高，所以這種層析成像將會有很大的實用價值。圖17是通過對測量數(shù)據(jù)的逆向計算實現(xiàn)的高爾夫球的三維重構(gòu)圖。T-CT借用了已經(jīng)很完善的X-CT領(lǐng)域的計算方法。

圖17 對高爾夫球的THz層析成像圖Fig.17 Terahertz-tomography image of golf

此外日本的Jun Takayanagi，Hiroki Jinno，Shingo Ichino等人提出了一種用去卷積過程得出物體圖像的方法［34］，使用去卷積方法得出的3張紙的三維THz斷層成像，如圖18所示。

圖18 對紙張的THz層析成像圖Fig.18 3D terahertz-tomography image of paper

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)介紹了THz波產(chǎn)生和探測方法，并對各種產(chǎn)生和探測方法進行了比較。其中利用空氣等離子體產(chǎn)生和探測THz波對遠程感測THz波的發(fā)展有重要價值。文章就THz時域光譜技術(shù)以及近年來發(fā)展的異步電光取樣技術(shù)做了詳細介紹，該系統(tǒng)采用了用兩臺激光器，兩束飛秒激光分別作為泵浦脈沖和探測脈沖，利用兩臺激光器的重復(fù)頻率不同實現(xiàn)掃描，取代了傳統(tǒng)的移動速度緩慢的電動平移臺，該技術(shù)大大改善了THz波探測效率。本文對THz領(lǐng)域有代表性的應(yīng)用研究做了介紹，如利用THz技術(shù)與X射線照相技術(shù)共同完成對郵件的快速檢測；基于異步電光取樣的THz脈沖車載雷達；利用THz時域光譜技術(shù)進行毒品檢測；對纖維增強材料的纖維走向及纖維含量進行監(jiān)測；THz層析掃描技術(shù)等。本小組在毒品檢測識別研究中，用THz時域光譜技術(shù)測量得到了38種純度在90％以上的毒品的THz光譜，建立并豐富了毒品THz光譜數(shù)據(jù)庫，在初步研究了“自然毒品”的光譜特征并利用特征峰識別、成像識別等方法對隱藏毒品進行識別的基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM等方法研究確定毒品純度和有效成分含量的理論和實驗方法，并用高斯軟件對甲基苯丙氨（MA）、氯氨酮、海洛因等進行了光譜解析。

近年來，THz研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，許多高等院校和研究機構(gòu)已建成THz實驗室，并取得了一系列研究成果。進入21世紀以來，THz波的產(chǎn)生和探測技術(shù)取得了突破性的進展，THz應(yīng)用技術(shù)已進入加速發(fā)展時期?？梢灶A(yù)見在不久的將來，THz技術(shù)將給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國家安全和人民生活等各方面帶來深遠的影響。

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Terahertz wave and its new applications

CAIHe，GUO Xue-jiao，HE Ting，PAN Rui，XIONGWei，SHEN Jing-ling
（Beijing Key Laboratory for Terahertz Spectroscopy and Imaging，Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics，Ministry of Education，Department of Physics，Capital Normal University，Beijing 100048，China）

Themethods to generate the terahertz wave by optical rectification，photoconductive antennas，air plasmas and parametric generators are described in detail，then how to detect the terahertz wave by electrooptic sampling，photoconductive antennas and air plasmas are introduced as well.The terahertz time-domain spectroscopy and the asynchronous electro-optic sampling technique are also described.Furthermore，the applications of the terahertz technology to research fields，especially to the detection and identification of drugs are discussed.A terahertz spectrum database includes 38 kinds of drugs with a purity more than 99％is established.Moreover，the Artificial Neural Network（ANN）and a support vectormachine are used to identifydrugs automatically and the experimentalmethods and related theory are proposed to determine the purity and effective ingredients of drugs.By using a Gaussian software，individual species of drugs such asmethyl-phenyl ammonia（MA），ketamine and heroin are conducted by spectral analysis，which provides a basis for implementing the drug inspection in laboratories.Finally，this paper reviews the developments of the terahertz technology briefly.

terahertz wave；generation；detection；air plasma；asynchronous electro-optic sampling；inspection of drugs

1674-2915（2010）03-0209-14

O441；TN209

A

2010-01-11；

2010-03-13

北京市教委資助項目（No.KM200910028005）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）資助項目（No.2007CB310408；No.2006CB302901）

蔡 禾（1985—），男，北京人，碩士研究生，主要從事太赫茲光譜的研究。E-mail：caihe19850413@gmail.com

郭雪嬌（1986—），女，山東人，碩士研究生，主要從事太赫茲偏振的研究。E-mail：guoxuejiaohi@gmail.com

和 挺（1984—），男，北京人，碩士研究生，主要從事太赫茲目標識別的研究。E-mail：heting54@gmail.com

潘 銳（1983—），男，北京人，碩士研究生，主要從事太赫茲快速成像的研究。E-mail：peter_pan211@139.com

熊 偉（1983—），男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事太赫茲目標識別的研究。E-mail：vanxiong@163.com

沈京玲（1957—），女，北京人，博士，教授，主要從事太赫茲光譜和成像以及紅外無損檢測技術(shù)的研究。E-mail：sjl-phy@mail.cnu.edu.cn