太赫兹时域近场系统的研制与应用

发布时间：2020-03-31 16:20

【摘要】：由于较高的生物安全性,太赫兹技术在生物医学领域具有巨大的应用前景。尤其是太赫兹成像技术,为肿瘤等疾病的无标记诊断提供了一种全新的方法。目前,传统远场太赫兹成像技术存在空间分辨率较差的问题,严重限制了太赫兹成像技术在生物医学领域的深入应用,发展太赫兹近场成像技术有助于解决这一技术难题。本课题基于光电导天线直接探测太赫兹近场的原理,在远场太赫兹时域光谱系统的基础上,利用太赫兹近场探针代替原太赫兹远场探测天线,实现了太赫兹时域近场成像系统的研制,成功搭建了透射式和反射式两套近场太赫兹系统,创新性地开展了基于太赫兹近场技术的生物样品探测工作。本文的主要内容包括太赫兹近场探测相关原理、光路设计、信号采集与提取、系统控制及人机界面编写、生物样品的制备、实验检测、数据分析等。论文首先介绍了光电导天线产生和探测太赫兹波的原理、相干探测原理、光学参数提取原理、近场高分辨成像原理以及成像方法等理论知识;接着详细讨论了近场系统的光路与电路设计、扫描成像模块的搭建与控制等技术细节;然后搭建了透射式太赫兹时域近场成像系统和反射式太赫兹时域近场光谱系统;最后,利用研制的透射式系统实现了西瓜果肉单细胞的超分辨成像检测,利用反射式系统从光谱上明确区分出了猪肉组织的肌肉区域和脂肪区域。通过完成本课题所搭建的透射式太赫兹时域近场成像系统,其标定的成像分辨率达到3μm,比传统太赫兹成像系统分辨率高出2~3个数量级;利用该系统所开展的单细胞太赫兹成像工作尚属前沿研究。此外,在完成本课题过程中所搭建的基于收发一体的反射式太赫兹时域近场光谱系统也处于领域领先水平。通过开展本课题所取得的研究成果对太赫兹近场技术的发展及其在生物检测领域的应用具有推动作用,为提高我国在太赫兹核心技术领域的竞争力有重要现实意义。
【图文】：

太赫兹波,电磁波谱

题研究背景及研究意义赫兹波（Terahertz wave, THz）通常是指频率在 0.1 THz-10 THz(波长为 3 mm围内的电磁波。其在整个电磁波谱范围中位于微波和红外辐射之间，处于由光子学过渡的区域，如图 1.1 中黄色区域所示。也正是由于太赫兹波位置的使其具备很多优势。（1）安全性：太赫兹波的光子能量是很低的，1THz 的量约为 4.14 meV，不会像 X 射线那样对样品产生电离损伤，这使得它对活影响很小，因此可以利用太赫兹波检测生物活体组织[1-3]。（2）强穿透性：太许多非极性和非金属材料具有较好的穿透性，能够透过衣物、塑料、木板等以利用太赫兹波进行无损检测方面的研究[4-6]。（3）指纹谱性：太赫兹波段包的物理和化学信息，根据独特的指纹谱性能分析物体的物理化学性质，达到行鉴别的目的[7,8]。（4）相干性：太赫兹波相干检测技术可以同时测量电场的位，可以准确地提取样品的折射率和吸收系数[9-11]。（5）瞬态性：太赫兹波续时间长度只有几百飞秒到几皮秒，具有较高的时间分辨能力，能够应用于流子寿命研究。近些年来，太赫兹技术俨然已经成为光学、电学、材料学、各领域的学者们大力研究的一门交叉学科。

直接探测法,散射法,针尖,近场

太赫兹探测器可以探测到由孔径限制的样品区域内的太赫兹波，如图1.2(a)所示。当孔径尺寸远小于太赫兹波的波长时，可实现与孔径尺寸相当的空间分辨率[30-32]。这种方法的优点是系统简单、易于调整。但是由于小孔的尺寸为亚波长量级，这使得通光量降低导致系统的灵敏度较差，通常需要采用微结构增强和金属波导法来提高其成像对比度和空间分辨率。针尖散射法的基本原理是，在近场区域内放置一个亚波长的微散射体，，利用微散射体将近场信号散射到远场区域，太赫兹探测器可以探测到与针尖局域增强太赫兹电场区域有关的感生太赫兹波，如图 1.2(b)所示。其成像空间分辨率取决于针尖的曲率半径，能达到纳米级的空间分辨率[33-35]。但是针尖制作困难，且微弱信号难以提取，系统信噪比较差。直接探测法的基本原理是，当探测器的有效探测区域远小于太赫兹波的波长时，基于统计学效应可获得与探测器的有效探测区域尺寸相当的空间分辨率。其实现方法是在样品的近场区域内探测，尽可能的缩小探测器尺寸，如图 1.2(c)所示。光电导探针是目前最常用的近场探测器，其本质上就是一对光电导天线，是采用特殊的光刻工艺制作而成的微型锥形天线，其开口大小只有几个微米，能够消除杂散光对近场信号的影响，空间分辨率较高，信噪比较好。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TP391.41

【参考文献】