固体发动机外防护涂层紧贴型缺陷太赫兹成像实验研究

针对固体火箭发动机金属壳体外防护涂层紧贴型无黏结缺陷检测问题,采用反射式太赫兹时域光谱成像技术对标准涂层试件进行检测,实现对黏好区、紧密接触但是黏结失效区(无黏结区)、交界区和微小缺陷区分布情况判识。对比了不同原始信号预处理、不同降维处理和不同样本量分类识别处理对四类区域特征识别的效果。结果表明,采用主成分分析结合支持向量机方法,四类特征的预测分类区域图像与实际分类区域分布吻合,并且在较少样本量的情况下保持了稳定的预测分类结果,可靠性较高。证实了太赫兹技术用于对固体火箭发动机壳体与涂层的黏结结构进行非接触无损检测中,能够自动识别紧密接触型黏结失效缺陷和微小缺陷,为进一步的涂层质量控制提供了一种新的检测手段。

基于微流控技术的磁流体对外加磁场及温度的太赫兹特性研究

磁流体是将超微磁性粒子均匀地分布在载基液中,形成的胶态液体磁性材料,它打破了传统固体磁性材料的形态,是一种同时具有固体磁性和液体流动性的新型材料,具有非常广泛的应用前景。目前磁流体已经被应用于医学领域,已有研究表明,磁流体可被用于癌细胞的治疗、细胞的分离以及靶向给药等;另外,磁流体还可以应用于密封、润滑等方面。太赫兹波是指频率范围在0.1~10 THz,波长范围在30~3000μm的电磁辐射。由于许多生物分子的振动和转动模式均处于太赫兹波频段,并且太赫兹波的能量较低,不会破坏被测物品,所以太赫兹波可用于无损检测,是一种安全可靠的测量方法。微流控技术可用于对极少量液体样品的测量,具有操作简单、检测速度快、节约被测样品等优点。该研究将太赫兹技术与微流控芯片技术相结合,通过改变外加磁场的时间和温度,研究了磁流体的太赫兹时域谱和频域谱的变化情况,发现在外加不同时间的磁场强度时,随着时间的增加,磁流体的太赫兹时域谱图右移,频域谱图强度下降;外加不同温度时,随着温度的增加,同样出现时域谱图右移,透射强度降低的现象。初步认为磁流体中的磁性粒子在外加磁场下聚集定向排列,随着时间的延长,近似认为纳米粒子团簇半径增大,使得太赫兹波不易透过从而使其强度变低;在温度升高时,分子热运动加剧,分子振动和转动加强,使得太赫兹波不易透过进而强度变低。由于利用太赫兹研究磁流体特性方面的相关报道较少,该研究为探究磁流体提供了新的方法;对外加磁场下的磁流体太赫兹特性的研究可在医学领域的广泛应用,为太赫兹技术在生物医学方面提供了新的途径,为磁流体的深入应用和研究提供了技术支持。

基于复合超材料的多种结构的太赫兹频率开关

超材料可以应用于调制器,能够吸收特定频率的太赫兹波。然而当超材料的结构参数一旦确定,就只能在特定的共振频率产生完美吸收。设计了三种复合超材料结构探究复合超材料的共振,这三种结构的超材料均以石英为衬底,在该基底上加工一层具有开口的金属谐振环。三种结构分别是单开口的金属谐振圆环,单开口的金属谐振方框和不对称双开口的金属谐振方框。在三种结构的开口中填入光敏材料氧化铟,改变氧化铟的电导率对这些复合超材料结构的太赫兹的调制特性进行了研究,同时对三种结构太赫兹频率开关的不同共振频率的电场分布进行了数值模拟。对于单开口不同形状的金属谐振环,共振频率不同,但都随着氧化铟电导率的增加,共振峰的吸收强度逐渐减小,从对应的电场分布图中可以看到,随着氧化铟电导率的增加,间隙边缘处的场强越来越弱,谐振峰吸收强度也就越来越弱,这个过程可以被认为是太赫兹波在共振频率的动态开关。对于不对称双开口的金属谐振方框,在偏离金属框中央处的开口填入氧化铟,这个结构可以看到两个谐振峰,随着电导率的增加,一个谐振峰吸收强度逐渐减弱,而另一个谐振峰吸收强度无明显变化,由此可得吸收强度随电导率增加而减弱的谐振峰为法诺共振,而另一个吸收强度一直无明显变化的谐振峰为偶极共振。从对应场分布图可以看到,法诺共振入射的太赫兹波的能量主要集中在金属谐振环的右侧金属臂上,而且随着电导率的增大,右侧金属臂的间隙处积累的电荷越来越多;而偶极共振入射的太赫兹波的能量主要集中在金属谐振环的左侧金属臂上,电导率增加,偶极共振的电场分布无明显变化。

几种屏蔽布在太赫兹光谱的实验研究

对灰色、砖红色、深浅迷彩色四种屏蔽布的屏蔽性进行了太赫兹光谱实验研究,得到了这几种屏蔽布的屏蔽效能曲线。实验表明,这几种屏蔽布对太赫兹辐射有很好的屏蔽效能,尤其是灰色屏蔽布的屏蔽效能较好,可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽。若将此类屏蔽布应用在太赫兹波段会有较好的屏蔽效果,会给相应的太赫兹辐射侦查探测带来很大的困难。

小孔径蝴蝶型光电导天线太赫兹辐射源的研究

研究了5种小孔径光电导天线的太赫兹发射特性,并且对它们所发射的太赫兹波进行了对比,为研制高效率的太赫兹波发射源提供了参考依据。利用太赫兹时域光谱技术测量了光电导天线发射的太赫兹(THz)脉冲,得到了时域发射光谱,并通过快速傅里叶变换得到相应的频域光谱。结果表明,太赫兹信号强度随偏置电压的增大而增强;随着泵浦激光功率的增大而增强并出现饱和现象。偏置电压与泵浦激光功率相同时,我们对比5种光电导天线产生的太赫兹信号,从中找到了一种发射效率较高的小孔径光电导天线,并且研究了电极形状、电极间距对光电导天线发射效率的影响。

结晶化合物的太赫兹光谱实验研究

对几种结晶化合物(石膏、蓝矾、绿矾、芒硝和明矾)的吸收性进行了实验研究,得到了这几种结晶化合物的折射率曲线和吸收曲线。实验表明,蓝矾、芒硝、明矾等结晶化合物对太赫兹辐射吸收很大,这为太赫兹波段吸波材料的研制方面提供了可能的依据。

液体产生太赫兹波的特性研究

最新的实验研究表明通过激光激发液体诱导等离子体可产生宽带太赫兹波,且液体作为太赫兹波辐射源具有独特的性质。液体具有与固体相当的物质密度,激光在一定区域内与分子的相互作用比气体多三个数量级;而与固体相比,液体的流动性使得每一个激光脉冲可与目标物液体靶的新区域相互作用。这些特性使得液体在高能量密度等离子体的研究中具有广阔的前景,甚至有可能成为下一代太赫兹波辐射源。本文全面综述了液体的流体状态和种类、激光入射位置和角度、脉冲持续时间以及脉冲能量等因素对产生太赫兹波的影响。

基于微流控芯片的钾盐溶液太赫兹光谱特性研究

许多生物分子的振动及转动能级都在太赫兹波段,因此太赫兹时域光谱技术可以用来探测生物分子。并且由于太赫兹波的光子能量较低,仅为毫电子伏量级,在探测过程中不会破坏生物样品,所以太赫兹时域光谱技术在未来生化检测等研究领域具有非常广泛的应用前景。研究表明,大多数生物分子需要在液体环境中才能充分发挥其生物活性,然而水溶液中的氢键在太赫兹波段会产生强烈的吸收。另外,水分子是极性分子,太赫兹波对极性分子也有很强的共振吸收,这使得利用太赫兹时域光谱技术检测液体环境中的活性生物分子非常困难。因此,许多研究团队将太赫兹时域光谱技术与微流控技术相结合,以减少各种因素对生物分子检测的影响。微流控技术是通过减小微流控芯片中液体池的深度来减少液体样品与太赫兹波的作用距离,从而减少水溶液对太赫兹波的吸收。使用对太赫兹波的透过率高达95%的环烯烃共聚物(COC:Zeonor 1420R)为材料制作了双层微流控芯片,该微流控芯片内部液体池的长度和宽度均为4 cm,深度为50μm。此外,由于在电解质溶液中存在大量自由移动的阴阳离子,所以为了探究电解质溶液中自由移动的阴阳离子对太赫兹透射特性的影响,使用外加电场装置对注入液体样品的微流控芯片施加电压。该外加电场装置包括电源,一个封装在有机玻璃盒中的ZVS电路和一个输出电压为10000 V的直流高压包。在此基础上研究了五种相同浓度的钾盐溶液以及这五种钾盐溶液在外加不同时间的恒定电场中的太赫兹波的透射特性,为进一步加强THz技术在生物化学中的应用提供了依据。再者,电解质溶液中的大量阴阳离子在外加电场的作用下会发生运动,这为利用太赫兹时域光谱技术研究电解质溶液的动态特性提供了技术支持。

α-乳糖一水合物太赫兹动力学研究

α-乳糖一水合物是一种重要的水合物,其结合水对乳糖分子结构的影响一直是相关领域的研究热点之一。利用太赫兹时域光谱技术通过设置温度梯度对α-乳糖一水合物进行低温下的太赫兹动力学研究,发现α-乳糖一水合物在1.2 THz、1.3 THz的2个吸收峰随温度变化而红移。为进一步探究其吸收峰的产生机理,基于密度泛函理论对α-乳糖一水合物分别进行了单分子和晶胞理论计算并分析了α-乳糖一水合物的吸收峰振动模式。结果表明,α-乳糖一水合物的吸收峰来源于水分子和乳糖分子间的相互作用以及乳糖分子骨架振动,晶胞计算比单分子计算对于太赫兹波段内振动模式的预测更加准确。

太赫兹光场数据采集与数字重聚焦实验研究

本文对太赫兹光场数据采集与数字重聚焦成像进行实验研究。太赫兹成像因其穿透性、无损性等优点,近年来备受国内外研究者关注。太赫兹波段的光场成像技术有望增强图像质量、改善应用效果。本文在分析光场成像基本原理、系统结构、重建方法的基础上,应用太赫兹焦平面阵列相机进行太赫兹光场数据采集和数字重聚焦实验。首先采集太赫兹光场原始数据,然后通过数字重聚焦进行计算成像,最后对重构图像做增强处理,得到了深度、角度及目标物轮廓分辨力强的太赫兹图像。实验证明了太赫兹光场成像技术的可行性及其改善图像质量、丰富复现效果的能力。

太赫兹片上系统中低温砷化镓薄膜光电导天线的研究（英文）

太赫兹时域光谱技术是一种在太赫兹频段内,广泛应用的光谱测量技术。这种技术可以用于许多物质的频谱分析,对于研究化学、半导体与生物分子等领域有着无可比拟的作用。然而用该系统进行样品探测时,受回波的影响频谱分辨率较低;受太赫兹波光斑大小以及待测样品与电磁波相互作用距离长短的影响,样品消耗量较多,并且整个系统的占用空间较大,这些局限性都限制了太赫兹时域光谱系统的进一步发展。为了突破太赫兹时域光谱系统的局限性,设计了一种将太赫兹泵浦区、探测区和传输波导集成到一个硅片上的太赫兹片上系统,该系统不仅能够解决上述系统的局限性,还能够省去样品测量前的光路准直环节,使样品的测量过程更加简便,同时集成化的系统也很大程度上提高了太赫兹波传输的稳定性。在太赫兹片上系统中,泵浦区和探测区的光电导天线是由低温砷化镓和金属电极制成,由于受到太赫兹片上系统的高度集成化和低温砷化镓晶体生长条件的限制,如何制备出低温砷化镓半导体薄膜衬底,并将其转移与键合,是太赫兹片上系统研制过程中的关键环节。首先利用分子束外延(MBE)技术制备出由半绝缘砷化镓、砷化镓缓冲层、砷化铝牺牲层和低温砷化镓层构成的外延片,然后利用盐酸溶液与砷化铝和低温砷化镓反应速度差别较大的原理,将200nm厚的AlAs牺牲层腐蚀掉,从而得到2μm厚的低温砷化镓薄膜。为了更加高效并且完整地得到低温砷化镓薄膜,研究了盐酸溶液在不同温度和不同浓度下与AlAs牺牲层的选择性腐蚀速率的关系。给出了低温砷化镓薄膜制备过程中盐酸的最佳体积比浓度和最佳温度,即在73℃下13.57%的盐酸溶液中进行砷化铝牺牲层的腐蚀。相比于已有工艺,这种腐蚀方法对实验设备的要求较低并且具有较高的安全性。最后,将单层低温砷化镓薄膜转移键合至硅片上,并制成光电导天线的结构。利用飞秒激光脉冲进行激发探测到太赫兹信号。由此说明,低温砷化镓薄膜的获取、转移与键合工艺能够满足芯片级太赫兹系统的制作要求,这为太赫兹片上系统的进一步研制打下了坚实的基础。

基于对抗生成网络的太赫兹安检图像分割算法

为解决太赫兹成像分辨力低,危险品边缘模糊,无法有效对危险品进行分割的问题,提出一种基于对抗式生成网络与多头注意力机制的新型网络架构,并用于太赫兹安检图像智能分割。通过学习深层鉴别器的特征图优化生成器,获得更加真实的生成图像;引入多头注意力机制提升模型对危险品特征的识别能力。分割太赫兹安检图像的大量实验结果表明,相较于传统卷积神经网络,提出的对抗生成网络在相同深度下具有更好的泛化能力;多头注意力机制的引入强化了模型对危险品特征的学习,在未知危险品类别的情况下同样拥有较好的效果,其交并比(IOU)指标相较ResNet-50提高9.6%,相较ResNet-18提高21.3%,相较U-Net提高12.3%。本文研究有利于图像分割算法更准确、高效地处理太赫兹安检图像,有助于拓宽太赫兹智能安检系统的进一步应用。

高Q值太赫兹传感器的设计与性能仿真分析

本文设计了一种非对称金属十字单元结构,该结构由沉积于石英基底上的两个相互垂直共面金条构成。传统的金属十字结构中常用的LC谐振和偶极子谐振的辐射损耗较大,限制了超表面传感器实现高品质因子和高透射率,故通过打破传统金属十字结构的对称性,引入类Fano共振效应,从而使得透射峰灵敏度达到了218 GHz/RIU,传感器的品质因子达到了78.3。通过分析该超表面的电场和表面电流分布,探究了Fano共振效应的物理机制,并进一步研究太赫兹传感器的结构参数对透过谱的影响,通过调整结构参数优化该传感器的传感性能。最后,设计了具有不同共振频率的非对称金属十字太赫兹传感器以便后续用于不同种类的微量氨基酸溶液的检测。

基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述

随着高性能复合材料在航空航天和军事等高新领域的广泛应用,对其质量和性能检查的要求愈加引起重视,如何通过各种方法对复合材料进行无损检测成为近年来研究人员关注的热点和研究方向。太赫兹波量子能量低,对大多数非极性物质透明,因此使用太赫兹技术对复合材料进行无损检测有着独特的应用优势。本文基于太赫兹技术的特点,对太赫兹时域光谱和太赫兹成像技术的无损检测分别进行了详细的论述,并总结了目前复合材料的太赫兹无损检测技术发展趋势,最后对其发展前景进行了展望。

太赫兹光场成像的实验与处理研究

太赫兹波的频率介于红外线与微波之间,其独特优势使得太赫兹三维成像已成为国内外的研究热点。为了将光场成像技术拓展到太赫兹波段,介绍了太赫兹光场成像的实验与处理方法。采用太赫兹相机阵列采集到了一系列特定视角的太赫兹光场数据。针对由成像系统的器件限制导致图像存在较强噪点等问题,通过离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)滤波达到了较好的去噪效果并有效保留了图像的细节信息。利用峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)和结构相似性(Structural SIMilarity,SSIM)图像质量评价指标对比了多种滤波去噪方法,证明了DCT滤波方法对于太赫兹图像预处理的可行性。通过选取不同深度值得到了不同景深处的图像重构结果,初步实现了太赫兹光场成像的数字重聚焦。

太赫兹光场成像的深度估计方法与实验研究

在前期工作中,通过对太赫兹光场图像进行离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)滤波和数字重聚焦,初步实现了图像去噪和前后景分割。为了进一步得到质量更高的太赫兹光场原数据并达到更加精确的深度分割效果,改进了实验方案及处理方法,并提出了一种基于极平面图像(Epipolar Plane Image,EPI)的太赫兹光场深度估计方法。在太赫兹图像特性的基础上,给出了深度与视差的关系,并利用局部视差和置信度构建了全局深度图,从而达到了深度估计的目的。最后,在实验中通过10×10的相机阵列采集太赫兹光场数据,得到了准确聚焦于不同平面的重聚焦结果和高分辨度的深度估计图,实现了太赫兹光场成像的深度估计。

太赫兹波谱与成像技术

太赫兹波谱与成像是太赫兹科学与技术的重要内容,在生物、物理、化学、安检、航空航天等领域有重要的应用前景,是近年来的研究热点。首先简单介绍了太赫兹时域光谱、时间分辨光谱和超连续谱等波谱技术,并列举了相关波谱技术对爆炸物识别和对半导体材料超快载流子动力学的研究结果。讨论了时域扫描成像、实时焦平面成像、连续波成像和被动成像等太赫兹成像技术。相应地分别给出了利用上述技术对葵花籽、玩具手枪、航天泡沫和人体的成像研究结果。

反射式太赫兹返波振荡器成像系统及其应用

实现了基于返波管源的太赫兹波反射式成像系统.这是一种新型的无损探伤成像方式.从样品表面或者基底反射回来的太赫兹波被焦热电探测器收集,最后经过计算机处理成像.频率为0.7THz的成像系统被用来对一系列样品进行无损检测,如硬币、徽章、模型飞机以及预埋了人工缺陷的工业样品.结果表明,很多工业材料相对于太赫兹波都是透明的,尤其是一些在航空航天技术中具有广泛应用价值的吸收微波的材料.

利用太赫兹反射式时域光谱系统测量有机溶剂的光学参数

采用太赫兹反射式时域光谱系统,测量了包括正己烷、液状石蜡、无水酒精和水在内的四种有机溶剂的反射式时域光谱,并根据实验模型设计了两种计算方法提取液体样品的光学参数。此外,还将反射算法得到的样品光学参数与透射算法的结果进行比较,验证了反射式系统对应算法结果的正确性,解决了透射系统无法准确测量和提取对太赫兹吸收很强的样品的光学参数的难题。

甲硝唑、替硝唑和奥硝唑药品的远红外与太赫兹吸收光谱研究

甲硝唑、替硝唑和奥硝唑为5′-硝基咪唑类化合物,常用于抗厌氧菌和抗滴虫治疗。运用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术在室温环境中测量了三种药品在0.9～19.5THz波段的光谱特性,得到其指纹谱。另外,通过探测替硝唑参照品和不同厂家、不同批次替硝唑药片在太赫兹波段的光谱信息,结合相关系数法、阵列相关系数法等信息处理技术对光谱信号进行数据挖掘;最终建立了一种能够快速、有效、系统地鉴定替硝唑片活性成分和稳定性的分析方法。研究结果为此类药品生产和销售质量的规范化和现代化提供了可视化途径。