太赫兹技术用于关节软骨检测的研究进展

骨关节炎是主要由软骨组织损伤与退化引起的常见关节疾病,是影响人类健康的重大疾病之一,对于关节软骨组织早期病变的检测可以大大提高疾病的治愈率,然而相关的临床诊断技术尚未发现。近年来,太赫兹技术在医学领域日益受到关注。与传统方法相比,太赫兹辐射能量低,不会产生电离辐射,可高灵敏、无损伤地对生物组织进行成像检测,因此在关节软骨诊断方面具有较大的应用潜力。本文简要介绍了关节软骨的生理与病理情况以及目前关节软骨检测的主要方法,重点总结了太赫兹技术应用于关节软骨检测方面的相关研究工作,分别包括对动物与人类关节软骨的检测,探讨了太赫兹技术在关节软骨检测中所面临的挑战与未来研究展望。

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy,THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。

太赫兹二维成像技术研究进展

太赫兹成像技术在人体安检、无损探伤、质量监控、生物医学、半导体特性表征等许多领域展现出广泛的应用前景。本文综述了各类太赫兹二维成像技术,包括太赫兹扫描成像、太赫兹单像素成像、电光调制太赫兹成像、太赫兹相机直接成像等技术,综述各类成像技术的研究背景,分析了具体的成像方法和成像结果,总结了不同太赫兹成像技术的优缺点并对今后太赫兹成像技术的发展趋势做出展望。

太赫兹快速成像技术研究进展

太赫兹(terahertz, THz)成像技术有广泛的应用前景,但受现有太赫兹辐射源限制,传统太赫兹成像技术采用点扫描探测方式,导致图像采集时间过长,限制了该技术的进一步发展和应用。为了提高太赫兹成像速度,近几年提出了许多技术方案。简要介绍了传统的点扫描太赫兹成像技术,分析了影响太赫兹成像速度的原因,综述了包括快速扫描成像、太赫兹单像素成像、太赫兹波电光调制二维成像、二维太赫兹波探测器阵列(太赫兹相机)直接成像等太赫兹成像技术及其优缺点。

环氧树脂胶的太赫兹光谱特性研究

环氧树脂是纤维增强复合材料加工中的一种重要的胶粘剂,太赫兹时域光谱技术已成为纤维增强复合材料无损检测的有力补充手段。固化温度是环氧树脂的重要参数之一,不同的固化温度会影响环氧树脂胶的性能,因此采用太赫兹时域光谱技术分别对室温和高温下固化的环氧树脂胶的太赫兹透射光谱特性进行了系统研究,计算得到了不同温度下固化的环氧树脂胶的折射率和吸收系数,并进行了对比分析。研究表明,由于室温下固化的环氧树脂样本基本没有气泡,而高温下固化的样本存在微量气泡,气泡的存在降低了样品的密度,因此室温下固化的环氧树脂胶样品的折射率和吸收系数均大于高温下固化的样品。在同种固化条件下制备的不同样品间折射率差别较小,同时,室温下固化不同样品间的吸收系数差别亦较小,但高温下固化样品间的吸收系数在0.6～1.5THz差别逐渐变大,这主要是因为高温下制备的不同样本间的气泡分布不均匀,即密度分布存在差异。室温和高温下固化样品的吸收系数在整体上均随着频率的增加而增加,并且没有明显的吸收峰。此外,由于法布里-珀罗干涉效应的存在,导致有些厚环氧树脂样本的能量透过率在共振峰处要远大于薄样本。该研究对纤维增强复合材料的太赫兹无损检测具有重要的研究意义。

PMI泡沫复合材料的太赫兹谱特性实验研究

聚甲基丙烯酰亚胺(polymethacrylimide,PMI)泡沫复合材料具有众多优良特性,被广泛应用于航天航空、军工、船舶、汽车及高速列车等各个领域。而作为新型的夹层结构材料,其太赫兹(Terahertz,THz)波段的性能检测尚未见报道。基于THz时域光谱分析方法,对国内外两种型号的PMI泡沫复合材料在太赫兹波段透射及反射的实验获得的时域波形、功率密度谱进行了分析比较,基于MATALB编程、Origin8.0数据处理,应用时域、频域方法计算分析了不同厚度的德固赛(型号:Rohacell WF71)、美沃科技发展有限公司生产的(型号:SP1D80-P-30)PMI泡沫复合材料的透射率(传输函数)、吸收率、反射率以及折射率等光学参数。研究结果表明:通过对比空气、氮气中的不同测量结果,解释了湿度对测量结果的影响。PMI泡沫复合材料的折射率为1.05左右,功率谱的衰减是由于测试平台本身信号较弱、样品较厚且PMI泡沫的内部微结构的散射,造成THz波在>0.6THz波段表现出明显的衰减。该结论为THz波段在PMI泡沫复合材料方面的应用提供了理论依据,同时也为太赫兹无损探伤(non-destructive testing,NDT)技术在PMI泡沫复合材料方面的应用做了一个良好的铺垫。

探测光波长对太赫兹波电光取样探测技术的影响(英文)

由于太赫兹波电光取样探测技术中电光晶体存在的色散关系,探测光的波长会直接影响到电光取样的探测带宽和效率.由于该色散关系的存在,不同的电光晶体在电光取样中响应函数不同.本文研究了两种典型的电光晶体-碲化锌和磷化镓晶体的响应函数,发现在选取的四种探测激光波长内(600 nm、800 nm、1200 nm、1600 nm),800 nm的探测激光更合适碲化锌晶体,1200 nm的激光更合适磷化镓晶体.对于不同厚度的晶体,存在一个最优化的探测激光波长,使得该晶体的电光响应函数有最宽的带宽.

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。

基于光诱导二氧化钒薄膜相变的太赫兹波调制材料研究

太赫兹技术在许多领域有非常广泛的应用前景,但高灵敏度的太赫兹探测和调制器件的缺乏限制了其应用范围,尤其是具备超快响应特性的太赫兹波调制器件更为缺乏。文中通过仿真模拟对基于二氧化钒(VO2)薄膜和超材料相结合的光激发快速主动式太赫兹波调制材料进行研究,发现通过改变二氧化钒薄膜厚度可以优化调制深度,改变材料周期结构参数可以改变太赫兹调制频率。这些结果为快速主动式太赫兹波调制器件的设计提供了思路。

太赫兹波生物效应

太赫兹波能被生物组织中的水强烈吸收,能与生物组织中生物大分子和这些分子间的弱相互作用产生共振,因而太赫兹波在生物医学中有许多潜在的应用.尽管单个太赫兹光子能量很低,对生物组织没有电离损伤作用,但是随着强度增大,太赫兹波会对生物细胞和组织产生一系列生物效应.由于太赫兹波参数和受辐照生物材料等辐照条件不同,将导致不同的生物学效应,包括以热效应为主和以非热效应为主导致的生物学效应.本文讨论了这两种效应的物理机理,介绍了适合用于生物效应研究的现今主要的强太赫兹辐射源种类,综述了典型的太赫兹波的生物效应具体表现和已有的研究进展,展望了太赫兹波生物效应的潜在应用以及面临的挑战.

纤维增强复合材料太赫兹成像无损检测

利用太赫兹时域光谱成像技术检测了内含缺陷的玻璃纤维与碳纤维增强复合材料,获得了材料内部缺陷的太赫兹透射图像,从而实现对复合材料样本的无损检测。实验结果表明,太赫兹透射成像技术可检测出多层玻璃纤维复合材料的层间缺陷。但该技术对于碳纤维复合材料中缺陷的检测能力有限,主要是因为碳纤维具有导电特性,导致太赫兹信号对其穿透能力有限。通过对成像模式的调节,太赫兹无损检测技术可对碳纤维材料内部深度约为0.2 mm、宽度为10 mm的缺陷进行成像检测。这为发展准确、灵敏、高效的纤维增强复合材料太赫兹无损检测技术提供了基础实验数据。

小波图像融合在太赫兹无损检测中的应用

玻璃纤维增强复合材料被广泛应用于航天、航空及其他军民各领域,它在制备和使用过程中通常会出现多个缺陷。太赫兹时域光谱成像技术有望成为玻璃纤维增强复合材料无损检测的有力补充手段。在太赫兹时域光谱成像过程中,可以选取时域或频域波形中的不同参数来进行成像。对于不同的缺陷,能够有效地对其进行检测的参数是不一样的。采用基于小波分解的图像融合方法将多幅不同参数获取的太赫兹反射图像结合起来,得到一幅包含所有缺陷信息的新图像。研究表明,基于小波分解的图像融合方法在太赫兹无损检测中的应用,能够获取单一参数成像无法检测的缺陷信息,为复合材料太赫兹图像后期处理提供了新的技术方法。

退化性椎间盘疾病诊断与治疗技术的研究进展

退化性椎间盘疾病(Degenerative Disc Disease,DDD)是严重影响人们正常生活的重大疾病之一。随着人类现代生活方式的改变,其已呈现了发病率逐年递增与发病人群年轻化的趋势。因此,针对该疾病的诊断与治疗技术亟需不断提高与完善。本文简单介绍了人体椎间盘的解刨学基础与其组织中的生化成分和功能,着重分析了针对该疾病的各种医学诊断技术,包括传统的分级评价系统以及各种定量化磁共振成像技术,重点介绍比较了现今临床上两种主要的手术治疗方法——脊柱融合术与全椎间盘置换术,并最终在总结诊断与治疗方法研究中所存在问题的基础上,对未来研究的发展趋势提出展望。

基于混合微腔的高效率太赫兹波产生

提出并研究基于回音壁共振模和表面等离子激元共振模的混合微腔太赫兹产生系统,运用有限元方法模拟实现了室温下11. 7 THz的太赫兹波产生,所获得的太赫兹波模体积小,超过衍射极限,亚波长局域使得Purcell因子达到7. 2×10~3(砷化镓中太赫兹波长的负三次方).研究表明,该结构的太赫兹波转化效率可达到量子极限(～5. 5%),太赫兹波的最高输出功率可达166. 3 m W.该系统可在室温下工作,转化效率接近量子极限,太赫兹输出功率较高,且易于光学集成.

硫酸软骨素掺假鉴定的太赫兹和红外光谱对比

研究太赫兹时域光谱(Terahertz Time-domain Spectroscopy,THz-TDS)技术和红外光谱技术用于硫酸软骨素掺假鉴定的可行性.将六偏磷酸钠混入鲨鱼硫酸软骨素中的样品作为掺假研究对象,利用上述两种技术对样品进行对比研究.研究发现,THz光谱和红外光谱谱图中六偏磷酸钠标样、鲨鱼硫酸软骨素标样与掺假(混合)样品谱线均表现出较明显的差异,可用于鉴别鲨鱼硫酸软骨素的六偏磷酸钠掺假.实验结果表明,此两种技术能够鉴别的六偏磷酸钠:鲨鱼硫酸软骨素最低质量比分别为1:15和1:1,THz-TDS表现出较为灵敏的检测性能;综合考虑,THz-TDS技术可以比较好的用于鲨鱼硫酸软骨素的六偏磷酸钠掺假检测.本工作为发展一种基于THz-TDS技术的准确、快速和无损鉴别鲨鱼硫酸软骨素掺假的新型光谱技术奠定了前期实验基础.

基于光子晶体光纤四波混频效应的波长转换研究

研究了光子晶体光纤中的四波混频效应及其波长转换.采用长度为25m的高非线性色散平坦光子晶体光纤,当泵浦功率为19.8dBm时,得到100nm的转换带宽和-20dB的最大转换效率.实验结果表明,当信号功率低于四波混频阈值时,两路不同波长的信号同时输入产生的四波混频效应互不影响.

大气湍流对盖革光子探测测距精度影响的研究

回波光子到达时间的随机性限制了盖革光子测距系统的测距精度,大气湍流加剧了这种随机性,降低系统测距精度。根据回波光子探测的调制泊松概率模型,分析了距离门内各探测时隙的概率分布,利用回波光子可识别区域内探测时隙的归一化概率,建立了存在大气湍流影响时测距精度的理论模型,研究了大气湍流对测距精度的影响。理论分析结果表明,大气湍流降低系统探测概率和测距精度,当回波强度为1,湍流参数为2.5时,与无大气湍流影响情况相比,系统距离精度和准确度下降达4.2 cm和14 cm,且湍流越强,目标探测概率越低,虚警率越高,距离精度和准确度越低。

等离子体填充金属光子晶体Cherenkov辐射源模拟研究

等离子体填充能够明显提高真空电子器件的效率和功率,研究等离子体填充器件具有重要的科学价值.本文基于对等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性的分析,利用粒子模拟方法展示了等离子体填充慢波结构中的注波互作用过程.重点研究了慢波结构中场分布特性、等离子体密度和外部工作条件对频率及输出功率的影响.研究发现,填充一定密度等离子体后,慢波结构内纵向和横向电场强度明显增大,注波互作用增强,输出频率受等离子体影响不大.金属光子晶体结构具有的频率选择特性使器件工作于TM01模态.阴极电压增加使输出功率增大,频率略有增加.引导磁场增加使输出功率先增大后减小,而频率基本不受影响.等离子体填充后器件的输出功率上升,当增加压强至100 m Torr(1 m Torr=0.133 Pa)时,输出功率提高约20%,但只有适当密度下才有较好的角向场分布.通过理论与模拟相结合,发现填充一定密度的等离子体能够提高器件输出功率和效率,为发展新型高功率毫米波振荡辐射源奠定了理论和仿真基础.

等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性研究

等离子体填充慢波器件为高效率、高功率真空电子微波源的发展提供了新的途径,但其仿真和理论都具有一定的难度.本文将通过轮辐天线加载激励信号的方法引入到等离子体填充金属光子晶体慢波结构(SWS)的色散特性仿真分析中,研究了慢波结构参数和等离子体密度对等离子体填充慢波结构色散特性的影响.结果表明,无等离子体填充时,通过轮辐天线加载激励信号方式得到的色散特性与其他方法差别不大;与已有结果对比表明,该方法适用于等离子体填充慢波结构的分析.为了减小轮辐天线对腔体谐振频率的影响,需要适当减薄轮辐天线的厚度,并尽可能缩短其与反射面之间的距离.天线的厚度越大越能激励慢波场,越小谐振模式越容易被激励;慢波结构周期膜片外半径和厚度对色散特性影响不大,周期长度和膜片内半径对色散特性影响较大;频率和相速色散曲线随等离子体密度上升而整体向高频区移动;等离子体填充对低频模点的影响要大于对高频模点的影响;对于慢波器件,需要选择高频模点工作模式,以减少腔的尺寸并降低电子注的初速度.

陶瓷基复合材料的太赫兹无损检测方法

提出了一种时频域多模式新光谱成像方法,对内含缺陷的4种陶瓷基复合材料(CMC)样本实现了无损检测,形成了检测样本的太赫兹图像库,并引入5个图像质量的客观综合评价指标,通过指标融合处理选出了质量较佳的太赫兹图像。基于尺度不变特征变换与K均值聚类实现了该图像的检索。实验结果证实,该方法可有效地对CMC不同位置处的不同宽度缺陷进行成像检测。