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太赫兹多光谱成像技术的初步研究

梁卫华  
【摘要】: 太赫兹(THz)辐射能为科学研究和技术应用带来新机遇,太赫兹辐射本身所具有的巨大研究价值,使得太赫兹辐射的研究越来越受到各方面的重视。十几年来超快激光技术的迅速发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使太赫兹辐射的机理研究、检测技术和应用技术研究得到了蓬勃发展。物质的太赫兹光谱(包括发射光谱、反射光谱和透射光谱)含有丰富的物理和化学信息,研究材料在这一波段的光谱对于探索其物质结构具有重大意义。太赫兹辐射在很多方面可以成为红外光谱和X射线的互补技术,这使得它以后能涉足更多更重要的应用领域。 THz波的横模分布在THz波传播的研究中非常重要,特别是在测量物质的THz谱和对THz成像位置附近的横向分布情况的研究方面,具有重要的科学意义和实际应用价值。太赫兹光束焦点位置十分特殊,它的相对能量密度大,可分辨率高,信噪比高,不但是进行光谱实验时样品放置的位置,而且是进行太赫兹脉冲逐点扫描成像时成像物体放置的位置。因此,对这个位置处太赫兹波传播特性的研究很有意义。 由于THz辐射无法用肉眼直接观察到,并且目前还没有只对THz波段感光的胶片,所以无法直接得到THz波横模分布的具体图像。本论文研究了太赫兹光谱系统中位于两离轴抛物面镜中间焦点附近的太赫兹光束传播的波谱特性,并对该位置处的样品进行了成像研究,具体工作及相关结论如下: (1)把宽度接近于太赫兹脉冲中心波长的狭缝作为研究对象,对太赫兹脉冲光束焦点位置处的横向分布进行研究。分析表明,不同频率的太赫兹光束大小是不同的,随着频率的增加,太赫兹光束宽度减小;同一频率下,缝宽越窄,太赫兹光束宽度越大,即表现出明显的衍射效应。 (2)把宽度接近于太赫兹脉冲中心波长的狭缝作为研究对象,对太赫兹光束焦点位置处的频率成分空间分布进行研究。依据对实验数据的分析,我们发现,在太赫兹光束焦点的横截面上,随着距太赫兹光束中心位置的距离增加,低频分量相对于高频分量的比例变大,太赫兹频谱的峰值向长波方向移动,即出现红移现象。 (3)把方孔作为太赫兹脉冲扫描成像的研究对象,在太赫兹脉冲扫描成像系统中,对方孔逐点扫描成像,我们扫描了尽量多的点以增加图像的信息量;增加每个扫描点的扫描长度,保证了对应不同频率点图像的平滑度。利用太赫兹脉冲的宽带特性,使用太赫兹多光谱成像技术,得出了每个频率点对应的方孔图像,并且动态的显示出来,从而,可以形象地观察到不同频率的单色光对方孔衍射影响的变化规律。同时,确定一个大小和实际方孔尺寸一样的图像,记下该图像的频率,以后我们就可以用这个频率的图像来确定未知方孔的大小了。 (4)把含有不同样品的卡片作为研究对象,在太赫兹脉冲扫描成像系统中,对指定的区域进行逐点扫描成像,利用太赫兹多光谱成像技术,使用太赫兹多光谱样品识别方法,提取不同频率点所对应的图像。图像中颜色的深度不同,反映出不同样品在该频率处的吸收不同,随着频率增加,样品图像不断改变,根据建立的样品指纹谱数据库,比较不同的图像信息,就可以方便地识别出样品来。 通过对太赫兹光束波谱特性和多光谱成像的研究,我们得到了太赫兹光束横向分布以及频率成分空间分布的规律,看到了不同频率的单色光对样品的衍射影响情况,并获取了识别样品的一种方法。这些结果对太赫兹光谱实验中样品位置和逐点成像中成像物体的位置确定具有重要的参考价值,并为进一步研究太赫兹多光谱成像奠定了基础。


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