太赫兹科学技术研究的新进展

近年来,太赫兹科学与技术研究得到了巨大的发展,除了传统的太赫兹辐射源、太赫兹探测、太赫兹光谱与太赫兹成像研究以外,太赫兹遥感、太赫兹雷达、太赫兹通信、太赫兹计量、太赫兹无损检测以及太赫兹技术在材料表征、环境监测、石油化工、航空航天、生物医学、军事国防、国家安全等方面的应用都得到了全面的发展。本文在回顾二十多年来太赫兹科学技术研究所取得的一些主要成果的基础上,重点介绍近年来太赫兹科学技术研究的新进展,对太赫兹技术本身的发展及其应用趋势进行展望。     

太赫兹光谱技术的应用进展

近年来太赫兹（THz）技术快速发展,在安全检测、航空航天、生命科学、化学等领域应用日趋广泛。由于许多炸药及其相关材料在THz波段具有特征吸收,许多非金属、非极性材料对THz波是透明的,且太赫兹波具有低能性,THz光谱技术在安检中具有巨大的应用潜力。本文介绍了太赫兹波的特性和国内外在太赫兹领域的研究进展,详细介绍了太赫兹波在爆炸物、毒品和包装材料检测中的应用,并讨论了在应用中存在的困难和面临的挑战。     

太赫兹科学技术在生物医学中的应用研究

介绍了近十年来国内外太赫兹科学技术在生物医学领域的研究与应用进展.重点总结了太赫兹辐射的生物效应、太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术,在生物医学领域的研究与应用的3个大类的成果.有关太赫兹辐射的生物效应,分不同频率、不同功率和不同辐射时间下样品的生物学反应来介绍.又根据探测样品属性不同分为生物体、生物组织、生物细胞、生物细胞器和生物大分子等6个层次的内容.充分论证了太赫兹科学技术对生物医学的安全性和适用性.由于太赫兹光谱包含丰富的生物分子及分子间的组成信息和构象信息,在生物医学领域的研究与应用最多.对不同生物大分子的太赫兹特征频谱进行了解读,对太赫兹光谱技术的应用进行了梳理,目的为让更多的人了解太赫兹科学技术的优越性和应用前景.在太赫兹渡成像技术方面,总结了其在癌变组织诊断、皮肤烧伤探测等方面的研究应用.为使迷人的太赫兹波科学与技术更好的服务于人类,尝试较为全面地对太赫兹科学技术在生物医学领域取得的研究成果进行归纳与总结,同时也探讨了现阶段在生物医学领域所存在的不足,以及今后努力的方向.     

太赫兹波技术在药学上的应用研究

太赫兹(THz)辐射是一种新型的远红外相干辐射源,太赫兹时域光谱技术是利用太赫兹脉冲研究物质物理化学性质的一种新兴光谱技术,具有很多独特的性质。由于很多极性生物大分子的振动和旋转能级都处于在太赫兹波段内,因此利用太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术研究药品的结构,分析药品的成分,对控制药品的质量稳定性具有重要的意义。综述了近些年来太赫兹技术在药品领域上的应用成果,探讨了存在的问题,并对发展前景进行了展望。     

碳纤维复合材料不同深度缺陷的太赫兹检测研究

太赫兹(THz)无损检测技术具有非破坏性、非电离和非接触的优点,在航空航天领域纤维增强复合材料无损检测中得到了较快的发展和应用。在碳纤维复合材料层合板的4个不同深度(0.225、0.450、0.675、0.900 mm)插入聚四氟乙烯作为人工缺陷,采用太赫兹时域光谱和成像系统对其进行成像和光谱分析,探讨太赫兹波辐射下缺陷的成像效果和光谱特性。研究结果发现,在0.25~2.0 THz频率范围内,太赫兹反射成像可以成功检测出碳纤维复合材料中不同深度缺陷:随着缺陷深度的增加,太赫兹频域成像信号和光谱信号随缺陷深度线性增大,吸收系数成像信号和光谱信号随缺陷深度线性减小;随着频率的增加,缺陷的功率谱密度先增大后减小,吸收系数缓慢增大。该结果可以为碳纤维复合材料缺陷深度的可视化和定量化分析提供参考依据。     

太赫兹可控功能器件的研究进展

近年来太赫兹(THz)科学与技术的研究成为光学领域的研究热点,其在医学、通信和公共安全等领域具有深远的研究价值和重要的应用前景。但是THz波段功能器件尤其是可控功能器件匮乏,限制了太赫兹技术的进一步应用。表面等离激元光子学和奇异介质的出现有望改变这一局面,它能够在亚波长尺度对电磁波进行路由和操纵,有望成为下一代芯片技术的候选方案。首先介绍了基于表面等离体和奇异介质的可控太赫兹功能器件的物理机制,然后从电、磁、热、光四种主动控制手段来分别展示近年来太赫兹波段功能器件的研究进展,并从功能应用上对太赫兹功能器件进行了简单的分类总结,最后讨论了在应用中存在的问题和面临的挑战。     

太赫兹波技术在电网设备绝缘材料检测中的应用

太赫兹波在绝缘介质中具有良好的穿透性、直线性、抗干扰性,且对人体无害,随着太赫兹波发射和探测技术的成熟,在材料无损检测、光谱分析、航空、医学等领域开始广泛应用。文中阐述了太赫兹波的产生、探测原理,以及太赫兹透射波、反射波在绝缘介质检测中的探测方式;分析了基于时域、频域信号的特征参量对被测物体进行太赫兹成像的原理;最后,综合阐述了太赫兹波在电网设备绝缘材料检测中的应用场景和技术可行性。     

太赫兹技术在电气设备绝缘缺陷检测研究综述

太赫兹波在绝缘介质材料传播中不仅具有衰减小,准直性强,穿透性好等优点,而且在成像可视化方面具有较高的分辨率,深受电气设备绝缘缺陷检测领域学者的喜爱。首先概述了太赫兹波的产生和探测技术,介绍了太赫兹时域光谱技术和基于时域、频域信号的特征参量对绝缘缺陷成像的原理,给出了电气设备绝缘缺陷应用太赫兹波检测的典型案例,探讨了目前存在的探测方式选取、缺陷类型识别、在线监测可行性的相关问题,最后对太赫兹技术在电气设备绝缘缺陷检测领域的前景进行了展望。     

基于USB的主动太赫兹成像电路设计

简要介绍了一套针对双波段主动太赫兹无损检测系统研制的基于USB通信的电路系统.该电路系统可通过控制二维扫描机构实现太赫兹无损检测系统的二维扫描,利用双波段太赫兹探测器接收经目标反射的由双波段太赫兹源辐射的太赫兹信号,并对该信号利用过采样方式实现数据采集,通过USB实现数据的上位机传输,并最终利用频域滤波和小波变换等图像处理技术实现主动太赫兹成像.成像结果表明,电路系统符合实际需求,双波段太赫兹无损检测系统可实现分辨率3 mm的无损检测,能很好地满足泡沫等非极性材料的无损检测的应用需求.     

基于调频连续波的太赫兹透视测距技术

由于太赫兹波能够穿透非金属、非极性材料,太赫兹技术能够弥补激光技术的不足,实现对目标内部的透视测距。研究分析提出基于线性调频连续波的太赫兹透视测距技术,实现了多种材料的厚度以及多层介质材料的介电常数的非接触式测量,进一步拓展了太赫兹线性调频连续波的应用范围,为材料介电常数测量提供了新途径。以3种常见的材料作为检测目标,利用0.11～0.17 THz、0.17～0.22 THz、0.22～0.33 THz、0.33～0.50 THz 4个频段的太赫兹线性调频连续波实验验证方法的有效性,并证明厚度测量和介电常数测量的精度随信号带宽的增加而提高,误差最小均可达到1%以下。此外,以雷达天线罩陶瓷材料作为检测目标,应用太赫兹透视测距的原理,结合二维扫描架获取样品的全部信息,实现了对内部缺陷的透视成像与定位。     

“云智慧仪器”结合“互联网+”和“工业4.0”、CPS的发展趋势，是面向“中国制造2025”的典型代表

本文讨论了“互联网+”、“工业4.0”、CPS、“中国制造2025”和“云智慧科技”的情况,介绍了中国DASP云 智慧仪器的构架和应用实例。并利用INV3062C云智慧仪器进行对比测试,得到了超过十进制12位的测试精度,特别是在 超低频方面有所突破,达到小数点后9位的精度,值得应用推广。     

High-Power THz Generation, THz Nonlinear Optics, and THz Nonlinear Spectroscopy

It is now possible to generate terahertz (THz) pulses with sufficient energy and field amplitude to enable versatile applications in THz nonlinear optics and spectroscopy. In addition, THz waveform shaping at high intensities promises wide ranging new capabilities in THz coherent control. We review recent progress in generation of high-power THz phonon-polariton waves in lithium niobate that can be coupled into free space THz radiation. A ldquopolaritonicsrdquo toolset for control and processing of the THz waves is also reviewed briefly. Recent demonstrations of THz nonlinear optics and spectroscopy are then presented.     

Terahertz Active Metamaterials Based on Stacked Closed‐Ring Resonator Arrays

Metamaterials, which can show novel optical functionalities beyond conventional optics, have been actively studied in recent years. As one of approaches to add tunability on resonant characteristics of metamaterials, slightly shifting relative position of stacked metamaterials or metasurfaces has been reported. In this study, based on numerical simulation we have designed stacked closed‐ring resonator (CRR) arrays that show relatively large spectral shift with a small lateral shift of the stacked layers in terahertz (THz) range. We also show that changing dielectric constant of the dielectric media between CRR arrays is also effective to obtain large spectral shift of the resonant responses. Our findings may be utilized to develop novel type of THz active devices and also sensing devices.