【摘要】：由于較高的生物安全性,太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。尤其是太赫茲成像技術(shù),為腫瘤等疾病的無標(biāo)記診斷提供了一種全新的方法。目前,傳統(tǒng)遠(yuǎn)場太赫茲成像技術(shù)存在空間分辨率較差的問題,嚴(yán)重限制了太赫茲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的深入應(yīng)用,發(fā)展太赫茲近場成像技術(shù)有助于解決這一技術(shù)難題。本課題基于光電導(dǎo)天線直接探測太赫茲近場的原理,在遠(yuǎn)場太赫茲時域光譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,利用太赫茲近場探針代替原太赫茲遠(yuǎn)場探測天線,實(shí)現(xiàn)了太赫茲時域近場成像系統(tǒng)的研制,成功搭建了透射式和反射式兩套近場太赫茲系統(tǒng),創(chuàng)新性地開展了基于太赫茲近場技術(shù)的生物樣品探測工作。本文的主要內(nèi)容包括太赫茲近場探測相關(guān)原理、光路設(shè)計(jì)、信號采集與提取、系統(tǒng)控制及人機(jī)界面編寫、生物樣品的制備、實(shí)驗(yàn)檢測、數(shù)據(jù)分析等。論文首先介紹了光電導(dǎo)天線產(chǎn)生和探測太赫茲波的原理、相干探測原理、光學(xué)參數(shù)提取原理、近場高分辨成像原理以及成像方法等理論知識;接著詳細(xì)討論了近場系統(tǒng)的光路與電路設(shè)計(jì)、掃描成像模塊的搭建與控制等技術(shù)細(xì)節(jié);然后搭建了透射式太赫茲時域近場成像系統(tǒng)和反射式太赫茲時域近場光譜系統(tǒng);最后,利用研制的透射式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了西瓜果肉單細(xì)胞的超分辨成像檢測,利用反射式系統(tǒng)從光譜上明確區(qū)分出了豬肉組織的肌肉區(qū)域和脂肪區(qū)域。通過完成本課題所搭建的透射式太赫茲時域近場成像系統(tǒng),其標(biāo)定的成像分辨率達(dá)到3μm,比傳統(tǒng)太赫茲成像系統(tǒng)分辨率高出2~3個數(shù)量級;利用該系統(tǒng)所開展的單細(xì)胞太赫茲成像工作尚屬前沿研究。此外,在完成本課題過程中所搭建的基于收發(fā)一體的反射式太赫茲時域近場光譜系統(tǒng)也處于領(lǐng)域領(lǐng)先水平。通過開展本課題所取得的研究成果對太赫茲近場技術(shù)的發(fā)展及其在生物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用具有推動作用,為提高我國在太赫茲核心技術(shù)領(lǐng)域的競爭力有重要現(xiàn)實(shí)意義。
【圖文】：

題研究背景及研究意義赫茲波（Terahertz wave, THz）通常是指頻率在 0.1 THz-10 THz(波長為 3 mm圍內(nèi)的電磁波。其在整個電磁波譜范圍中位于微波和紅外輻射之間，處于由光子學(xué)過渡的區(qū)域，如圖 1.1 中黃色區(qū)域所示。也正是由于太赫茲波位置的使其具備很多優(yōu)勢。（1）安全性：太赫茲波的光子能量是很低的，1THz 的量約為 4.14 meV，不會像 X 射線那樣對樣品產(chǎn)生電離損傷，這使得它對活影響很小，因此可以利用太赫茲波檢測生物活體組織[1-3]。（2）強(qiáng)穿透性：太許多非極性和非金屬材料具有較好的穿透性，能夠透過衣物、塑料、木板等以利用太赫茲波進(jìn)行無損檢測方面的研究[4-6]。（3）指紋譜性：太赫茲波段包的物理和化學(xué)信息，根據(jù)獨(dú)特的指紋譜性能分析物體的物理化學(xué)性質(zhì)，達(dá)到行鑒別的目的[7,8]。（4）相干性：太赫茲波相干檢測技術(shù)可以同時測量電場的位，可以準(zhǔn)確地提取樣品的折射率和吸收系數(shù)[9-11]。（5）瞬態(tài)性：太赫茲波續(xù)時間長度只有幾百飛秒到幾皮秒，具有較高的時間分辨能力，能夠應(yīng)用于流子壽命研究。近些年來，太赫茲技術(shù)儼然已經(jīng)成為光學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)、各領(lǐng)域的學(xué)者們大力研究的一門交叉學(xué)科。

太赫茲探測器可以探測到由孔徑限制的樣品區(qū)域內(nèi)的太赫茲波，如圖1.2(a)所示。當(dāng)孔徑尺寸遠(yuǎn)小于太赫茲波的波長時，可實(shí)現(xiàn)與孔徑尺寸相當(dāng)?shù)目臻g分辨率[30-32]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單、易于調(diào)整。但是由于小孔的尺寸為亞波長量級，這使得通光量降低導(dǎo)致系統(tǒng)的靈敏度較差，通常需要采用微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和金屬波導(dǎo)法來提高其成像對比度和空間分辨率。針尖散射法的基本原理是，在近場區(qū)域內(nèi)放置一個亞波長的微散射體，，利用微散射體將近場信號散射到遠(yuǎn)場區(qū)域，太赫茲探測器可以探測到與針尖局域增強(qiáng)太赫茲電場區(qū)域有關(guān)的感生太赫茲波，如圖 1.2(b)所示。其成像空間分辨率取決于針尖的曲率半徑，能達(dá)到納米級的空間分辨率[33-35]。但是針尖制作困難，且微弱信號難以提取，系統(tǒng)信噪比較差。直接探測法的基本原理是，當(dāng)探測器的有效探測區(qū)域遠(yuǎn)小于太赫茲波的波長時，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)效應(yīng)可獲得與探測器的有效探測區(qū)域尺寸相當(dāng)?shù)目臻g分辨率。其實(shí)現(xiàn)方法是在樣品的近場區(qū)域內(nèi)探測，盡可能的縮小探測器尺寸，如圖 1.2(c)所示。光電導(dǎo)探針是目前最常用的近場探測器，其本質(zhì)上就是一對光電導(dǎo)天線，是采用特殊的光刻工藝制作而成的微型錐形天線，其開口大小只有幾個微米，能夠消除雜散光對近場信號的影響，空間分辨率較高，信噪比較好。
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O441.4;TP391.41

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 陳小橋,劉愛榮,亓長軍;基于等效時間采樣的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)[J];電測與儀表;2002年08期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 耿國帥;用于腦膠質(zhì)瘤檢測的太赫茲時域近場掃描顯微鏡[D];吉林大學(xué);2018年

2 宋哲宇;太赫茲圖像復(fù)原及檢測技術(shù)研究[D];長春理工大學(xué);2018年

3 徐利民;高分辨太赫茲圖像處理[D];中國科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所）;2013年

本文編號：2609299