蔡 禾，郭雪嬌，和 挺，潘 銳，熊 偉，沈京玲

（首都師范大學(xué)物理系，北京市THz波譜與成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，THz光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

蔡 禾，郭雪嬌，和 挺，潘 銳，熊 偉，沈京玲

（首都師范大學(xué)物理系，北京市THz波譜與成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，THz光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

概述了利用光整流、光電導(dǎo)天線、參量振蕩、空氣等離子體等方式產(chǎn)生太赫茲（THz）波，以及利用電光取樣、光電導(dǎo)天線、空氣等離子體等探測(cè)THz波的方法。闡述了THz時(shí)域光譜技術(shù)以及近年來(lái)發(fā)展的異步電光取樣技術(shù)。討論了THz技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了本課題組近年來(lái)致力于THz檢測(cè)技術(shù)在毒品檢測(cè)識(shí)別方面的研究情況。建立了含有38種純度在90％以上的THz毒品譜庫(kù)，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法對(duì)毒品進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別，研究確定了毒品純度和有效成分含量的理論和實(shí)驗(yàn)方法。用高斯軟件對(duì)個(gè)別品種，如甲基苯丙氨（MA）、氯氨酮、海洛因進(jìn)行了光譜解析，研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)毒品的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)提供了依據(jù)。最后，簡(jiǎn)單綜述了THz技術(shù)的發(fā)展前景。

THz波；無(wú)損檢測(cè)；光譜分析；異步電光取樣；綜述

1 引言

太赫茲（Terahertz，THz）波（或稱(chēng)太赫茲輻射、T-射線、亞毫米波、遠(yuǎn)紅外，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)Hz）指的是頻率在0.1～10 THz（1 THz＝1012Hz）的電磁輻射。從頻率上看，該波段位于毫米波和紅外線之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段；從能量輻射上看，其大小在電子和光子之間。在電磁頻譜上，THz波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是THz技術(shù)還很不完善。究其緣由是因?yàn)榇祟l段既不完全適合用光學(xué)理論來(lái)處理，也不完全適合用微波理論來(lái)研究，從而形成了通常所說(shuō)的“THz空隙”（THz Gap）。

20世紀(jì)80年代初，由于缺乏有效的THz產(chǎn)生方法和檢測(cè)手段，對(duì)于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限。近十幾年來(lái)，超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展為T(mén)Hz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的產(chǎn)生和應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展。

THz科學(xué)的早期研究主要集中在發(fā)展THz技術(shù)本身，之后人們開(kāi)始對(duì)THz波與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生興趣，其研究對(duì)象集中在半導(dǎo)體，涉及超導(dǎo)體和介電物質(zhì)，再以后，THz輻射被用來(lái)研究化學(xué)和生物樣品的光譜特性。進(jìn)入21世紀(jì)后，THz技術(shù)不但在基礎(chǔ)科研中繼續(xù)受到重視，其應(yīng)用研究也引起人們的興趣，比如安全檢查、無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)療診斷及制藥等化學(xué)合成過(guò)程中的應(yīng)用等。本文前半部分介紹了THz的產(chǎn)生和探測(cè)方法以及THz時(shí)域光譜和異步電光取樣技術(shù)；后半部分主要介紹了THz近些年比較新的應(yīng)用。

2 THz波的產(chǎn)生和探測(cè)

THz波的產(chǎn)生分為連續(xù)波的THz產(chǎn)生和THz脈沖的產(chǎn)生。產(chǎn)生連續(xù)THz波的方法主要有4種：（1）通過(guò)FTIR（Fourier Transform Infrared Spectrometer）使用熱輻射源產(chǎn)生，如汞燈和SiC棒；（2）是通過(guò)非線性光混頻產(chǎn)生；（3）是通過(guò)電子振蕩輻射產(chǎn)生，如反波管、耿式振蕩器及肖特基二極管產(chǎn)生；（4）是通過(guò)氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器等THz激光器直接產(chǎn)生。

目前產(chǎn)生THz脈沖常用的方法有光導(dǎo)天線法、光整流法、THz參量振蕩器法、空氣等離子體法等，其中空氣等離子體能產(chǎn)生相對(duì)較高強(qiáng)度的THz波而備受關(guān)注，此外，還可以用半導(dǎo)體表面產(chǎn)生THz波。下面主要介紹產(chǎn)生THz脈沖的一些常用方法。

2.1 光導(dǎo)天線（PCA）產(chǎn)生THz脈沖

光導(dǎo)天線輻射機(jī)制是利用超快激光脈沖泵浦光導(dǎo)材料，在其內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這些載流子在外加偏置電場(chǎng)作用下，做加速運(yùn)動(dòng)形成瞬態(tài)光電流，從而輻射出低頻THz脈沖。PCA由兩個(gè)距離在μm量級(jí)電極組成，此種THz輻射系統(tǒng)的性能取決于3個(gè)因素：光導(dǎo)體、天線的幾何結(jié)構(gòu)和泵浦激光的脈沖寬度，如圖1所示。光導(dǎo)體是產(chǎn)生THz輻射的關(guān)鍵部件，對(duì)于性能良好的光導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，它應(yīng)該具有載流子壽命極短，載流子遷移率高和介質(zhì)耐擊穿強(qiáng)度大等特點(diǎn)。目前應(yīng)用于THz技術(shù)中最多的光導(dǎo)體材料是Si和低溫生長(zhǎng)的GaAs（LT-GaAs）材料。

2.2 光整流產(chǎn)生THz脈沖

光整流方法是利用電光晶體作為非線性介質(zhì)，使超快激光通過(guò)非線性節(jié)點(diǎn)材料進(jìn)行二階非線性光學(xué)過(guò)程或高階非線性光學(xué)過(guò)程產(chǎn)生THz脈沖。光整流的物理過(guò)程是一個(gè)瞬間完成的過(guò)程，而產(chǎn)生的THz輻射強(qiáng)度與非線性介質(zhì)的極化電場(chǎng)強(qiáng)度P（t）的低頻部分對(duì)時(shí)間的二階偏導(dǎo)數(shù)成正比。光整流的關(guān)鍵問(wèn)題是位相匹配，它可以放大激光和THz脈沖在非線性介質(zhì)中的相互作用，并且能影響光整流的產(chǎn)生效果。

非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)影響所產(chǎn)生的THz脈沖的振幅強(qiáng)度、頻率分布以及光整流的轉(zhuǎn)換效率。常用的非線性介質(zhì)有LiNbO3、LiTaO3、有機(jī)晶體DAST、半導(dǎo)體GaAs、ZnTe、InP、InTe等。在產(chǎn)生THz脈沖方面，用得最多的是ZnTe和GaAs，而DAST則是很有潛力的有機(jī)介質(zhì)，是目前非線性效應(yīng)最強(qiáng)的物質(zhì)之一。

比較光整流和PCA產(chǎn)生的THz脈沖［1］可知：（1）用PCA輻射的THz脈沖能量通常要比用光整流效應(yīng)所產(chǎn)生的THz脈沖的能量強(qiáng)。這是因?yàn)楣庹餍?yīng)產(chǎn)生的THz脈沖的能量?jī)H僅來(lái)源于入射的激光脈沖的能量，而PCA輻射的THz脈沖的能量則主要來(lái)自天線上所加的偏置電場(chǎng)，如果要想獲得能量較強(qiáng)的THz脈沖，則可以通過(guò)調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）PCA產(chǎn)生的THz電磁波的頻率較低，而光整流產(chǎn)生的THz電磁波的頻率較高。（3）PCA產(chǎn)生的THz脈沖頻譜寬度較窄，而光整流產(chǎn)生的THz脈沖的頻譜寬度較寬。

2.3 空氣等離子體產(chǎn)生THz脈沖

Cook和Hochstrasser［2］等人最早發(fā)現(xiàn)將頻率為ω的飛秒脈沖和頻率為2ω的倍頻光聚焦在空氣中，將空氣電離可產(chǎn)生THz波。該方法與之前的在晶體中進(jìn)行光整流產(chǎn)生THz波相比，不存在損傷閾值的問(wèn)題，即對(duì)激光的強(qiáng)度沒(méi)有限制。

空氣中產(chǎn)生THz波有3種結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖（a）是將波長(zhǎng)為800nm或400nm，脈寬為100fs的激光脈沖聚焦到空氣中產(chǎn)生等離子體，從而輻射THz波；而圖（b）較之于圖（a）則是在聚焦透鏡后添加了一塊BBO晶體用于倍頻；圖（c）是利用分色鏡將波長(zhǎng)為800nm和400nm（基頻波與二次諧波）的兩束光混合在一起，通過(guò)干涉相長(zhǎng)或干涉相消對(duì)THz輻射進(jìn)行相干控制。

張希成等人［3］證明了空氣等離子體產(chǎn)生THz脈沖是發(fā)生在空氣中的三階非線性效應(yīng)（即在空氣中發(fā)生了（2ω+ΩTHz）-ω-ω＝ΩTHz四波混頻過(guò)程），其機(jī)理可用ETHz∝χ（3）E2ω（t）（t）cos（φ）來(lái)表達(dá)，并且認(rèn)為三階極化率張量只與χxxxx分量有關(guān)，產(chǎn)生的THz電場(chǎng)只在x方向有分量，為線偏振光。

之后，一些關(guān)注空氣產(chǎn)生THz脈沖的研究者重復(fù)了產(chǎn)生THz脈沖的實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的THz脈沖在兩個(gè)正交的方向有幾乎相等的分量，并對(duì)其做了解釋和證明。2008年6月，Aurélien Houard［4］等人提出了在空氣產(chǎn)生THz脈沖的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于強(qiáng)激光會(huì)在BBO晶體中發(fā)生雙折射，且作者認(rèn)為空氣等離子體各向異性會(huì)使基頻波有偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的THz脈沖在與基頻倍頻垂直的y方向上也會(huì)產(chǎn)生較大的THz分量，實(shí)際上是來(lái)自于三階極化率張量項(xiàng)的貢獻(xiàn)。

2.4 參量振蕩器產(chǎn)生頻率可調(diào)的THz波

光學(xué)參量振蕩是產(chǎn)生THz輻射的另一機(jī)制，是基于光學(xué)參量效應(yīng)的一種技術(shù)。THz參量源通常有THz參量發(fā)生器（Terahertz-wave Parametric Generator，TPG）和THz參量振蕩器（Terahertzwave Parametric Oscillator，TPO）兩種，二者之間的區(qū)別在于TPO有諧振腔，而TPG沒(méi)有這樣的選頻結(jié)構(gòu)。THz參量源具有很高的非線性轉(zhuǎn)換效率，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化、工作可靠、便于操作、相干性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)單頻、寬帶、可調(diào)諧、可在室溫下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的全固態(tài)THz輻射源。

THz參量源是利用晶格或分子本身的共振頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)THz波的參量振蕩和放大的，是一種與極化聲子相關(guān)的光學(xué)參量技術(shù)。當(dāng)一束強(qiáng)激光束通過(guò)非線性晶體時(shí)，光子和聲子的橫波場(chǎng)會(huì)發(fā)生耦合，產(chǎn)生出光-聲混態(tài)，稱(chēng)之為極化聲子。由極化聲子的有效參量散射，即受激極化聲子散射，可輻射出THz波。在這個(gè)散射過(guò)程中同時(shí)包括二階和三階非線性過(guò)程，因此，泵浦光、閑頻光和極化波（THz波）三者之間會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的相互作用。

圖3 參量振蕩產(chǎn)生頻率可調(diào)的THz波裝置圖Fig.3 Frequency-tunable THz wave generated by parametric generator

2008年，Koji Suizu［5］等人利用KTP-OPO（雙波長(zhǎng)輸出KTP光學(xué)參量振蕩器）產(chǎn)生的兩束波長(zhǎng)相差不大的平行泵浦光在鈮酸鋰晶體中差頻產(chǎn)生出THz波，在THz波的輸出上利用了切倫科夫輻射的原理［6］，如圖3所示。眾所周知，當(dāng)晶體中極化波的速度大于輻射出的射線波的速度時(shí)就可以說(shuō)其滿(mǎn)足了切倫科夫的相位匹配條件。在鈮酸鋰晶體中，由兩束泵浦光差頻產(chǎn)生的THz波的波速（發(fā)出的瞬間具有泵浦光的速度）大于由THz引起的介質(zhì)極化產(chǎn)生的次波輻射的波速（等于THz的速度），滿(mǎn)足了切倫科夫輻射的相位匹配條件［7］，從而以一定角度輻射出THz波。同時(shí)，因?yàn)榫垡蚁┠ず鼙。梢院蚑Hz波的波長(zhǎng)相比，所以可在聚乙烯膜上使用一組硅棱鏡陣列來(lái)耦合THz波的輸出，然后用硅測(cè)輻射熱計(jì)來(lái)探測(cè)產(chǎn)生的連續(xù)寬頻范圍的THz波。

2.5 幾種發(fā)射源的比較

目前，THz波發(fā)射源可以大致分為以下幾類(lèi)：非相干的熱輻射源，電子學(xué)的高頻微波輻射源，THz激光器，光電子輻射源，這些THz波光源都有自己的特點(diǎn)及局限性［8］。自由電子激光和氣體激光可以發(fā)射相對(duì)較強(qiáng)的THz輻射，并可以覆蓋較寬的頻率范圍，但它們的體積較大，功耗較高；量子級(jí)聯(lián)激光器可以輸出10mW數(shù)量級(jí)的THz輻射，但它需要工作在低溫環(huán)境下，而且目前的量子級(jí)聯(lián)激光器只能工作在THz的高頻波段，第一臺(tái)工作在THz波段的量子級(jí)聯(lián)激光器的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射波長(zhǎng)為4.4THz［9］。電子學(xué)方法可以獲得較高的輸出功率，但只能發(fā)射低頻THz波。脈沖的THz發(fā)射源幾乎覆蓋了整個(gè)THz波段，且常溫下可獲得較高的信噪比，然而需要昂貴的飛秒脈沖激光器，且平均功率較低。

2.6 PCA探測(cè)

利用PCA探測(cè)THz脈沖的裝置與發(fā)射裝置相似，只是在探測(cè)裝置的天線電極之間沒(méi)有施加偏置電壓，而是直接連接一個(gè)電流計(jì)測(cè)量由THz電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電流。當(dāng)探測(cè)脈沖和THz脈沖同時(shí)照射到探測(cè)天線的電極間隙時(shí)，感測(cè)脈沖在該區(qū)域產(chǎn)生瞬時(shí)的自由載流子使該區(qū)域成為導(dǎo)體，而THz電場(chǎng)則驅(qū)動(dòng)光生載流子形成電流。由于探測(cè)光脈沖和THz脈沖具有固定的時(shí)間關(guān)系，并假定由探測(cè)脈沖激發(fā)的自由載流子壽命遠(yuǎn)短于THz脈沖的周期，可近似地認(rèn)為有該探測(cè)脈沖激發(fā)的載流子會(huì)受到一個(gè)恒定電場(chǎng)的作用，從而產(chǎn)生可以測(cè)量的電流，該電流可以表示為＝eμE（τ），其中是光生自由電子的密度，τ是探測(cè)脈沖和THz脈沖之間的時(shí)間差。該式表明了測(cè)量電流值正比于該時(shí)刻THz脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)改變?chǔ)犹綔y(cè)脈沖就會(huì)對(duì)THz脈沖的電場(chǎng)進(jìn)行取樣。

2.7 電光取樣

電光取樣測(cè)量技術(shù)基于線性電光效應(yīng)：當(dāng)THz脈沖通過(guò)電光晶體時(shí)，會(huì)發(fā)生電光效應(yīng)，從而影響探測(cè)（取樣）脈沖在晶體中的傳播。當(dāng)探測(cè)脈沖和THz脈沖同時(shí)通過(guò)電光晶體時(shí)，THz脈沖電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致晶體的折射率發(fā)生各向異性的改變，致使探測(cè)脈沖的偏振態(tài)發(fā)生變化。調(diào)整探測(cè)脈沖和THz脈沖之間的時(shí)間延遲，檢測(cè)探測(cè)光在晶體中發(fā)生的偏振變化就可以得到THz脈沖電場(chǎng)的時(shí)域波形。

自由空間電光取樣THz探測(cè)原理如圖4所示。圖中的激光器為飛秒激光器，它所發(fā)出的飛秒激光脈沖經(jīng)分束器之后，分為泵浦脈沖和探測(cè)脈沖。泵浦脈沖用來(lái)激發(fā)THz發(fā)射極使其產(chǎn)生THz脈沖，然后該脈沖被離軸拋物面鏡準(zhǔn)直聚焦，經(jīng)半透鏡照射到電光晶體之上，由此改變電光晶體的折射率橢球。當(dāng)線偏振的探測(cè)脈沖在晶體內(nèi)與THz光束共線傳播時(shí)，其相位會(huì)被調(diào)制。由于電光晶體的折射率會(huì)被THz脈沖電場(chǎng)改變，所以探測(cè)光經(jīng)過(guò)電光晶體時(shí)，其偏振狀態(tài)將會(huì)由線偏振轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振，再經(jīng)偏振分束鏡（這里常用的是沃拉斯通（Wollaston）棱鏡）分為s偏振和p偏振兩束，而這兩束光的光強(qiáng)差則正比于THz電場(chǎng)。使用差分探測(cè)器可以將這兩束光的光強(qiáng)差轉(zhuǎn)換為電流差，從而探測(cè)到THz電場(chǎng)隨時(shí)間變化的時(shí)域光譜。利用機(jī)械電動(dòng)延遲線可以改變THz脈沖和探測(cè)脈沖的時(shí)間延遲，通過(guò)掃描這個(gè)時(shí)間延遲可得到THz電場(chǎng)的時(shí)域波形。為了提高靈敏度和壓縮背景噪聲，可以采用機(jī)械斬波器來(lái)調(diào)制泵浦光，而后利用鎖相探測(cè)技術(shù)，即可獲得THz電場(chǎng)振幅和相位的信息。

圖4 電光探測(cè)原理圖Fig.4 Schematic diagram of electro-optic sampling

2.8 空氣探測(cè)

2006年，戴建明和張希成等人［10］根據(jù)THz輻射的產(chǎn)生和探測(cè)是互逆過(guò)程這一理論，利用三階非線性性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了空氣等離子體探測(cè)THz電場(chǎng)。圖5是利用空氣產(chǎn)生并探測(cè)THz的裝置圖。在探測(cè)THz輻射時(shí)，將800nm的探測(cè)激光與THz脈沖同時(shí)聚焦在空氣中，在四波混頻的過(guò)程中，THz輻射與800nm激光可以產(chǎn)生400nm波長(zhǎng)的光Esignal2ω∝χ（3）EωEωETHz，其中Esignal2ω是THz波場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生二次諧波信號(hào)的電場(chǎng)分量，可見(jiàn)二倍頻光的電場(chǎng)強(qiáng)度正比于THz在特定延遲時(shí)刻的電場(chǎng)強(qiáng)度。

以往，遠(yuǎn)距離寬帶THz波的遙感探測(cè)和光譜分析是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)榭諝庵械乃魵鈱?duì)THz波具有強(qiáng)吸收，THz波在空氣中的衰減高達(dá)100db/km。但空氣等離子體產(chǎn)生和探測(cè)THz波的方法是通過(guò)將可見(jiàn)光脈沖發(fā)送到遠(yuǎn)處被測(cè)物體附近來(lái)產(chǎn)生和探測(cè)THz波的，利用可見(jiàn)光在空氣中的低衰減（＜0.01dB/km）來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離THz波的感測(cè)，因而具有重要的應(yīng)用意義。

圖5 空氣等離子體產(chǎn)生與探測(cè)裝置圖Fig.5 Generation and detection of THz in air plasma

2.9 幾種THz探測(cè)器的比較

THz波的探測(cè)器可以分為：光學(xué)和光電子學(xué)探測(cè)器（光電導(dǎo)天線和電光取樣）和量熱式探測(cè)器。光學(xué)和電子學(xué)探測(cè)器應(yīng)用在脈沖THz技術(shù)中，可以摒除環(huán)境噪聲的影響，獲得高信噪比的測(cè)量結(jié)果，而且可以進(jìn)行相干測(cè)量；量熱式探測(cè)器可以探測(cè)各種光源發(fā)射的THz輻射，而且可以測(cè)量各種光譜范圍的輻射；但是與差分測(cè)量相比，他們的探測(cè)靈敏度較低，而且容易受到環(huán)境輻射的影響，是非相干測(cè)量。

3 THz時(shí)域光譜技術(shù)

3.1 THz時(shí)域光譜系統(tǒng)

利用THz脈沖可以分析材料的性質(zhì)，其中THz時(shí)域光譜技術(shù)（THz-TDS）是一種非常有效的測(cè)量手段。THz時(shí)域光譜技術(shù)是一種相干探測(cè)技術(shù)，它利用樣品的THz透射或反射光譜信息，同時(shí)獲得THz脈沖的振幅信息和相位信息，再通過(guò)對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行傅里葉變換直接得到樣品的吸收系數(shù)和折射率等光學(xué)參數(shù)。圖6為T(mén)Hz時(shí)域光譜系統(tǒng)光路圖。

圖6 THz時(shí)域光譜系統(tǒng)Fig.6 Terahertz time domain spectrocopy

從激光器射出的飛秒激光經(jīng)過(guò)分束鏡分為兩束，一束為泵浦光入射到發(fā)射極InAs，通過(guò)光整流效應(yīng)產(chǎn)生THz波，經(jīng)4個(gè)離軸拋物面鏡聚焦到探測(cè)晶體ZnTe；反射的一束經(jīng)一系列的反射鏡到達(dá)探測(cè)晶體上THz的聚焦點(diǎn)，THz輻射電場(chǎng)使通過(guò)電光探測(cè)晶體的探測(cè)脈沖的偏振態(tài)發(fā)生改變，從而反映出THz電場(chǎng)的大小及變化。通過(guò)電動(dòng)平移臺(tái)的移動(dòng)改變探測(cè)點(diǎn)，從而描畫(huà)出THz波的時(shí)域波形。

3.2 異步電光取樣技術(shù)

傳統(tǒng)的THz時(shí)域光譜系統(tǒng)采用了電光取樣的方法，系統(tǒng)中掃描THz譜需用電動(dòng)平移臺(tái)，通過(guò)電動(dòng)平移臺(tái)調(diào)整探測(cè)脈沖與THz的相位差來(lái)改變測(cè)量點(diǎn)，該方法掃譜時(shí)間慢，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。

近年來(lái)，出現(xiàn)了一種基于異步電光取樣技術(shù)的測(cè)譜系統(tǒng)［11，12］，其特點(diǎn)是無(wú)機(jī)械延遲裝置、掃譜時(shí)間快、測(cè)量精度高。

該系統(tǒng)由1臺(tái)60fs的鈦寶石激光器作為探測(cè)光，1臺(tái)10fs的鈦寶石的激光器作為泵浦光，2臺(tái)激光器的重復(fù)頻率均約為82.6MHz，通過(guò)激光控制電路來(lái)控制2臺(tái)激光器的重復(fù)頻率有一個(gè)微小的差值，保持在108Hz。如圖7所示，非線性晶體、光電倍增管和電流前向放大器組成了和頻振蕩自相關(guān)儀，產(chǎn)生時(shí)間觸發(fā)信號(hào)輸入示波器作為時(shí)鐘信號(hào)。產(chǎn)生THz和探測(cè)THz均采用了PCA結(jié)構(gòu)。由于探測(cè)脈沖的周期和產(chǎn)生的THz脈沖周期不同，每經(jīng)過(guò)一個(gè)重復(fù)周期，探測(cè)脈沖的探測(cè)點(diǎn)相對(duì)與THz波向前移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)點(diǎn)的改變，描畫(huà)出THz的時(shí)域波形，其原理如圖8所示。

采用這種方法對(duì)THz波進(jìn)行采樣可實(shí)現(xiàn)1s采108次THz譜，頻譜寬度為63.7THz，時(shí)間分辨率可達(dá)15.8fs。相比傳統(tǒng)的用平移臺(tái)掃譜的方法，該方法具有速度快、頻譜寬度寬、頻率分辨率高等特點(diǎn)，且這種異步電光取樣系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)正在不斷的提高。該技術(shù)對(duì)未來(lái)THz的實(shí)際應(yīng)用提供了效率保障。

圖7 異步電光取樣裝置圖Fig.7 Asynchronous optical sampling setup

圖8 異步電光取樣探測(cè)原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of asynchronous optical sampling

4 THz波技術(shù)的應(yīng)用

4.1 THz是對(duì)毒品檢測(cè)的有效手段

近年來(lái)，作者致力于THz檢測(cè)技術(shù)在毒品識(shí)別方面的研究，并取得了一些成果，為實(shí)現(xiàn)毒品的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)提供了依據(jù)。

圖9 SOM對(duì)6種毒品60個(gè)光譜的聚類(lèi)結(jié)果Fig.9 Sixty spectra of six illicit drugs clustered by SOM neural network

利用THz時(shí)域光譜技術(shù)測(cè)量得到了38種純度在90％以上的毒品的THz光譜，建立并豐富了毒品THz光譜數(shù)據(jù)庫(kù)［13］；在初步研究了“自然毒品”的光譜特征和對(duì)隱藏毒品利用特征峰識(shí)別、成像識(shí)別等方法［14］進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)上，研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［15］、支持向量機(jī)（SVM）［16］，二次求導(dǎo)等方法［17］實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別研究。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANN）是由大量處理單元（神經(jīng)元）相互連接而成的網(wǎng)絡(luò)，它模擬生物體中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)構(gòu)和功能，如學(xué)習(xí)、控制和識(shí)別等，采用物理上可實(shí)現(xiàn)的器件或采用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬生物體中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)構(gòu)和功能，是人工智能研究的一種方法。其中自組織特征映射（Self Organization Feature Mapping，SOM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種重要類(lèi)型。采用THz-TDS技術(shù)對(duì)6種常見(jiàn)毒品進(jìn)行研究，得到了0.2～2.6THz的特征吸收光譜，將毒品的60個(gè)光譜作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每種樣品10個(gè)光譜，通過(guò)SOM網(wǎng)絡(luò)對(duì)其聚類(lèi)，訓(xùn)練60 000次后的結(jié)果如圖9所示。然后以訓(xùn)練好的SOM對(duì)12個(gè)待識(shí)別的60個(gè)光譜進(jìn)行分類(lèi)，分類(lèi)結(jié)果如圖10所示。在這兩幅圖中，不同的形狀代表不同毒品的THz光譜，相同的形狀代表相同的毒品不同次測(cè)得的光譜，空心點(diǎn)代表用來(lái)訓(xùn)練的光譜，實(shí)心點(diǎn)代表識(shí)別的光譜。從圖9可以看出，相同毒品的光譜在網(wǎng)格中的距離要近些，不同毒品的光譜在網(wǎng)格中的距離大于相同光譜在網(wǎng)格中的距離，說(shuō)明SOM網(wǎng)絡(luò)將毒品的光譜進(jìn)行了成功的聚類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同毒品的分類(lèi)。圖10的識(shí)別結(jié)果表明，訓(xùn)練好的SOM網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)不同毒品的THz光譜進(jìn)行分類(lèi)，即可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)鑒定毒品的種類(lèi)。

圖10 用訓(xùn)練好的SOM網(wǎng)絡(luò)對(duì)6種毒品的60個(gè)光譜的識(shí)別結(jié)果，實(shí)心的標(biāo)記代表用SOM網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的光譜Fig.10 Result of identification using well-clustered SOM neural network

支持向量機(jī)（SVM）是V.Vapnik［18］提出的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，由于其出色的學(xué)習(xí)功能，該技術(shù)已成為機(jī)器學(xué)習(xí)界的研究熱點(diǎn)，并在很多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用。由于SVM在高維小訓(xùn)練樣本情況下有著很好泛化能力，并且相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，尤其是自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［19］在參數(shù)設(shè)定和識(shí)別過(guò)程要節(jié)省很多時(shí)間，因此，采用THz-TDS技術(shù)對(duì)9種常見(jiàn)毒品純品和3種混合物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并在得到它們0.2～2THz的特征吸收光譜的基礎(chǔ)上，用SVM對(duì)毒品純品和混合物的THz吸收光譜進(jìn)行了識(shí)別分類(lèi)。用歸一化預(yù)處理后的9種毒品和面粉的THz吸收光譜訓(xùn)練libsvm模型，選用與訓(xùn)練光譜不同時(shí)間測(cè)得的毒品和混合物的THz吸收光譜作為檢測(cè)光譜，經(jīng)過(guò)歸一化預(yù)處理之后分別輸入到訓(xùn)練好的libsvm模型中進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別率達(dá)100％。識(shí)別結(jié)果表明，用SVM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類(lèi)毒品的識(shí)別和鑒定，為T(mén)Hz光譜技術(shù)用于毒品的檢測(cè)和識(shí)別提供了另一種有效的方法。

作者還研究了確定毒品純度和有效成分含量的理論和實(shí)驗(yàn)方法［20］，采用吸收系數(shù)分別為α1（ω），α2（ω）……αn（ω）的n種樣品S1，S2，……，Sn均勻混合成質(zhì)量為M的混合樣品，吸收系數(shù)α（ω）＝biαi（ω），其中bi為各已知成分的百分比，如果每個(gè)成分的吸收系數(shù)及它們混合物的吸收系數(shù)已知，那么通過(guò)線性回歸的方法，就可以算出各成分的質(zhì)量百分比。其中b1∶b2……∶bn＝m1∶m2……∶mn，這表明如果混合物和它的各個(gè)成分的吸收系數(shù)已知，就可以采用最小二乘法計(jì)算出混合物中各成分的百分比含量。將維生素B6、維生素C、蒽醌按一定比例混合，用該方法計(jì)算出各組分的含量并與實(shí)際含量做比較，結(jié)果見(jiàn)表1，其絕對(duì)誤差＞2.99％，相對(duì)誤差＞7.64％，總體上3種成分的實(shí)際含量和計(jì)算含量基本一致。實(shí)驗(yàn)表明，用THz-TDS技術(shù)定量檢測(cè)混合物各組分含量是可行的。

表1 維生素B6、維生素C、蒽醌的實(shí)際含量及計(jì)算結(jié)果Tab.1 Contains of vitam ins B6，vitam ins C，anthraquinone in experiment and calcu lation

用高斯軟件對(duì)個(gè)別品種的毒品進(jìn)行光譜解析是該研究的另一方向，現(xiàn)已經(jīng)完成了對(duì)甲基苯丙氨（MA）、氯氨酮、海洛因的光譜解析［21，22］。

圖11 MDMA的THz吸收光譜計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 THz absorption spectra of MDMA by calculation and experiment

以二亞甲基雙氧苯丙胺（MDMA）為例，在室溫下提取了它在0.2～2.6 THz的時(shí)域光譜。利用密度泛函理論，將低頻振動(dòng)模型應(yīng)用于MDMA，使用高斯GaussianView3.09軟件包計(jì)算其吸收譜。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖11。

對(duì)于MDMA來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果符合的比較好，不僅吸收峰的個(gè)數(shù)相吻合，整體趨勢(shì)也比較相似，只是有一些頻率的偏移。計(jì)算得到的吸收峰1.11、1.78和2.60 THz分別對(duì)應(yīng)于1.20、1.83和2.57THz。實(shí)驗(yàn)表明THz-TDS和離散傅里葉變換（DFT）很適合用于識(shí)別MDMA的分子振動(dòng)的特征譜。

4.2 郵件檢測(cè)

早在2003年，日本的Kodo Kawase［23］就提出了在不拆開(kāi)信封的情況下，通過(guò)提取信封內(nèi)可疑物指紋譜的方法來(lái)識(shí)別信封內(nèi)的毒品，并通過(guò)在特定頻率成像的方法來(lái)區(qū)分信封內(nèi)的毒品可疑物的種類(lèi)。因此，利用THz時(shí)域光譜技術(shù)進(jìn)行郵件檢測(cè)，將毒品藏匿在信封中以合法的途徑運(yùn)毒將不再可能。圖12是透過(guò)信封對(duì)MDMAmethamphetamineaspirin3種毒品在7個(gè)頻率下的成像。

圖12 MDMAmethamphetamineaspirin3種毒品在不同頻率下的成像結(jié)果Fig.12 Three drug images in seven frequencices

在日本每天有成百上千封郵件需要檢查，如果逐一用成像的方法對(duì)郵件進(jìn)行檢查，將是一項(xiàng)繁重的工作，因此，近年來(lái)，日本利用THz技術(shù)和X射照相技術(shù)設(shè)計(jì)了一套能快速高效地分類(lèi)篩查郵件的裝置，該裝置現(xiàn)已投入日本郵局試用［24］，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 快速掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.13 THz rapid screening system

該快速掃描系統(tǒng)用于迅速?gòu)拇罅苦]件中篩選出可疑的信件，其過(guò)程分為5步：挑選厚度2cm以下的信封；采用X射線照相技術(shù)拍攝，排除部分只含有紙的信封；對(duì)X射線拍攝的信封照片中存在陰影部分的信件進(jìn)行進(jìn)一步檢查，將只含有紙張的信件收集起來(lái)；用THz散射探測(cè)器將信封中有可疑粉末的信件挑出，該散射探測(cè)器如圖14所示，探測(cè)部分由肖特基二極管作THz產(chǎn)生源和探測(cè)器，信封中若存在可疑粉末，接收器將會(huì)接收到散射的THz波，實(shí)驗(yàn)證明毒品顆粒在微米量級(jí)這樣大小的顆粒剛好對(duì)THz散射強(qiáng)烈，因此，THz散射探測(cè)器非常適合這項(xiàng)工作；最后掃描有可疑粉末的信封，與譜庫(kù)里的時(shí)域譜對(duì)比，進(jìn)行毒品識(shí)別。

圖14 THz散射探測(cè)裝置圖Fig.14 Optical setup of THz scattering detector

4.3 THz脈沖雷達(dá)

近年來(lái)，異步電光取樣方法的問(wèn)世使THz技術(shù)向應(yīng)用又邁進(jìn)了一步。該方法由于能夠迅速地進(jìn)行電光采樣，而不需要電動(dòng)平移臺(tái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)THz時(shí)域光譜的掃描光譜時(shí)間慢的缺點(diǎn)，因此，成為具有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)技術(shù)。

Takeshi Yasui［25］利用這項(xiàng)技術(shù)制造了THz脈沖車(chē)載雷達(dá)，圖15為該雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖。雷達(dá)采用了典型的異步電光取樣結(jié)構(gòu)，用PCA作THz發(fā)射源和探測(cè)器，并采用了兩臺(tái)激光器。

圖15 THz脈沖雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Schematic diagram of terahertz impulse radar

當(dāng)障礙物距探測(cè)器的距離改變，探測(cè)脈沖和門(mén)控脈沖光程會(huì)變長(zhǎng)，從而可測(cè)算出障礙物距離的改變。該產(chǎn)品目前所能達(dá)到的測(cè)量精度在2mm左右。

4.4 工業(yè)加工——塑料焊接點(diǎn)的無(wú)損檢測(cè)

THz時(shí)域光譜系統(tǒng)可以應(yīng)用于塑料加工工業(yè)［26］。塑料作為一種重要的建筑材料，其質(zhì)量的監(jiān)管應(yīng)予以重視。作為建筑材料，如果存在著氣泡或者存在著生產(chǎn)過(guò)程中帶入的一些摻雜物，會(huì)導(dǎo)致焊接點(diǎn)強(qiáng)度的急劇下降成為安全隱患。例如，生產(chǎn)用來(lái)運(yùn)輸天然氣的聚乙烯管時(shí)，任何一處焊接的缺陷都將引起巨大的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)上的損失，因此，塑料焊接點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)是必要的。對(duì)于塑料的檢測(cè)一直是工業(yè)生產(chǎn)上的一個(gè)難點(diǎn)，X射線和超聲都不能很好地解決對(duì)塑料制品的檢測(cè)，其檢測(cè)成功率很低，而正在發(fā)展當(dāng)中的THz成像技術(shù)恰能克服這種限制，S.Wietzke在實(shí)驗(yàn)中證明［27］，通過(guò)THz成像可以成功地檢測(cè)塑料焊接處摻雜的沙子或者金屬顆粒。此外，通過(guò)對(duì)焊接端的THz成像也可以檢測(cè)出是否有脫層現(xiàn)象，從而確定產(chǎn)品某處是否適合焊接并選擇合適的焊接范圍。圖16為塑料管焊接平面的成像圖。

圖16 塑料管焊接處THz成像圖Fig.16 THz image of end of plastic tube

4.5 工業(yè)加工——塑料纖維走向及添加物含量的無(wú)損檢測(cè)

纖維復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航海、汽車(chē)制造等行業(yè)，纖維復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)是THz技術(shù)發(fā)揮作用的另一個(gè)重要領(lǐng)域。纖維復(fù)合材料有出色的力學(xué)性質(zhì)，但也存在一定的缺陷，例如，作為飛行器殼體的石墨纖維復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)由石墨纖維為骨架填充樹(shù)脂材料制成，其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕而堅(jiān)固，缺點(diǎn)是被加熱到200℃以上容易被損壞，因此，檢測(cè)石墨纖維復(fù)合材料的受熱損壞程度是非常有意義的工作。Karpowicz［28］等人將THz技術(shù)引入纖維復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)中，對(duì)被火燒過(guò)的碳纖維化合物成像以確定損傷程度，由于石墨纖維是導(dǎo)電材料，對(duì)THz輻射不透明，對(duì)THz吸收較強(qiáng)，因此，采用了反射式成像方式。

玻璃纖維對(duì)THz幾乎是透明的，Stoi和他的合作者對(duì)航天用玻璃纖維化合物進(jìn)行了深入的研究，檢測(cè)樣品是否有空隙，脫層以及力熱損傷。除此之外，很多材料的力學(xué)性質(zhì)與材料內(nèi)添加纖維的比重和纖維的走向密切相關(guān)。因此，在利用這種材料制造對(duì)安全系數(shù)要求較高的重要零部件時(shí)，纖維含量和纖維走向兩個(gè)指標(biāo)十分重要，甚至要求在加工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于其它無(wú)損檢測(cè)方法不能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，THz時(shí)域光譜技術(shù)成為完成這項(xiàng)工作的主要方法。

近年來(lái)，S.Wietzke等人做了纖維走向［29］和纖維含量［30］的測(cè)定工作。對(duì)于纖維含量的測(cè)定是通過(guò)測(cè)定混合物的介電常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即利用了準(zhǔn)靜電有效介質(zhì)理論［31］計(jì)算的介電常數(shù)來(lái)確定混合物成分含量。對(duì)于纖維走向的測(cè)定則是基于他們提出的一種提取樣品空間任一位置的纖維走向的算法，用不同偏振方向的THz波照射樣品各表面，找到樣品的3個(gè)主折射率從而確定纖維走向。

4.6 THz層析成像

相襯X射線計(jì)算層析照相法是一種新興的成像技術(shù)，它可以利用第三代同步加速器輻射源或使用微聚焦X射線源來(lái)實(shí)現(xiàn)，在材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)中已經(jīng)獲得了有意義的結(jié)果。THz波計(jì)算機(jī)層析成像是在X射線計(jì)算機(jī)層析成像的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型層析成像形式，利用了THz波和新的重構(gòu)計(jì)算方法。這種技術(shù)使THz成像擴(kuò)展到能夠研究物體復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于THz波具有許多獨(dú)特性質(zhì)，所以3DTHz層析成像會(huì)有許多潛在的應(yīng)用，如郵件包裹的檢查、國(guó)土安檢、物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢查、無(wú)損檢測(cè)等。

1997年，Mittleman等人［32，33］的研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了反射式THz層析成像，該研究小組通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理算法成功地重構(gòu)出了軟盤(pán)的3DTHz像，但是，這種層析成像只能對(duì)有明顯邊緣的層狀目標(biāo)物體進(jìn)行成像。利用透射式連續(xù)THz波成像系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)計(jì)算層析成像。由于連續(xù)波成像系統(tǒng)省去了泵浦—探測(cè)成像裝置，所需的元件數(shù)量很少，大大減小了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。同時(shí)系統(tǒng)也無(wú)需時(shí)間延遲掃描，成像速度得到了大幅度提高，所以這種層析成像將會(huì)有很大的實(shí)用價(jià)值。圖17是通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的逆向計(jì)算實(shí)現(xiàn)的高爾夫球的三維重構(gòu)圖。T-CT借用了已經(jīng)很完善的X-CT領(lǐng)域的計(jì)算方法。

圖17 對(duì)高爾夫球的THz層析成像圖Fig.17 Terahertz-tomography image of golf

此外日本的Jun Takayanagi，Hiroki Jinno，Shingo Ichino等人提出了一種用去卷積過(guò)程得出物體圖像的方法［34］，使用去卷積方法得出的3張紙的三維THz斷層成像，如圖18所示。

圖18 對(duì)紙張的THz層析成像圖Fig.18 3D terahertz-tomography image of paper

5 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)介紹了THz波產(chǎn)生和探測(cè)方法，并對(duì)各種產(chǎn)生和探測(cè)方法進(jìn)行了比較。其中利用空氣等離子體產(chǎn)生和探測(cè)THz波對(duì)遠(yuǎn)程感測(cè)THz波的發(fā)展有重要價(jià)值。文章就THz時(shí)域光譜技術(shù)以及近年來(lái)發(fā)展的異步電光取樣技術(shù)做了詳細(xì)介紹，該系統(tǒng)采用了用兩臺(tái)激光器，兩束飛秒激光分別作為泵浦脈沖和探測(cè)脈沖，利用兩臺(tái)激光器的重復(fù)頻率不同實(shí)現(xiàn)掃描，取代了傳統(tǒng)的移動(dòng)速度緩慢的電動(dòng)平移臺(tái)，該技術(shù)大大改善了THz波探測(cè)效率。本文對(duì)THz領(lǐng)域有代表性的應(yīng)用研究做了介紹，如利用THz技術(shù)與X射線照相技術(shù)共同完成對(duì)郵件的快速檢測(cè)；基于異步電光取樣的THz脈沖車(chē)載雷達(dá)；利用THz時(shí)域光譜技術(shù)進(jìn)行毒品檢測(cè)；對(duì)纖維增強(qiáng)材料的纖維走向及纖維含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；THz層析掃描技術(shù)等。本小組在毒品檢測(cè)識(shí)別研究中，用THz時(shí)域光譜技術(shù)測(cè)量得到了38種純度在90％以上的毒品的THz光譜，建立并豐富了毒品THz光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，在初步研究了“自然毒品”的光譜特征并利用特征峰識(shí)別、成像識(shí)別等方法對(duì)隱藏毒品進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM等方法研究確定毒品純度和有效成分含量的理論和實(shí)驗(yàn)方法，并用高斯軟件對(duì)甲基苯丙氨（MA）、氯氨酮、海洛因等進(jìn)行了光譜解析。

近年來(lái)，THz研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，許多高等院校和研究機(jī)構(gòu)已建成THz實(shí)驗(yàn)室，并取得了一系列研究成果。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，THz波的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，THz應(yīng)用技術(shù)已進(jìn)入加速發(fā)展時(shí)期。可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，THz技術(shù)將給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)家安全和人民生活等各方面帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

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Terahertz wave and its new applications

CAIHe，GUO Xue-jiao，HE Ting，PAN Rui，XIONGWei，SHEN Jing-ling
（Beijing Key Laboratory for Terahertz Spectroscopy and Imaging，Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics，Ministry of Education，Department of Physics，Capital Normal University，Beijing 100048，China）

Themethods to generate the terahertz wave by optical rectification，photoconductive antennas，air plasmas and parametric generators are described in detail，then how to detect the terahertz wave by electrooptic sampling，photoconductive antennas and air plasmas are introduced as well.The terahertz time-domain spectroscopy and the asynchronous electro-optic sampling technique are also described.Furthermore，the applications of the terahertz technology to research fields，especially to the detection and identification of drugs are discussed.A terahertz spectrum database includes 38 kinds of drugs with a purity more than 99％is established.Moreover，the Artificial Neural Network（ANN）and a support vectormachine are used to identifydrugs automatically and the experimentalmethods and related theory are proposed to determine the purity and effective ingredients of drugs.By using a Gaussian software，individual species of drugs such asmethyl-phenyl ammonia（MA），ketamine and heroin are conducted by spectral analysis，which provides a basis for implementing the drug inspection in laboratories.Finally，this paper reviews the developments of the terahertz technology briefly.

terahertz wave；generation；detection；air plasma；asynchronous electro-optic sampling；inspection of drugs

1674-2915（2010）03-0209-14

O441；TN209

A

2010-01-11；

2010-03-13

北京市教委資助項(xiàng)目（No.KM200910028005）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）資助項(xiàng)目（No.2007CB310408；No.2006CB302901）

蔡 禾（1985—），男，北京人，碩士研究生，主要從事太赫茲光譜的研究。E-mail：caihe19850413@gmail.com

郭雪嬌（1986—），女，山東人，碩士研究生，主要從事太赫茲偏振的研究。E-mail：guoxuejiaohi@gmail.com

和 挺（1984—），男，北京人，碩士研究生，主要從事太赫茲目標(biāo)識(shí)別的研究。E-mail：heting54@gmail.com

潘 銳（1983—），男，北京人，碩士研究生，主要從事太赫茲快速成像的研究。E-mail：peter_pan211@139.com

熊 偉（1983—），男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，主要從事太赫茲目標(biāo)識(shí)別的研究。E-mail：vanxiong@163.com

沈京玲（1957—），女，北京人，博士，教授，主要從事太赫茲光譜和成像以及紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究。E-mail：sjl-phy@mail.cnu.edu.cn