太赫兹成像技术的应用研究

王 彪， 刘 伟， 于 淼， 杨秋临， 刘德峰， 高云端

(1.航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111； 2.状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京 101111)

太赫兹辐射(Terahertz，简称THz)通常是指频率范围在0.1～10 THz的电磁波，其波段位于毫米波与红外波段之间，处于光学和电学之间[1]。20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生与探测方法，人们几乎不了解太赫兹波段相关的知识，太赫兹技术的发展也因此十分缓慢。之后，超快飞秒激光技术快速发展，太赫兹辐射拥有了稳定的泵浦光源，太赫兹技术随之开始快速发展，世界上多个国家和地区先后展开对太赫兹技术的研究，并制定自己的发展规划。2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，多所大学和实验室开展太赫兹科学技术相关的研究工作，并对其进行了大规模的投入；2005年，日本政府将太赫兹技术列为本国未来十年10项重大关键技术之首；同年，我国政府组织召开了“香山科技会议”，拟定了我国自己的发展规划[2]。世界各地的科研学者分别从自己的研究方向开展太赫兹领域的研究。

太赫兹辐射在电磁波谱中占有很特殊的位置，既处于宏观经典电磁理论到微观量子理论的过渡区间，又处于电子学到光子学的过渡区间，因此相对于其他波段的电磁波，太赫兹辐射具有以下几种特殊的性质。

① 穿透性：太赫兹辐射对大部分电介质和非极性物质(例如，塑料、陶瓷、纸张、衣物等)具有很好的穿透能力[3]，可对此类物体和材料进行隐蔽物成像与检测，是X射线成像和超声波成像技术的有效补充。

② 能量低：太赫兹辐射的光子能量只有X射线(千电子伏特)的百万分之一[4]，不会对物体尤其是生物组织产生危害，非常适用于人体或其他生物样品的活体检查。

③ 惧水性：大多数极性分子(如水分子、氨分子等)在太赫兹波段有很强的吸收，可以测量它们的太赫兹特征谱来研究其组成成分[5-7]。一般情况下，借助太赫兹辐射研究人体组织中的水分含量，就可以区分正常组织和肿瘤组织，从而确定肿瘤的位置[8]。

除此之外，太赫兹辐射还具有指纹光谱丰富、瞬态性和相干性好及宽带大等优异的特性。由于这些特性，太赫兹辐射在安全检查[9-11]、生物检测[12-14]和无损检测[15-18]等领域具有广阔的应用前景。

目前，太赫兹辐射的应用主要集中在太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术这两方面，其中太赫兹成像技术更利于实际应用，在安全检测、生物医学和无损检测等领域有重要的应用价值和发展前景，且已经在某些领域实际投入使用。此前，张存林等[19]从不同分类的角度出发对太赫兹成像技术进行了总结，笔者则根据应用领域的不同对太赫兹成像技术进行简单的概述。

1 太赫兹成像技术

与其他波段的电磁辐射一样，太赫兹波可以被用来对物体成像，且由于太赫兹波具有高穿透性、低能性等特性，太赫兹成像相比其他波段更具优势。太赫兹成像的基本原理是利用太赫兹成像系统对被测样品的透射信号或反射信号中包含的信息(振幅信息或相位信息)进行简单数据处理及分析，进而得到样品的太赫兹图像。

1995年，Hu等[20]在原有太赫兹时域光谱系统(TDS)的基础上加入了一个放置样品的二维平移台，第一次实现了对物体的脉冲太赫兹波成像，观察到了电路芯片的内部结构和树叶的脉络结构，如图1所示。实验系统如图1(a)所示，太赫兹脉冲透射穿过样品后携带的信息会产生改变，通过数据处理就可以提取样品的电场信息。使用二维扫描平移台改变样品位置，单像素探测器接收通过样品相应位置的太赫兹信号，将所有的太赫兹信号集合在一起，最终构建样品的太赫兹图像。图1(b)展示了新鲜树叶和放置两天后的树叶的太赫兹图像，从图1(b)中可以明显看到树叶的脉络及其水分的流失情况。Hu等的研究证明了使用太赫兹辐射进行成像的可能性，开启了人们研究太赫兹成像技术的大门。

图1 脉冲太赫兹成像技术

此后，经过20多年的快速发展，太赫兹成像技术的研究越来越成熟，脉冲波太赫兹成像技术、连续波太赫兹成像技术、太赫兹层析成像技术、太赫兹近场成像技术和太赫兹全息成像技术等先后被报道。虽然成像方法多种多样，但其应用主要集中在安全检测、生物医学和无损检测这3个领域。

2 太赫兹成像技术的应用

2.1 安全检查

太赫兹辐射对大部分电介质材料和非极性物质具有很好的穿透能力，能有效探测和识别出隐藏在包裹、信件和衣服中的金属刀具、枪支和毒品等危险品，且太赫兹辐射的单光子能量低，不会对物体尤其是活体生物产生危害，因此太赫兹成像技术非常适用于安全检查领域，具有广阔的应用前景与研究价值，是X射线成像技术和超声波成像技术的有效补充。太赫兹成像技术中，对于脉冲波太赫兹成像技术和连续波太赫兹成像技术的相关研究最成熟、实用性最强。2003年，Kawase等[21]利用太赫兹成像技术成功检测和识别出隐藏在信封中的非法药物，如图2所示。通过脉冲太赫兹成像系统获得药物样品的吸收光谱，进行简单的数据处理得到其透射太赫兹图像，确定其空间分布。对日本使用最广泛的非法药物甲基苯丙胺和摇头丸，以及合法药物阿司匹林进行了成像检测，从图2(a)中可以看到，聚乙烯小袋从左至右分别装有：摇头丸、阿司匹林和甲基苯丙胺。在成像过程中将袋子放在信封内。黄线区域表示成像范围，由于三者均为白色粉末，因此很难对其进行无损检测与分辨，但是三者对太赫兹波的吸收不同，使用太赫兹成像技术可以很好地进行无损检测及分辨。如图2(b)、图2(c)所示，可以看到3种药物对不同频率的太赫兹的吸收都不同。研究证明太赫兹成像技术可以用于非法药物的无损检测，但由于需要采集的信息丰富，成像所需的时间较长。

图2 药物样品及其太赫兹图像

2005年，Karpowicz等[22]搭建了可应用于安检的小型化连续波太赫兹成像系统，利用此系统实现了对隐藏在公文包中刀具的检测，如图3所示。与前面所述的脉冲波太赫兹成像系统不同，连续波太赫兹成像系统只采集太赫兹波的强度信息，因此结构更加简单，更利于实际应用。系统中采用透镜对太赫兹波进行聚焦，然后移动样品进行扫描成像，构建样品的太赫兹图像。从成像结果可以看出，系统可以清楚地对隐藏在公文包中的刀具进行成像检测，这表明太赫兹成像技术可以对危险隐蔽物进行有效检测，非常适用于安全检测领域。

图3 隐藏在公文包中刀具的检测

国内方面，2008年，袁宏阳等[23]利用返波振荡器太赫兹源和热释电探测器搭建了透射式连续太赫兹成像系统，并对隐藏在信封内的硬币等物体进行成像，如图4所示。图4(b)为使用此系统对隐藏在信封内的曲别针、硬币等物体的成像结果，从图4(b)中可以清楚地看到这些物体的太赫兹图像。2010年，Ding等[24]搭建了2.52 THz透射扫描成像系统，如图5所示。图5(a)为透射扫描成像系统的示意图，离轴抛物面反射镜将太赫兹光束聚焦于样品表面，二维平移台控制样品移动进行逐点扫描，探测器接收透过样品的太赫兹光束，最后使用计算机构建样品完整的太赫兹图像;图5(b)为使用成像系统对金属刀片进行成像的结果。利用该系统他们对多种物体进行了穿透成像实验，并进行了遮挡物成像对比分析。之后，国内研究组分别从成像分辨率和成像速度方面对太赫兹成像系统进行了优化。

虽然以上介绍的成像系统都成功对物体进行了成像，但是由于采用透镜聚焦、逐点扫描方法进行成像，导致成像面积较小、成像速度较慢，并不利于实际应用。为了解决这一问题，研究人员提出了太赫兹雷达成像技术，2009年，Song等[25]报道了一种快速连续波太赫兹(CW-THz)成像系统，如图6所示。在原来的成像系统中引入了一个可旋转振镜，太赫兹光束经过聚乙烯透镜进行准直，通过硅片、金属反射镜到达可旋转振镜后以不同的角度反射，最后被另一个大聚乙烯透镜聚焦，进行扫描成像。与传统的太赫兹成像系统相比，在太赫兹雷达成像系统中通过控制振镜的转动频率，使聚焦之后的太赫兹光斑瞬间扫过整个样品，因此可以极大地减少图像采集时间。太赫兹雷达成像技术不仅缩短了太赫兹成像的时间，同时也使扩大成像面积成为可能，极大地推动了太赫兹成像技术的实际应用。

图4 透射式太赫兹成像系统及隐蔽物成像

图5 2.52 THz透射扫描成像系统及隐蔽物成像

图6 快速连续波太赫兹(CW-THz)成像系统

2014年以来，一些欧美公司及中国电子科技集团公司第38研究所先后研发出了太赫兹人体安检仪，并投入了实际应用，已经真正实现了太赫兹成像技术在安全检查领域的实际应用。

2.2 癌症检测

世界卫生组织的统计数据显示，全球所有死亡病例中就有1/8的人死于癌症[26]。并且全球癌症发病率一直在上升，每年有超过1200万人被确诊患上癌症，且大多数患者被确诊时已经是癌症中晚期，因此提高检测水平是癌症及时治疗的必要保证。目前，癌症的诊断主要依赖于组织病理学检查，但是病理学诊断价格昂贵，且不能够保证诊断完全准确。太赫兹成像技术因具有对水灵敏度高、对人体无害和空间分辨率高等特性，所以可以用于癌症诊断。

2006年，Fitzgerald等[27]使用太赫兹脉冲成像技术对22例切除的人体乳腺组织标本进行成像，如图7所示。其中图7(b)的虚线框表示用太赫兹成像的组织区域。将太赫兹图像上的肿瘤区域的大小和形状与组织病理学检查确定的区域进行了比较，研究了两个图像参数：太赫兹脉冲函数的最小值(Emin)和太赫兹脉冲函数的最小值与最大值之比(Emin/Emax)。研究发现，所有22个样品太赫兹图像上肿瘤区域的相关系数与显微照片上(组织病理学检查)的相关系数均大于0.82。这项研究证明了太赫兹成像技术在癌症检测和诊断领域有广阔的应用前景。

图7 人体乳腺癌组织的太赫兹成像

2014年，Oh等[28]使用反射式太赫兹成像系统对新鲜切除的全脑组织中的肿瘤与正常脑组织进行了成像检测，如图8所示。

图8 全脑图像的可见光、太赫兹和核磁共振图像

图8展示了有与没有肿瘤的新鲜全脑组织的可见光、太赫兹和核磁共振成像图像。从图8中可以清楚地看到太赫兹图像中的肿瘤边界与可见光图像中的肿瘤边界很好地对应，与核磁共振成像结果也非常吻合。实验结果表明，太赫兹成像技术可以用于无损和实时成像脑肿瘤的工具，这将有助于医生确定脑外科手术中肿瘤组织的位置，同样证明太赫兹成像技术在癌症检测和诊断领域有广阔的应用前景。

2.3 航空航天材料的无损检测

航空航天技术是20世纪兴起的现代科学技术，也是表征一个国家科学技术先进性的重要标志。高性能的航空航天材料是确保飞行器安全飞行的必要条件，因此对这些材料进行无损检测至关重要。太赫兹辐射对吸波涂层、玻璃钢、泡沫面板等航空航天材料具有良好的穿透性，且单光子能量低，不会对材料产生危害，因此太赫兹成像技术十分适合用于这些材料的无损检测。

2003年，美国“哥伦比亚号”航天飞机因外置燃料箱的泡沫隔离层脱粘导致爆炸，事故发生之后，美国纽约州伦塞勒工学院的研究人员使用太赫兹成像技术测量了一系列预先设置缺陷的泡沫材料样品(与航天飞机使用的材料相同)，他们发现使用太赫兹成像技术能对绝大多数缺陷进行检测，但X射线和超声波等传统的无损探伤测试技术却很难发现这类缺陷[29]。此后，太赫兹无损检测技术被NASA列为四大常规检测技术之一。

2005年，Karpowicz利用图3(a)和图3(b)所示系统对泡沫中的缺陷进行了检测。图9(a)为泡沫材料的照片，在泡沫中存在多处缺陷，用“X”进行标记。图9(b)展示了标记的缺陷位置，图9(c)为泡沫材料的太赫兹图像，图中的圆圈即为缺陷，可以看出成像结果与图9(b)中的“X”的位置对应得很好。

2007年，周燕等[30]利用连续波太赫兹成像系统(如图4(a)所示)成功检测了铝制泡沫面板中的人工预埋缺陷。图10为火箭燃料箱泡沫板及其太赫兹成像，图10(a)展示了内部存在4个用锡箔纸做的人工缺陷的泡沫板，图10(b)为其太赫兹图像，从图10(b)中可以清晰地看出这4个缺陷的形状、大小和位置。上述两个实验结果均表明，太赫兹成像技术在航空航天材料的无损检测领域具有广阔的应用前景与研究价值。

3 结束语

本文介绍了太赫兹辐射及其性质，太赫兹成像技术的特点、发展过程及应用领域。对相关研究进行总结，可以发现太赫兹成像技术可以对危险隐藏物进行安全检查，对癌症组织进行成像检测等；太赫兹成像技术在安全检测、生物医学和航空航天等领域有广阔的应用前景和研究价值，且部分技术已经投入了实际使用，随着技术的进一步发展，太赫兹成像技术有望能够完全投入实际应用。

图9 泡沫中缺陷的检测

图10 用太赫兹波检测燃料箱泡沫板中的缺陷

更重要的是，太赫兹成像技术可以对航空航天材料中的缺陷进行无损检测，保证航空航天飞行器的安全飞行。随着新一代航空航天武器装备的发展，越来越多的新型材料开始出现，生产过程中的质量监控对其在服役过程中的装备性能和安全性具有重要意义。为保证研制新型材料的性能，无损检测技术必不可少。但是由于新型材料的自身材料特性问题，导致常规无损检测手段对检测对象范围存在一定的局限性，太赫兹辐射对很多新型材料具有独特优势，使太赫兹成像技术在保障军工研制质量方面具有突出潜力。为提高航空航天飞行器在生产中的安全性，避免其在服役过程中造成严重事故，发展以太赫兹成像技术为基础的原位无损检测技术是必然趋势。