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太赫兹波三维成像技术研究进展

中国光学 2019年第1期12卷 1-18页

作者：王与烨陈霖宇徐德刚石嘉冯华姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072 陆军军医大学第一附属医院神经外科重庆400038

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现... 详细信息

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术,包括其基本原理和对应的研究进展,并分析了存在的问题和发展趋势。

关键词：太赫兹波三维成像计算机辅助层析光学相干层析飞行时间层析

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太赫兹波在烟气环境中传输特性研究

安全与环境学报 2022年第4期22卷 1936-1942页

作者：张单屈敬朝欧阳银涛李森宋寅卯中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063 中南大学防灾科学安全技术研究所长沙410075

火场环境成像技术已成为火灾探测的重要技术之一,现有的成像检测设备在低能见度火场环境下受烟气的影响较大。采用离散偶极子近似法和离散纵标法进行模拟计算,研究烟气环境下波长为31.25~55.55μm的太赫兹波的传输特性,并与0.9μm的红... 详细信息

火场环境成像技术已成为火灾探测的重要技术之一,现有的成像检测设备在低能见度火场环境下受烟气的影响较大。采用离散偶极子近似法和离散纵标法进行模拟计算,研究烟气环境下波长为31.25~55.55μm的太赫兹波的传输特性,并与0.9μm的红外波进行比较。结果表明:太赫兹波的衰减主要由烟颗粒对太赫兹波的吸收造成;太赫兹波的透射量随烟颗粒群粒径增大而减小,随单位体积烟粒子数增加而减小,随太赫兹波波长增大而增大;太赫兹波在传输过程中的透射量明显高于红外波。

关键词：安全工程太赫兹波火灾烟气环境数值模拟传输特性

太赫兹波斜入射高温磁化等离子体的解析法研究

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西北师范大学学报（自然科学版） 2022年第1期58卷 44-50页

作者：石玉仁万晓欢赵月星张娟樊小贝西北师范大学物理与电子工程学院/甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验甘肃兰州730070

采用解析法研究了太赫兹波斜入射到高温磁化等离子体中的传输特性,结果与Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)法及散射矩阵法所得一致,左旋极化(LCP)波比右旋极化(RCP)波穿透性更强,但在低频段RCP波的透射比LCP波更为复杂.系统研究了外加磁... 详细信息

采用解析法研究了太赫兹波斜入射到高温磁化等离子体中的传输特性,结果与Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)法及散射矩阵法所得一致,左旋极化(LCP)波比右旋极化(RCP)波穿透性更强,但在低频段RCP波的透射比LCP波更为复杂.系统研究了外加磁场、电子温度、电子密度、碰撞频率、入射角、等离子体厚度等物理量对传输特性的影响,发现外加磁场和电子温度对透射的影响较为复杂,选取适当的物理参数值对于太赫兹波在等离子体中的透射更为有利.理论结果在一定程度上对解决“黑障”问题和提高通信质量有积极作用.

关键词：太赫兹波斜入射解析法高温磁化等离子体

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基于柔性超构材料宽带调控太赫兹波的偏振态

物理学报 2022年第18期71卷 337-347页

作者：陈乐迪范仁浩刘雨唐贡惠马中丽彭茹雯王牧南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室南京210093

基于柔性超构材料从理论和实验两方面研究其对太赫兹波偏振态的宽带调控.首先以空间对称性破缺的L型金属-介质-金属结构为基本单元,构造出太赫兹手性超构材料.当太赫兹波与其相互作用时会产生一系列电偶极子,其时间响应可通过改变复合... 详细信息

基于柔性超构材料从理论和实验两方面研究其对太赫兹波偏振态的宽带调控.首先以空间对称性破缺的L型金属-介质-金属结构为基本单元,构造出太赫兹手性超构材料.当太赫兹波与其相互作用时会产生一系列电偶极子,其时间响应可通过改变复合结构的几何参量来有效地调控,进而实现太赫兹波从线偏振态到圆偏振态的宽带高效转换.理论分析表明该手性超构材料中电偶极子的辐射随着入射角变化基本保持不变,从而利用该太赫兹手性超构材料可以构造能产生圆偏振态的柔性太赫兹波片,基于等效电路模型给出了该柔性太赫兹波片在弯曲情况下的工作原理.实验上,以柔性聚合物为介质层,利用光刻等微加工技术制备出基于该超构材料的柔性太赫兹波片,结果表明当线偏振太赫兹波入射到样品时,该样品能够在0.46—0.62 THz宽带范围内实现由线偏振态到圆偏振态的高效转换,同时在弯曲程度不同的情况下出射波均能保持稳定的圆偏振态.这种基于柔性超构材料来宽带调控太赫兹波偏振态的方案将有望应用于6G通信、分子探测等领域.

关键词：超构材料宽带圆偏振态太赫兹波柔性

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太赫兹波被动遥感冰云研究现状及进展

地球科学进展 2020年第12期35卷 1211-1221页

作者：刘磊翁陈思李书磊胡帅叶进窦芳丽商建国防科技大学气象海洋学院湖南长沙410073 电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室江苏南京211101 61287部队四川成都610036 国家卫星气象中心北京100081

太赫兹波(频率0.1~10 THz,波长3 mm^30μm)位于微波与红外波段之间,其波长与典型冰云粒子尺度处于同一量级,是理论上遥感冰云微物理参数的最佳波段,利用该波段进行冰云探测已成为重要的前沿领域和研究热点。首先,概述了太赫兹波被动遥... 详细信息

太赫兹波(频率0.1~10 THz,波长3 mm^30μm)位于微波与红外波段之间,其波长与典型冰云粒子尺度处于同一量级,是理论上遥感冰云微物理参数的最佳波段,利用该波段进行冰云探测已成为重要的前沿领域和研究热点。首先,概述了太赫兹波被动遥感冰云微物理参数的基本原理;然后,从太赫兹波冰云探测仪器、太赫兹波段大气辐射传输模拟器和太赫兹波被动遥感冰云的反演方法等3个方面详细介绍了太赫兹波被动遥感冰云的关键技术,尤其是对已有太赫兹波辐射计的关键参数、太赫兹辐射传输模拟器的特点和不同反演方法的优缺点进行了探讨分析;最后,对太赫兹波被动遥感冰云技术进行了总结和展望,以期能为今后太赫兹波被动遥感冰云相关研究提供参考依据。

关键词：太赫兹波冰云反演被动遥感

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太赫兹波输能窗研究

太赫兹波输能窗研究

作者：张雨欣电子科技大学

学位级别：硕士

随着太赫兹技术的发展与应用，行波管等电真空器件的合理应用可以很好地解决大功率太赫兹源缺乏的问题。作为电真空器件的关键组成部分之一，输能窗能够透过射频信号，且在不影响内外信号传输的情况下，隔离真空和大气。当工作频率提升... 详细信息

随着太赫兹技术的发展与应用，行波管等电真空器件的合理应用可以很好地解决大功率太赫兹源缺乏的问题。作为电真空器件的关键组成部分之一，输能窗能够透过射频信号，且在不影响内外信号传输的情况下，隔离真空和大气。当工作频率提升至太赫兹波段时，对输能窗的传输性能和零件加工装配都会有更为严苛的要求。因而，如何设计并实现宽带低损的太赫兹输能窗是研究太赫兹电真空器件的重要课题。　　本文中主要针对 150GHz 和 220GHz 两个工作频率下的氧化铍输能窗和蓝宝石输能窗以及 150GHz 工作频率下的金刚石输能窗进行了仿真设计优化。使用HFSS仿真设计软件建立物理模型，并对其理论尺寸参数进行了优化，最终得到了满足工作频率下反射系数S11＜-20dB、驻波比VSWR＜1.2、通带宽度为20GHz设计要求的结果。参照仿真优化尺寸，通过零件加工和装配，最终完成了150GHz氧化铍半波长窗、220GHz氧化铍整波长窗、150GHz蓝宝石窗的制作，其测试结果均与之相对应的仿真结果基本相符。

关键词：电真空器件太赫兹波输能窗仿真设计

临近空间飞行器等离子体鞘套的太赫兹波穿透特性

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国防科技大学学报 2022年第1期44卷 55-62页

作者：陈锴徐德刚李吉宁钟凯姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072

临近空间高超声速飞行器再入过程中会产生等离子体鞘套,干扰电磁波对飞行器的探测。针对这一问题,对典型临近空间飞行器模型进行建模,模拟其再入过程中不同飞行工况下的流场分布。基于流场分布对等离子体参数分布进行建模,利用散射矩阵... 详细信息

临近空间高超声速飞行器再入过程中会产生等离子体鞘套,干扰电磁波对飞行器的探测。针对这一问题,对典型临近空间飞行器模型进行建模,模拟其再入过程中不同飞行工况下的流场分布。基于流场分布对等离子体参数分布进行建模,利用散射矩阵方法从理论上对太赫兹波在等离子体鞘套中的传输特性进行计算。计算结果表明高频太赫兹波能够有效穿透等离子体鞘套。在实验室环境下进行太赫兹主动成像实验,实验结果显示等离子体对于太赫兹主动成像结果几乎无影响。仿真和实验结果初步证明了太赫兹技术用于高超声速飞行器探测的潜力,这对于国防安全具有重要意义。

关键词：太赫兹波等离子体传输特性主动成像

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太赫兹波与生物组织相互作用研究

太赫兹波与生物组织相互作用研究

作者：韩智超西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,太赫兹波因其非电离、宽频带、高信噪比等特性为生物医学的研究带来一种全新、无标记、非侵入的检测方法。随着太赫兹源的发展,尤其是能量高达m J量级的太赫兹脉冲产生,人们对生物组织在太赫兹波段的研究不再局限于非热效应。同... 详细信息

近年来,太赫兹波因其非电离、宽频带、高信噪比等特性为生物医学的研究带来一种全新、无标记、非侵入的检测方法。随着太赫兹源的发展,尤其是能量高达m J量级的太赫兹脉冲产生,人们对生物组织在太赫兹波段的研究不再局限于非热效应。同时在皮肤癌等疾病诊断中,金标准为组织病理学检测。组织病理学检测作为一种有创检测,在诊断过程中可能会因肿瘤边界不清造成过度手术、误切或无法全切等后果导致治疗失效。因此,结合皮肤组织和基底细胞癌(BCC)的物理特性及其在太赫兹波段的光学特性,实现对皮肤癌的无损诊断具有重要应用价值。在此背景下展开研究,本文主要工作内容如下:分析生物组织在太赫兹波段的吸收和散射特性。从Lambert-Beer定律出发,给出组织中的光分布和热沉积,介绍经典生物组织传热方程(Pennes方程)及生物组织热学参数,着重分析了超声信号在生物组织中的传播特性。在平面波传播形式下对光声波动方程进行求解。最后利用双德拜模型和H-N关系分析了生物组织在太赫兹波段介电特性,从理论角度为太赫兹波与生物组织的光热响应及光声效应分析提供模型依据。利用有限元方法求解Pennes传热方程,分析血栓、全血、血浆、皮肤及含BCC皮肤组织的太赫兹辐射热效应,同时分析不同太赫兹源参数对生物组织热效应的影响。对于皮肤组织来说,能量很高的脉冲太赫兹波在皮肤中的穿透深度仍难以深入真皮层。根据基底细胞癌在基底层树状生长规律,研究发现含有BCC的患病皮肤和正常皮肤的热效应有显著区别,含有BCC的皮肤组织受太赫兹波辐照温度变化更为敏感。对不同BCC生长时期分析得出,可以利用太赫兹波温度响应检测BCC的生长变化,随着BCC在皮肤组织中扩散增长,利用热效应来对不同BCC生长时期的区分就越明显。根据组织类型,对离体组织(血栓、全血、血浆)和在体组织(正常皮肤、含有BCC皮肤组织)进行太赫兹波光声效应研究。通过建立血栓模型,分析了太赫兹波不同能量、聚焦半径、脉冲持续时间、频率和辐照形式对光声信号产生的影响。根据不同组织类型,从探测接收角度进行光声信号分析。实现了利用太赫兹波光声效应对血栓,全血和血浆、正常皮肤组织和含有BCC皮肤组织、含不同BCC生长时期皮肤组织的三种对照模型下光声信号的差异及成分分析,并给出了合理性验证。揭示了利用太赫兹光声效应实现无损检测和成像手段的潜在应用价值。

关键词：太赫兹波生物组织德拜模型光声效应光声信号

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太赫兹波在火场烟气环境中的传播特性研究

太赫兹波在火场烟气环境中的传播特性研究

作者：屈敬朝郑州轻工业大学

学位级别：硕士

火场环境成像技术已成为火灾探测的重要技术之一,现有的成像检测设备在低能见度火场环境下受烟气影响较大,导致火场环境中成像困难。而太赫兹波是位于红外与微波波段之间的电磁波,兼顾透过率与分辨力,若将太赫兹波技术应用于火场环境检... 详细信息

火场环境成像技术已成为火灾探测的重要技术之一,现有的成像检测设备在低能见度火场环境下受烟气影响较大,导致火场环境中成像困难。而太赫兹波是位于红外与微波波段之间的电磁波,兼顾透过率与分辨力,若将太赫兹波技术应用于火场环境检测中,将拥有优异的检测特性。但太赫兹波会受到火场烟气环境的影响,因此,本文研究太赫兹波在火场烟气环境中的传播特性,为太赫兹波技术应用于火场环境检测提供理论依据。主要研究内容如下:（1）基于烟颗粒独特的分形凝聚体结构分析了烟颗粒的光学性质,以火场烟气环境的光学特性为基础研究太赫兹波的传播机理,通过辐射传输方程分析了太赫兹波在烟气环境中传播变化过程。采用两种数值模拟方法,以离散偶极子近似法模拟求解烟颗粒对太赫兹波的衰减特性,以离散纵标法模拟求解烟气环境中太赫兹波的传播特性。（2）以烟颗粒粒径和太赫兹入射波长为变量,基于烟颗粒独特的分形凝聚体结构,通过理论分析和数值模拟,研究太赫兹波在烟气环境中的衰减规律和传播特性。模拟分析了不同烟颗粒结构参数、粒径分布、烟气浓度下太赫兹波的传播衰减规律,以辐射传输方程为理论模型,分析了不同工况条件下太赫兹波的传播特性,结果表明,太赫兹波在普遍的火场烟气环境中的透过率在80%以上。（3）综合考虑火场烟气环境对太赫兹波传播影响因素,设计了不同的烟气实验环境进行太赫兹波传播特性实验研究,在光学平台上搭建小尺寸实验箱模拟均匀的烟气环境,搭建烟气走廊模拟非均匀流场烟气环境。以不同的实验燃料和烟气浓度为控制量,考虑了不同的采样点高度、燃烧时间以及火焰和温度的影响,开展了太赫兹波传播特性实验研究,分析了不同工况下太赫兹波传播变化规律,验证了数值模拟结果。

关键词：太赫兹波火场烟气环境辐射传输传播特性