连续THx波与材料相互作用的热效应研究

摘要

太赫兹(THz)技术在生物医学成像，环境监测，安全检测，反恐，通信，水分测量等方面具有很多大的应用潜力，也是目前世界上研究的热点之一。要实现THz技术的广泛应用，一方面需要高功率，高稳定性，调谐方便，操作简单，室温运转的THz辐射源，另一方面为了保障THz技术应用过程中的安全性，需要完善THz技术应用安全性的理论，制定相关的安全标准。目前，对THz技术应用安全性的研究主要是从热效应的角度入手。水分对THz波具有较强的吸收，而许多材料(比如生物组织中)都具有较高的含水量，因此在接受THz波照射过程中，由于对THz波的吸收较强，可能会引起材料内部温度的较大变化，导致其正常的物理参数和结构发生变化。
　　 本文从热效应的角度，通过理论建模，研究了连续THz波照射下材料内温度场分布的情况，主要内容和创新点如下：⑴综述了THz技术的发展情况，主要特点，辐射源和探测器的种类，以及当前THz技术应用安全性的研究现状与存在的问题，介绍了已经存在的THz辐射安全标准。⑵建立了静态水与连续THz波相互作用的瞬态热效应模型。在已经报道的模型中，仅仅研究了稳态的温度场分布，与照射时间无关，并且对THz光源采用的是平面波近似，而利用光学方法产生的THz辐射源具有良好的相干性，更适于应用到生物医学检测中，但这类光束的能量分布是高斯型的；本文中我们提出了瞬态热效应模型，THz光束采用高斯型的能量分布形式，通过有限元法分析了连续THz波照射下水中温度从开始变化到实现稳态的动态过程，给出了温度分布与照射时间之间的联系。这也为研究THz波与生物组织的相互作用打下了基础。⑶建立了生物组织与连续THz波相互作用的热效应模型。为了研究人体接受THz波照射时的情形，我们提出了连续THz波与人体皮肤相互作用的双层模型。用双层模型来代表皮肤的表皮层和真皮层的双层结构，通过选择合适的边界条件，求解生物热传导方程，对连续THz波照射下皮肤中的温度变化进行了数值模拟，并详细分析了影响温度场的因素。对THz波与其他生物组织(牙齿，皮肤癌组织)相互作用时的热效应进行了数值模拟。⑷利用傅里叶变换THz光谱仪进行光谱测量实验。我们详细分析了傅里叶变换THz光谱仪(SPS-300型)的结构，工作原理，测量方式以及分辨率，切趾函数，噪声和信噪比等参数；根据实验测量结果，我们分析了光阑孔径，分辨率，重复测量次数，切趾函数等对测得光谱信噪比的影响；利用快速扫描方式实现了对铌酸锂晶片透射谱的测量，计算了铌酸锂在远红外波段的吸收系数。