中仿科技社区中心

连续THz波与材料相互作用的热效应研究

吕英进  

【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: 1.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。 2.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。 3.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。 4.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。

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 概述9-14
• 1.1.1 THz 波段的主要特点9-10
• 1.1.2 THz 源和探测器的种类10-12
• 1.1.3 THz 的主要应用12-14
• 1.2 THz 生物应用安全性的研究现状14-19
• 1.2.1 THz 应用安全标准15-18
• 1.2.2 尚待解决的问题18-19
• 1.3 本文的主要内容19-20
• 第二章 静态水与连续THz 波相互作用的热效应研究20-43
• 2.1 关于有限元分析软件COMSOL Multiphysics20-22
• 2.1.1 有限元法简介20-21
• 2.1.2 COMSOL Multiphysics 简介21-22
• 2.1.3 COMSOL Multiphysics 仿真的基本步骤22
• 2.2 静态水与THz 波相互作用的热效应模型22-24
• 2.3 稳态分析24-34
• 2.3.1 边界条件24
• 2.3.2 解析计算24-28
• 2.3.3 数值模拟28-34
• 2.4 瞬态情形34-41
• 2.4.1 边界条件34-35
• 2.4.2 解析计算35
• 2.4.3 数值模拟35-41
• 2.5 实验方案设计41
• 2.6 本章小结41-43
• 第三章 生物组织与连续THz 波相互作用的热效应研究43-61
• 3.1 生物组织中的光传输理论43-45
• 3.1.1 反射与折射43
• 3.1.2 吸收43-44
• 3.1.3 散射44
• 3.1.4 浑浊介质44-45
• 3.2 生物组织与THz 相互作用的热效应模型45-59
• 3.2.1 人体皮肤模型45-52
• 3.2.2 牙齿模型52-56
• 3.2.3 皮肤癌（BBC）与正常皮肤模型56-59
• 3.3 实验方案设计59-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第四章 基于傅里叶变换远红外THz 光谱仪的光谱测量实验61-77
• 4.1 SPS-300 远红外THz 光谱仪简介61-62
• 4.2 傅里叶变换红外光谱学的基本原理62-67
• 4.2.1 多色光和连续光源的干涉62-63
• 4.2.2 分辨率63-64
• 4.2.3 数据采集64
• 4.2.4 切趾函数64-65
• 4.2.5 相位校正65-66
• 4.2.6 噪声与信噪比66-67
• 4.3 样品制备67
• 4.4 光谱测量实验67-75
• 4.5 本章小结75-77
• 参考文献77-81
• 发表论文和科研情况说明81-82
• 致谢82