【摘 要】
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太赫兹（Terahertz,THz）频谱测量是太赫兹信号表征的基础,太赫兹成像技术在材料表征、生物医学研究、安全检查等领域具有重要应用。本文开展了不同功率、不同宏脉冲重复频率下的太赫兹源频谱测量实验,建立了点扫描式THz透射成像实验平台,为未来进一步开展太赫兹频谱测量和成像应用研究奠定了基础。首先,论文对比了两种自由电子激光太赫兹源（FEL-THz）的频谱测量方案,即时域光谱（TDS）技术和傅里叶
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太赫兹（Terahertz,THz）频谱测量是太赫兹信号表征的基础,太赫兹成像技术在材料表征、生物医学研究、安全检查等领域具有重要应用。本文开展了不同功率、不同宏脉冲重复频率下的太赫兹源频谱测量实验,建立了点扫描式THz透射成像实验平台,为未来进一步开展太赫兹频谱测量和成像应用研究奠定了基础。首先,论文对比了两种自由电子激光太赫兹源（FEL-THz）的频谱测量方案,即时域光谱（TDS）技术和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术。利用中心频率为4.29 THz的量子级联激光器（QCL）模拟调试初期未饱和输出时的FEL-THz源,开展了不同平均功率、不同宏脉冲重复频率下的基于FTIR技术的频谱测量实验,利用高速数据采集卡实时记录探测器输出信号,采用最大值、平均值两种方法准确提取信号峰峰值,对干涉图进行傅里叶变换得到频谱。与并与经过锁相放大器处理的频谱结果进行对比。结果表明,在宏脉冲重复频率为1 Hz和50 Hz时,QCL输出平均功率范围为31.5-74.9μW的情况下,频谱测量相对误差均小于7%,解决了FEL-THz源在弱输出功率、强电磁干扰环境下的频谱测量问题。此外,论文还实验研究了在同一QCL输出功率条件下不同积分时间对其频谱恢复能力的定量影响,确定了积分时间与宏脉冲重复周期之间的关系,为自由电子激光这类经宏脉冲调制后的脉冲太赫兹信号频谱测量提供了参考。其次,基于QCL源搭建了点扫描式的THz透射成像实验平台,利用Lab VIEW软件设计并实现了集成锁相放大器、步进电机控制器等器件的运动控制和数据存储程序,完成了对二维平移台的通信与控制、探测信号的接收和文件的输入输出处理,并编写了基本的MATLAB图像处理程序。该实验平台具有光路简单、成本较低、易于实现的优点,通过对回形针、树叶、牙齿等样品进行二维成像,验证了硬件系统的稳定性和控制系统的可操作性。为解决常规机械斩波器频率不稳、易受环境干扰等缺点带来的噪声问题,利用电调制技术并结合锁相放大器,提高了探测器输出信号的信噪比以及成像对比度。为解决太赫兹成像图中存在的噪声点较多、边缘模糊等问题,利用边缘检测、直方图均衡等方法,提高了系统的成像对比度。最后,基于上述研究成果提出了太赫兹频谱测量和成像应用的优化方案,例如在改变调制信号占空比条件下进行频谱测量、结合CT层析技术进行太赫兹三维成像。
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