太赫兹ATR成像检测生物组织水分的研究

THz辐射源波段由于与物质相互作用时包含了丰富的物理和化学信息，因此其在物理、化学、生命医药科学等基础领域以及医学成像等应用领域有着重要的科学研究价值和广阔的应用前景。特别是THz波在生物成像及医疗诊断领域的应用是国际上研究的热点。水分含量与分布检测对生物信息提取和状态诊断具有极其重要的意义。一方面，THz波对生物中的水分含量非常敏感，但另一方面，水分子对THz波段的电磁波有十分强烈的吸收，这就限制了THz波在生物水分方面的测量研究。本项目中提出利用垂直表面出射光学参量振荡THz光源（surface-emitted TPO）和衰减全反射成像技术（ATR）测量生物组织水分含量与分布，项目中拟采用动物组织样品为例。该方案具有水分测量灵敏度高、无需样品制备、成像质量好、分辨率高、实时快速的优点，可填补THz波在生物水分测量方面的空白，将会对THz生物检测和医疗诊断的发展及应用起到巨大的推动作用。

THz波由于与物质相互作用时包含了丰富的物理和化学信息，因此其在许多基础领域以及医学成像等应用领域有着重要的科学研究价值和广阔的应用前景。特别是THz波在生物成像及医疗诊断领域的应用是国际上研究的热点。水分含量与分布检测对生物信息提取和状态诊断具有极其重要的意义。尽管THz波对生物中的水分含量非常敏感，但水对THz波段的电磁波有十分强烈的吸收，这就限制了THz波在生物水分方面的测量研究。本项目利用垂直表面出射光学参量振荡THz源（surface-emitted TPO，SE-TPO）和衰减全反射成像技术（ATR）测量生物组织的水分含量与分布。在垂直晶体表面出射THz参量振荡方面，我们深入分析与研究了THz波的产生机理，理论分析与数值模拟了泵浦光斑半径、光斑模式、非线性晶体长度、谐振腔物理长度等物理因素对THz波振荡阈值与输出功率的影响；实验中搭建了高功率、宽调谐、高光束质量的垂直晶体表面出射THz参量振荡系统。在外腔泵浦情况下，实现了THz波最高单脉冲能量为854nJ的输出，结果达到国际领先水平，光斑大小为423μm×258μm，太赫兹波的调谐输出范围为0.75-2.75THz。利用自主搭建的电光调Q脉冲Nd:YAG激光器，通过优化谐振腔结构，在内腔泵浦的情况下，实现了THz波最大脉冲能量为283nJ的输出，结果达到同类型输出最高水平，这为THz波成像应用的研究奠定了基础。在ATR成像检测生物组织水分方面，我们理论分析了THz波生物组织水分测量的基本原理及样品吸收特性对水分测量结果准确性的影响，建立了THz波频率的优化选择依据。建立了生物组织与THz波相互作用的热效应模型，并进行理论分析与计算。实验中，搭建了低损耗、高分辨率的ATR扫描成像光路系统；自主开发相关的Labview控制程序，实现了THz波频率选择、扫描平台控制、样品扫描数据的同时实时快速采集，大大缩短了成像时间；采用垂直晶体表面出射THz参量振荡源和CO2泵浦的高功率连续THz源进行了不同组织水分含量与分布测量的相关实验，并采用干燥法进行准确性验证。该方法具有水分测量灵敏度高、无需样品制备、实时快速的优点，将会对THz波生物检测和医疗诊断的发展及应用起到巨大的推动作用。