技术领域
[0001] 本
发明涉及非线性光学
频率变换及其应用，特别涉及利用太赫兹波ATR成像原理实现生物组织水分含量与分布的测量，即基于太赫兹波ATR成像生物组织水分测量装置及方法。
背景技术
[0002] 太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝1012Hz)波段是指频率从100GHz到10THz，相应的
波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间
频谱范围相当宽的
电磁波谱区域。由于该频段是宏观
电子学向微观
光子学过渡的频段，具有很多独特的性质，特别是由于很多生物大分子的振动和转动频率均落于THz波段，物质在THz波波段的发射、反射和透射
光谱中包含了丰富的物理和化学信息，并且THz波的光子
能量低(1THz的电磁波的光子能量只有约4meV)，其远远小于
X射线的能量，不会对物质产生破坏作用，因此，THz波成像技术在实时生物信息提取、生物组织活体检查、医学成像以及医学诊断等领域有着极大的应用前景与应用价值。
[0003] 在所有生物系统中，水作为生命的基质，起着独一无二极为重要的作用。水的分布及状态直接影响到生物结构的
稳定性。因此，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。但长期以来，由于实验仪器和研究方法的局限，水分含量和分布同时测量难以实现。目前，市场上的水分测量仪多是采用电量法、容量法或者物理加热的方法对生物水分含量进行测定，但不能同时获得水分分布且耗时较长。现代的诊疗手段核
磁共振成像技术(MRI)是通过直接或间接地检测生物体水分中氢核和其他元素质子在
磁场中的弛豫时间，实现水分含量的三维分布测量。但是MRI具有成像速度慢、禁忌症多、定量诊断困难、图像易受多种伪影影响、空间
分辨率低等缺点。此外，系统造价昂贵，设备复杂也是其不足之一。由于水分子的振动和转动频率均在THz波段，THz波对水分子非常敏感，在多个THz波段存在特征吸收，而与之相比，干燥生物组织对THz波的吸收很小。因此，理论上可以通过水分对THz波的吸收特性探测生物体水分含量与分布，从而识别生物特征，进而区别生物体的健康组织和病态组织。目前已有采用光学参量振荡TPO
光源透射式成像检测生物样品中的水分分布。但由于THz波被水分严重吸收，透射式测量对样品的厚度要求极为严格，只为几十微米，这就需要特殊的样品制备及水分保持方法，增加了样品的制作成本和时间成本。并且该厚度与THz波测量波长相近，容易产生干涉条纹。另外THz光源采用
硅棱镜耦合输出光学参量振荡
辐射源，THz波光斑
质量差，这就直接影响了成像的质量和分辨率，制约了其在科研领域、医学诊断等领域的实际应用。
发明内容
[0004] 为克服
现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与的分布测量装置及方法，采用该方法能放宽对生物样品的制备要求，无需样品制备，测量灵敏度高，可实现高分辨率、快速实时的生物样品水分含量和分布成像测量，测量结果与干燥法测量值相比，标准偏差小于5％，系统能够在室温下稳定运转。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于太赫兹波ATR成像生物组织水分测量装置，由可调谐THz辐射源，非球面透镜组，全反射棱镜，二维移动扫描平台，太赫兹波探测器和计算机组成；所述THz辐射源为可调谐垂直表面出射光学参量振荡THz光源SE-TPO；非球面透镜组由两个非球面透镜组成，其中间放置全反射棱镜；全反射棱镜为道威棱镜结构设计的硅棱镜，待测生物样品待测面紧贴全反射棱镜顶面放置；全反射棱镜固定于二维移动扫描平台上，二维移动扫描平台通过计算机的控制实现两个方向移动；THz辐射源输出的THz波经一个非球面透镜入射到全反射棱镜再经另一个非球面透镜、太赫兹探测器前放置聚乙烯透镜投射到太赫兹探测器，全反射棱镜上THz波入射方向与全反射棱镜底面平行，太赫兹探测器的探测结果输出到计算机。
[0006] 所述的THz光源SE-TPO的构成为，脉冲Nd:YAG 1064nm
激光器，望远镜聚焦
准直系统，可旋转1064nm全反射镜，掺
氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3或掺氧化镁铌酸锂MgO:LN晶体，斯托克斯光全反射镜构成
谐振腔，经非球面聚乙烯聚焦透镜，输出频率为0.8-2.7THz，偏振态为y方向线偏振的ns脉冲。
[0007] 所述的非球面透镜组由两个焦距相等的非球面透镜组成，其距离为其焦距的二倍。
[0008] 所述的掺氧化镁铌酸锂MgO:LN晶体掺杂浓度为5mol％，多边形对称切割，晶体底面与光轴方向分别平行于x方向和z方向，晶体切割侧面与晶体底面夹
角为115°，激光器输出的
泵浦光从近垂直于晶体侧面方向入射，THz波沿z方向垂直晶体表面出射，对晶体通光面与THz波出射面进行光学
抛光。
[0009] 所述谐振腔是平平腔，斯托克斯光全反射镜为腔镜，两个腔镜
镀1065nm-1075nm宽带高反膜，所述的全反射棱镜为道威棱镜结构设计的硅棱镜，棱镜三面剖光，两个底角均约为30°，顶角为120°，所述的可旋转1064nm全反镜镀1064nm高反膜，可旋转角度0-20°，并与计算机相连以控制旋转角度。
[0010] 一种基于太赫兹波ATR成像生物组织水分测量方法，借助于所述的基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与分布的测量装置实现，包括以下过程：采用可调谐THz辐射源：脉冲Nd:YAG 1064nm激光器发出的泵浦光通过可旋转1064nm高反镜反射入射到掺氧化镁铌酸锂MgO:LN或掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体中，当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡
阈值时，实现THz波输出；根据待测样品的吸收特性，由计算机自动控制旋转1064nm反射镜的角度，实现THz波输出频率的调谐；输出的THz波经非球面聚乙烯透镜整形，变为近平行光传播，并经过若干反射镜反射，利用非球面聚焦透镜聚焦入射到全反射硅棱镜中，入射方向与硅棱镜底面平行；THz波在硅棱镜表面发生全反射，携带样品信息的全反射会聚光波再经非球面聚焦透镜整形，变为平行光束传播；在THz波探测器之前放置聚乙烯透镜，将平行的THz波会聚至探测器以获得
信号强度信息；利用计算机通过模/数转换自动获取信号强度信息，根据Lambert-Beer定律，可计算出生物水分含量，同时，
计算机系统控制二维扫描平台实现全反射硅棱镜沿y、z方向移动，从而获得样品的实时水分含量与分布测量。
[0011] 本发明具有如下技术效果：
[0012] 本发明由于采用ATR成像技术，克服了生物样品制备复杂的缺点，避免了对样品的破坏性分析，节省了时间成本和制作成本。并且具有不存在干涉条纹、灵敏度高的优点；
[0013] 本发明由于采用了优化的可调谐太赫兹辐射源，可实现可调谐、高功率、高光束质量的太赫兹波输出，根据样品吸收特性选择THz波测量频率，可以极大地提高成像质量与成像分辨率；
[0014] 本发明由于采用了太赫兹波成像技术，可以实时、快速测量生物中水分含量与分布；
[0015] 本发明还具备体积小巧，整个系统能够在室温下运转的特点。
附图说明
[0016] 图1为基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与分布测量装置示意图。
[0017] 图2为利用全反射Si棱镜实现样品扫描示意图。
[0018] 图中：1.脉冲Nd:YAG 1064nm激光器；2.望远镜透镜系统；3.1064nm反射镜；4.1064nm可旋转全反射镜；5.斯托克斯光(Stokes)全反射镜；6.Stokes光全反射镜；
7.MgO:LN晶体；8.非球面聚乙烯透镜；9.THz波全反射镜；10.非球面聚焦透镜；11.非球面聚焦透镜；12.全反射Si棱镜；13.待测生物样品；14.二维移动扫描平台；15.太赫兹波探测器Bolometer；16.计算机控制系统。
具体实施方式
[0019] 利用THz波衰减全反射成像技术(ATR)测量生物组织水分含量与分布是通过样品表面的反射信号获得样品表层成分的结构信息，不存在干涉条纹、灵敏度高，由于不需要透过样品的信号，不仅可以增加样品厚度，而且基本不用样品制备，这样可以大大加快成像速度、提高成像效率，也避免了对样品的破坏性分析。另外采用光束质量好、高
信噪比高的可调谐垂直表面出射光学参量振荡THz光源(surface-emitted TPO，SE-TPO)，根据样品特性选择THz波测量频率，可以极大地提高成像质量与成像分辨率。该方法可望开拓THz波在生物、食品、工业、医药等相关行业水分测量应用的新的有效途径。
[0020] 基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与分布的测量装置，由可调谐THz辐射源，非球面透镜组，全反射棱镜，待测生物样品，二维移动扫描平台，太赫兹波探测器和计算机控制系统组成。所述THz辐射源为可调谐垂直表面出射光学参量振荡THz光源(SE-TPO)；非球面透镜组由两个非球面透镜组成，其中间放置全反射棱镜；全反射棱镜为道威棱镜结构设计的硅(Si)棱镜，其在太赫兹波段的折射率为3.42；待测生物样品拟采用动物组织样品，待测面紧贴Si棱镜顶面放置；Si棱镜固定于二维移动扫描平台上，通过两个方向移动实现二维水分分布测量；太赫兹探测器为Bolometer，在其前放置聚乙烯透镜；计算机控制系统通过PCI卡
数模转换同时控制THz波输出频率、扫描平台移动，并通过
模数转换获取Bolometer测得的强度信号，从而实现生物组织水分含量与分布的实时成像测量。
[0021] 所述的SE-TPO辐射源的构成为，脉冲Nd:YAG 1064nm激光器，望远镜聚焦准直系统，可旋转1064nm全反射镜，掺氧化镁铌酸锂(MgO:LiNbO3或MgO:LN)晶体，斯托克斯光(Stokes)全反射镜构成的谐振腔，非球面聚乙烯聚焦透镜。输出频率为0.8-2.7THz，偏振态为y方向线偏振的ns脉冲。
[0022] 所述的掺氧化镁铌酸锂MgO:LN晶体掺杂浓度为5mol％，多边形对称切割，晶体底面与光轴方向分别平行于x方向和z方向，晶体切割侧面与晶体底面夹角为115°，泵浦光从近垂直于晶体侧面方向入射，THz波沿z方向垂直晶体表面出射，对晶体通光面与THz波出射面进行光学抛光。
[0023] 所述的斯托克斯光谐振腔是平平腔，两个腔镜镀1065nm-1075nm宽带高反膜。
[0024] 所述的可旋转1064nm全反镜镀1064nm高反膜，可旋转角度0-20°。
[0025] 所述的全反射棱镜为道威棱镜结构设计的硅(Si)棱镜，棱镜三面剖光，两个底角均约为30°，顶角为120°，THz波入射方向与棱镜底面平行。
[0026] 所述的生物样品待测面与Si棱镜底面紧密
接触；
[0027] 所述的非球面透镜组由两个焦距相等的非球面透镜组成，其距离为其焦距的二倍。
[0028] 所述的二维移动扫描平台控制全反射棱镜沿y和z方向二维扫描。
[0029] 基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与分布测量装置使用方法，借助于
权利要求1所述的基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与分布测量装置实现，包括以下过程：采用脉冲Nd:YAG 1064nm激光器作为泵浦源，通过可旋转1064nm高反镜反射入射到MgO:LN晶体中，当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，实现THz波输出；根据待测样品的吸收特性，由计算机控制系统自动控制旋转1064nm反射镜的角度，实现THz波输出频率的调谐；输出的THz波经非球面聚乙烯透镜整形，变为近平行光传播，并经过若干反射镜反射，利用非球面聚焦透镜聚焦入射到全反射Si棱镜中，入射方向与Si棱镜底面平行；由于大多数生物样品在1-2THz的折射率小于Si的折射率，THz波在棱镜表面发生全反射，携带样品信息的全反射会聚光波再经非球面聚焦透镜整形，变为平行光束传播；在THz波探测器之前放置聚乙烯透镜，将平行的THz波会聚至探测器以获得信号强度信息。利用计算机控制系统通过模/数转换自动获取信号强度信息，根据Lambert-Beer定律，可计算出生物水分含量，同时，计算机系统控制二维扫描平台实现全反射Si棱镜沿y、z方向移动，从而获得样品的实时水分含量与分布测量。
[0030] 下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
[0031] 本发明的目的在于提供一种基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与分布的测量装置及方法，采用该装置及方法放宽了对生物样品的制备要求，无需样品制备，避免对样品的破坏性分析，不存在干涉条纹、灵敏度高，同时采用垂直表面出射太赫兹参量振荡辐射源，提高成像质量与分辨率，可实现快速、实时的生物样品水分含量和分布成像测量，系统能够在室温下稳定运转。
[0032] 本发明通过下述技术方案加以实现的，一种基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与分布的测量装置及方法，该太赫兹波ATR成像测量生物组织水分含量与分布的装置主要包括脉冲Nd:YAG 1064nm激光器1，望远镜透镜系统2，1064nm反射镜3，1064nm可旋转全反射镜4，Stokes光全反射镜5与6，MgO:LN晶体7，非球面聚乙烯透镜8，非球面聚焦透镜10与11，全反射道威Si棱镜12，待测生物样品13，二维移动扫描平台14，太赫兹波探测器Bolometer15，计算机控制系统16。垂直表面出射的参量振荡THz波辐射经透镜聚焦入射到全反射Si棱镜中，THz波在棱镜表面发生全反射，并携带样品信息，全反射光波经Bolometer探测，由计算机控制系统控制二维扫描平台实现生物水分含量与分布的实时测量。
[0033] 采用上述的THz波ATR成像实现生物水分含量与分布测量的方法，其特征包括以下过程：采用脉冲Nd:YAG 1064nm激光器泵浦特殊结构设计的MgO:LN晶体，垂直晶体表面出射光束质量好的THz波，同时可以旋转泵浦光入射MgO:LN晶体角度，实现THz波的可调谐输出；THz波经非球面透镜聚焦入射到全反射Si棱镜中，入射方向与Si棱镜底面平行；携带生物样品信息的全反射THz波经非球面透镜整形再聚焦由Bolometer探测，由于水分对THz波的吸收系数远远大于干燥生物样品在THz波段的吸收系数，根据Lambert-Beer定律，可以获得生物样品的水分含量信息；利用计算机控制系统控制二维扫描平台实现全反射Si棱镜沿y、z方向移动，并通过模/数转换自动获取信号强度信息，从而实现样品的实时水分含量与分布测量。
[0034] 下面结合附图进一步说明本发明。
[0035] 本发明的具体实施方案体现在一种如图1所示的基于ATR成像的太赫兹波生物组织水分含量与分布的测量装置中，采用该测量机理克服了生物样品制备复杂的缺点，无需样品制备，避免了对样品的破坏性分析，不存在干涉条纹、灵敏度高，同时采用垂直表面出射、调谐范围为0.8-2.7THz的太赫兹参量振荡辐射源，提高成像分辨率与成像质量，可实现快速实时的生物样品水分含量和分布成像测量，测量结果与干燥法测量值相比，标准偏差小于5％，系统能够在室温下稳定运转。
[0036] 本发明的具体技术方案如下：泵浦源采用脉冲Nd:YAG 1064nm激光器；Stokes光谐振腔镜为平镜，镀1065nm-1075nm宽带高反膜；泵浦光反射镜镀1064nm高反膜，可旋转0-20°；参量振荡晶体采用MgO:LiNbO3晶体，其掺杂浓度为5mol％，多边形对称切割，晶体底面与光轴方向分别平行于x方向和z方向，晶体切割侧面与晶体底面夹角为115°，泵浦光从近垂直于晶体侧面方向入射，THz波沿z方向垂直晶体表面出射，对晶体通光面与THz波出射面进行光学抛光；全反射棱镜采用道威棱镜结构设计的Si棱镜，三面剖光，硅棱镜两个底角均近似为30°，顶角为120°；二维移动扫描平台用于全反射棱镜的固定，实现y和z方向的移动；生物样品待测面与Si棱镜底面紧密接触；两个焦距相等的非球面聚焦透镜等距离放置于全反射棱镜两侧，其距离为聚焦透镜的焦距；接收探测器为灵敏度高的Bolometer，并在其前放置聚乙烯聚焦透镜；计算机控制系统用于读取Bolometer信号并控制二维扫描平台移动和泵浦光反射镜的角度旋转，实现扫描测量。
[0037] 在THz波段，水对THz波的吸收系数远远大于干燥生物组织对THz波的吸收系数，因此，太赫兹波通过新鲜生物组织引起的损耗主要来源于水分吸收，基于该特性，可以根据Lambert-Beer定律测量生物体水分含量。考虑到大多数生物样品在1-2THz波段的折射率小于2.2，当THz波从全反射Si棱镜(nsi≈3.42)入射生物组织，满足入射角大于临界角时发生全反射，同时THz波在生物组织的界面上产生一个瞬逝波，瞬逝波在透入样品一定深度后，折回射入全反射晶体中，因此，太赫兹波ATR成像可以反映出光线经过的那部分样品的水分特征，具有无须样品制备、无干涉条纹、灵敏度高的优点。采用道威结构设计的Si棱镜，不仅可以保证入射和出射光线的方向平行，便于光线的收集测量，而且光线在晶体中的传输距离与扫描样品面积大小只与光线入射角度有关(如图2)，全反射Si棱镜沿y、z方向移动，可以实现样品的y、x平面扫描成像。采用垂直表面出射的高光束质量的THz波以及在后续光路中采用非球面透镜对光线进行聚焦，可以保证成像质量。
[0038] 本发明的优点在于，利用ArR成像原理及垂直表面出射光学参量振荡太赫兹辐射源，克服了生物样品制备复杂的缺点，基本不用样品制备，避免了对样品的破坏性分析，不存在干涉条纹、灵敏度高，成像质量好，实现了快速、实时的生物组织水分含量与分布测量，整个系统能够在室温下运转，体积小，可广泛应用于生物、医疗诊断、食品、医药及工业等领域。
