基于太赫茲量子級聯(lián)激光器的實時成像研究進展

譚智勇，萬文堅，黎 華，曹俊誠

（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，中國科學院太赫茲固態(tài)技術重點實驗室，上海200050）

基于太赫茲量子級聯(lián)激光器的實時成像研究進展

譚智勇，萬文堅，黎 華，曹俊誠*

（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，中國科學院太赫茲固態(tài)技術重點實驗室，上海200050）

太赫茲（THz）實時成像是THz技術中頗具潛力的一個領域，具有成像速度快、成像分辨率高等特點，基于THz量子級聯(lián)激光器（QCL）的實時成像系統(tǒng)是其中最重要的一種，系統(tǒng)體積小、重量輕、成像信噪比高等特點使其在實際應用中具有獨特的優(yōu)勢。本文主要介紹了THz QCL器件及其實時成像系統(tǒng)的研究進展，采用超半球高阻硅透鏡改善了THz QCL的輸出激光，實現(xiàn)了準高斯光束輸出，搭建了基于二維擺鏡消干涉技術的THz實時成像系統(tǒng)，單幀成像光斑面積45 mm×30 mm，實現(xiàn)了對刀片、藥片的實時成像演示，成像分辨率優(yōu)于0.5 mm；最后對成像系統(tǒng)激光源、成像光路和探測端的改進以及成像效果的改善方面進行了綜述，并探討了THz實時成像系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢及其在材料分析和生物醫(yī)學成像方面的應用前景。

太赫茲；實時成像；量子級聯(lián)激光器；焦平面陣列

1 引 言

太赫茲（THz）輻射通常指頻率介于0.1～10 THz（對應波長30μm～3 mm）的電磁波，其研究范疇屬于紅外光子學與微波電子學交叉領域，也稱為宏觀電子學向微觀光子學過渡的區(qū)域。THz成像技術是THz技術［1］中頗具潛力的一個方向，基于THz輻射的特點，如輻射能量低、對非極性和非金屬材料透過率高、能量尺度對應于有機和無機材料中振動能級以及大分子結構中的轉-振能級等［2］，THz成像應用于上述物質(zhì)時，具有比紅外和可見光更好的穿透特性以及比微波毫米波更好的分辨率，這一特點使其在生物醫(yī)學、安全控制、工業(yè)監(jiān)測、無損檢測分析等［1-4］領域具有廣闊的應用前景。

近年來，隨著THz輻射源和探測技術［5-8］的發(fā)展，THz成像技術的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段并獲得不斷改進，從基于THz時域光譜（TDS）系統(tǒng)的成像［9-10］到基于各種輻射源的快速掃描成像［11-14］，再到基于焦平面陣列探測的實時成像［15-16］，成像系統(tǒng)的性能得到很大提升，系統(tǒng)的應用水平也不斷提高，尤其是THz實時成像系統(tǒng)的出現(xiàn)和完善［7-8］，將THz成像的速度和精度提高到可實際應用的水平，有望在材料分析、生物醫(yī)學成像等領域獲得重要應用。

本文主要講述了THz量子級聯(lián)激光器（quantum-cascade laser，QCL）及其實時成像系統(tǒng)的研究進展，著重對成像系統(tǒng)激光源、成像光路和探測端的改進以及成像效果的改善方面進行了綜述，并進一步展望了THz實時成像未來的發(fā)展趨勢及其在材料分析和生物醫(yī)學成像方面的應用前景。

2 THz量子級聯(lián)激光器

THz QCL是1～5 THz頻段輻射源中非常重要的一種緊湊型激光源，具有體積小、易集成、壽命長、功率高、能量轉換效率高等特點。2002年，THz QCL首次由意大利和英國的科學家合作研制成功，當時器件采用啁啾超晶格結構，只能脈沖激射，最大輸出功率約2.3 mW［17］，隨后人們通過對激光器有源區(qū)結構的改進，實現(xiàn)了器件的連續(xù)激射，最大輸出功率0.41 mW［18］。QCL的工作原理如圖1所示，器件中的增益介質(zhì)是由幾百層交替生長的半導體薄層材料（通常是GaAs和Al-GaAs，采用分子束外延方法生長）組成，在這種增益介質(zhì)中電子被限制在分立的子能級中。這些薄層形成周期性的模塊，當施加外部電場時，電子通過級聯(lián)的方式從一個周期到達另一個周期，每一步躍遷輻射出一個低能量的光子（見圖1），多個周期輻射出的光子通過級聯(lián)的方式匯集到一起，在器件脊條形成的腔體中增益后輸出。同樣的光子能量也不是取決于材料的帶隙，而是通過控制半導體薄層的厚度在很寬范圍的值里選擇［2］。

圖1 THz量子級聯(lián)激光器工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of terahertz quantum-cascade laser

THz QCL的成功研制開啟了人們對半導體量子級聯(lián)THz器件的研究熱潮。通過各國研究人員的努力，THz QCL在輸出功率、工作溫度、工作頻率范圍等方面均得到了很大的提高［5］。截至目前，器件激射頻率可覆蓋1.2～5.2 THz范圍［19-20］，在連續(xù)波工作模式下，最高激射溫度為129 K［21］，最大輸出功率為230 mW［22］；脈沖工作模式下，最高激射溫度近200 K［23］（見圖2），最大峰值輸出功率達1.56 W［24］。這一點使其成為THz實時成像系統(tǒng)的首選。器件最近被證明存在亞kHz的量子噪聲限線寬［25］，并且也出現(xiàn)了潛在的可調(diào)諧性［26］，有望在多頻點THz實時成像方面獲得應用。就器件而言，THz QCLs在成像能力方面，其輻射功率可超過光學泵浦源和熱輻射源好幾個數(shù)量級；并且其在緊湊型成像系統(tǒng)的潛在發(fā)展能力也使我們不再依賴龐大而昂貴的超快激光源［27-29］或氣體激光器［15］。上述吸引人的特性不僅僅促使人們對基于THz QCL的實時成像系統(tǒng)產(chǎn)生極大的研究興趣，還為進一步改進THz成像技術提供了巨大潛力。

圖2 不同時期THz QCL的最高工作溫度Fig.2 Maximum operating temperature of THz QCL in different years

3 基于THz QCL的實時成像研究進展

THz實時成像以陣列探測器為基礎，配以合適的激光光源，當陣列探測器工作在一定幀率的情況下，相鄰兩幀圖像在眼睛看來是連續(xù)出現(xiàn)時，我們稱之為實時成像（Real-time imaging），當成像幀率達到25 Hz甚至更高時，我們稱之為視頻成像（Video rate imaging）。THz實時成像具有成像速度快和分辨率高等特點，是THz成像應用中頗具潛力的一種成像手段，未來在材料分析、物質(zhì)反應分析和生物醫(yī)學成像分析等方面具有重要應用前景。

3.1紅外焦平面陣列探測

早期THz實時成像系統(tǒng)采用二氧化碳氣體激光器為激光源［15，30］，由于氣體激光器輸出光束質(zhì)量好，在成像效果上主要受限于陣列探測器的水平。不過氣體激光器體積龐大，設備昂貴，使得成像系統(tǒng)一直停留在實驗室演示的層面，難以獲得實際應用。

圖3 紙質(zhì)信封中鉛筆字可見光照片（a）及其在封閉信封內(nèi)THz透射（b）和反射（c）成像效果對比和大拇指指紋的可見光照片（d）和THz反射成像（e）效果對比［15］Fig.3 Pencil letterswritten on inside of paper security envelope at visible frequencies.（a）Terahertz transmissionmode，（b）one frame，and（c）terahertz reflection mode.（d）Visible frequency thumb print and（e）terahertz reflection mode image of thumb［15］

THz QCL的出現(xiàn)給了THz實時成像系統(tǒng)實用化的希望。基于THz QCL和陣列探測器進行實時成像的系統(tǒng)由美國MIT的Lee等人［16］首次提出并獲得驗證，該系統(tǒng)成像頻點為4.3 THz，所用器件輸出的峰值功率約50 mW，實現(xiàn)了對信封內(nèi)鉛筆字和人體大拇指指紋的成像演示，成像分辨率約0.5 mm（見圖3）。上述成像演示開啟了以THz QCL為主動光源的陣列探測成像以及實時成像研究。隨后，Lee等人［31］采用一個可連續(xù)波工作、最大連續(xù)波輸出功率達38 mW的4.9 THz QCL作為成像光源，將系統(tǒng)的成像距離提高到25.8m，實現(xiàn)了對干種莢的實時成像，成像分辨率0.75 mm（見圖4）。上述成像系統(tǒng)的共同點除了采用THz QCL做成像光源外，都采用紅外焦平面陣列作為成像信號接收端，由于這種陣列探測器的峰值探測波長為8～14μm，其在THz頻段的響應較弱，成像系統(tǒng)對激光源的輸出功率有很高要求，所采用的QCLs必須工作于體積較大的大冷量制冷機裝置中。

圖4 干鐘莢的可見光（a）照片和THz實時成像結果（b）［31］Fig.4 Visible photo（a）and THz image（b）of a dried seed pod（down）［31］

3．2 THz陣列探測（THz Camera）

為了進一步提高陣列探測器在THz頻段的響應率和靈敏度，2008年日本NEC公司的Oda等人［7］在原有紅外焦平面陣列探測器基礎上對器件的峰值響應波長進行優(yōu)化，最終獲得了常溫下低達40 pW＠3.1 THz的單像素等效噪聲功率（Noise Equivalent Power，NEP），在配置了改進的陣列探測器后，成像系統(tǒng)光源的平均輸出功率降低至1 mW水平也可以獲得相同質(zhì)量的圖像。因此，成像系統(tǒng)探測端靈敏度的提高，極大地降低了系統(tǒng)對光源輸出功率的要求，使THz QCL冷卻裝置的小型化成為了可能。除了NEC公司之外，加拿大的INO公司開發(fā)出像元素為384 pixel× 288 pixel的THz照相機，最佳NEP達70 pW＠2.5 THz，并采用二氧化碳泵浦的THz氣體激光器作為成像光源，實現(xiàn)了對刀片、軟盤等樣品的視頻成像，幀率達30 Hz［32］。

圖5 經(jīng)過反射鏡后返回的THz光、紅外光和可見光成像光斑對比圖［33］Fig.5 Comparison of the returning light through the reflectingmirror at terahertz，longwave infrared and visible frequencies（a）without black smoke，（b）with black smoke［33］

相比之下，NEC公司開發(fā)的成像軟件要明顯優(yōu)于INO公司，前者的成像效果也更好。但目前NEC公司30 Hz幀率的紅外及THz陣列探測器和照相機對中國均執(zhí)行禁運，且相機軟件開發(fā)包（Software Development Kit，SDK）不對外開放，使得這款相機僅僅是一種實驗工具，無法集成在自主開發(fā)的成像系統(tǒng)中，加拿大的INO公司目前既開放SDK，其30 Hz幀率的相機也不對中國禁運，是集成在自主開發(fā)成像系統(tǒng)中的一種折中選擇。當然，國內(nèi)在這種基于氧化釩的紅外焦平面陣列探測器開發(fā)方面，已有不少公司在生產(chǎn)并關注到THz頻段的應用，希望國產(chǎn)THz相機能盡快實現(xiàn)成像應用，彌補NEC公司不開放條款帶來的系統(tǒng)開發(fā)限制。

為了驗證THz QCL輸出激光對現(xiàn)場煙塵的穿透特性，日本NICT的Hosako等人［33］將改進版的探測端用于實時成像系統(tǒng)，并將成像系統(tǒng)應用于火災現(xiàn)場。研究表明，透過煙塵THz陣列探測器可以很明顯的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過反射鏡后返回的THz激光（見圖5），工作距離可達5 m。而與之對比的長波紅外光波段，因煙塵的溫度高于周圍環(huán)境，煙塵的輻射已經(jīng)將紅外探測陣列飽和，使其無法區(qū)分信號和噪聲；在可見光波段，光信號直接被煙塵遮擋，無法探測到信號。這套系統(tǒng)中激光源的冷卻裝置采用的是液氮杜瓦，極大地減小了激光源裝置的體積和重量，適合于現(xiàn)場火災中的成像應用。研究人員表示，通過改進系統(tǒng)的性能，有望在未來用這套系統(tǒng)透過煙塵發(fā)現(xiàn)火災中的被困人員。同年，NEC公司推出基于改進型紅外焦平面陣列的THz照相機（THz Camera），其主要工作頻率為1～7 THz，專門針對THz QCL激射頻率范圍而優(yōu)化，使得基于THz QCL的實時成像系統(tǒng)具有更好的應用優(yōu)勢。

圖6 頭發(fā)絲（a）和微管中乙醇和水（b）的THz顯微實時成像結果［8］Fig.6 Real-time THz microscope imaging of human hair（a）and ethanol and water（b）［8］

顯微成像是成像系統(tǒng)中的一個重要功能，2012年Oda等人［8］采用小型斯特林制冷機作為激光源的冷卻裝置，搭建了一套THz顯微成像裝置，最小顯微成像光斑直徑3.7 mm，實現(xiàn)了對頭發(fā)絲、微管中乙醇和水等物質(zhì)的實時顯微成像（見圖6），成像分辨率達0.07 mm。通過優(yōu)化系統(tǒng)性能，采用類似的裝置，實現(xiàn)了對植物血凝素（lectin）和糖原（glycogen）反應產(chǎn)物的實時成像［34］。研究表明，在無標記生物分子反應產(chǎn)物的探測方面，基于小型斯特林制冷機和THz照相機的成像系統(tǒng)是一種很好的分析工具。

3.3二維擺鏡消干涉技術

THz QCL在實時成像系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，尤其是在小型化系統(tǒng)的開發(fā)過程中，通過優(yōu)化探測端性能可以很好地降低系統(tǒng)對激光器的功率需求，為激光源的小型化奠定了堅實的基礎。然而，THz QCL輸出激光有一個特點，因其輸出激光波長比激光器端面的二維尺寸要大很多，輸出激光呈現(xiàn)出環(huán)狀和發(fā)散特性，尤其是雙面金屬波導結構的器件［35］，如圖7所示，是一個單面金屬波導THz QCL的輸出激光經(jīng)一個小型離軸拋物面鏡收集后，激光束的二維分布圖。在上述顯微成像系統(tǒng)［34］中就使用了光闌將光束中多余的環(huán)狀部分進行濾除，只保留了中心較為均勻的部分。

圖7 單面金屬波導THz QCL輸出激光經(jīng)過離軸拋物面鏡后的二維分布圖Fig.7 Beam pattern of the terahertz light emitting from a single facet metal waveguide with an off-axis parabolicm irror

對于干涉問題的解決，除了對激光器脊條進行工藝改進，比如采用三階（third-order）分布式光柵結構［36］或者端面刻蝕技術［37］等微觀方法外，宏觀的方法就是采用一組二維擺鏡，將成像光束在x、y兩個維度上進行擺動，使得THz探測陣列上接收到的信號在時間上來看是均勻分布的，從而實現(xiàn)了消除激光本身干涉和分布不均的問題，再輔以空間濾波技術和信號處理技術，實現(xiàn)成像質(zhì)量的有效提高。為此，Oda等人［38］采用這種方法搭建了一套基于二維擺鏡消干涉技術的實時成像系統(tǒng)，有效地消除了成像光斑中的干涉條紋（見圖8）。

圖8 未采用（a）和采用（b）二維擺鏡消干涉部件后對頭發(fā)絲、金屬絲樣品的實時成像［38］Fig.8 Real-time imaging of human hair and metalwire without（a）and with（b）two dimensional wobblingmirrors［38］

危險品檢測一直是THz領域的研究人員致力于開發(fā)的應用，我們采用自主研制的THz QCL，采用D=4 mm的超半球高阻硅透鏡實現(xiàn)了準高斯激光束的輸出，有效提高了激光束的質(zhì)量（見圖9），開發(fā)出小型化的THz激光源裝置，工作頻率4.3 THz，重量小于18 kg，即插即用，有效輸出功率大于4 mW＠50 K（見圖10），激光器供電為20 kHz重復頻率、2.5μs脈寬（對應占空比為5%）的脈沖電流驅(qū)動。采用該小型化激光源搭建了THz實時成像系統(tǒng)，單幀最大成像范圍達45 mm×30 mm（見圖11），實現(xiàn)了對刀片和藥片的實時成像，成像分辨率優(yōu)于0.5 mm，各樣品的尺寸如圖11所示。大成像范圍光斑的實現(xiàn)，為縮短對特定面積樣品的成像時間，實現(xiàn)對危險品的快速成像奠定了基礎。

圖9 經(jīng)過超半球高阻硅透鏡耦合輸出后的準高斯束二維能量分布圖Fig.9 Two dimensional energy distribution of quasi-Gaussian THz light beam collimated by a hyper-hemispherical high-resistivity silicon lens

圖10 基于小型斯特林制冷機的THz QCL光源裝置（插圖）及其輸出功率曲線Fig.10 Stirling cooler based THz QCL light source apparatus（inset）and its light power curve with the drive current

圖11 刀片和不同大小藥片的THz實時圖像Fig.11 THz real-time images of blade and tablets with different sizes

4 成像系統(tǒng)的改進

隨著THz QCL器件性能的不斷提高，基于THz QCL的實時成像系統(tǒng)將獲得更大地改進，包括體積、重量、成像信號信噪比以及成像效果。不過要實現(xiàn)上述改善，我們認為至少需要在激光源、成像光路和信號探測端做如下改進：

（1）激光源方面，目前最好的THz QCL，在不考慮制冷機本身功耗的情況下，其電光能量轉換效率只有2%不到，大部分的水平在1%以下。在室溫工作的THz QCL（不包括差頻產(chǎn)生方式）獲得驗證并實用化之前，激光器的冷卻裝置仍然是成像系統(tǒng)設計過程中必須加以綜合考慮的部分。高工作溫度（大于77 K）和高的能量轉換效率（大于1%）是實用化THz QCL必須具備的條件。盡管小型斯特林制冷機在現(xiàn)有成像系統(tǒng)中具有體積較小、重量較輕以及耐用性好等特點，但斯特林制冷機工作時的振動以及其自身冷卻過程中產(chǎn)生的干擾（主要是風冷系統(tǒng)），在對環(huán)境敏感的成像系統(tǒng)中難以獲得大范圍應用，而水冷系統(tǒng)需要額外增加體積和重量，也不利于系統(tǒng)的優(yōu)化。為此，提高器件的能量轉換效率，改進器件的制冷方式，采用更小型的制冷機是未來的發(fā)展趨勢，比如可手持式的制冷機等。其次，激光束的改善也需要在現(xiàn)有基礎上進一步提高穩(wěn)定性和可靠性，目前通常采用的是膠粘高阻硅透鏡，這種方法盡管在精準的貼片機輔助封裝下可以實現(xiàn)良好的光束輸出，但其在實用化過程中遇到振動等環(huán)境性實驗時，易出現(xiàn)脫落和損壞等，必須采用更可靠的方式來實現(xiàn)硅透鏡對THz激光的耦合輸出，比如位置可調(diào)、精細設計的透鏡夾具等。第三，為了實現(xiàn)多頻點的成像，還需要對激光器的激射頻率進行優(yōu)化，針對不同物質(zhì)采用環(huán)境吸收小的頻點來提高成像激光的穿透性能，獲得更優(yōu)的成像信噪比。

（2）光路優(yōu)化方面，目前大部分系統(tǒng)針對的是透射成像，對反射成像的優(yōu)化涉及較少，需要針對成像目標物進一步改進成像方式，拓寬系統(tǒng)的成像功能，并針對不同成像光斑范圍，采用不同型號的二維擺鏡。

（3）探測端方面，除了提高陣列的探測靈敏度之外，利用THz QCL激光頻譜純度高的特點，開發(fā)新型單頻點或窄頻點探測器陣列，在降低成像信號噪聲的同時實現(xiàn)成像信噪比的大幅提高。

5 結束語

本文主要針對基于THz QCL的實時成像技術，綜述了THz QCL及其成像系統(tǒng)的研究進展，采用二維擺鏡消干涉光學部件搭建了單幀成像范圍45 mm×30 mm的實時成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了對刀片、藥片等樣品的實時成像演示，分辨率優(yōu)于0.5 mm。重點分析了成像光源需要改善的幾個方面，并對成像系統(tǒng)光路的改進和探測端性能的提高進行了討論。從系統(tǒng)的角度來看，基于THz QCL的實時成像系統(tǒng)已具備可應用的潛力，但還需要進一步縮小系統(tǒng)體積，優(yōu)化成像光路和成像光束質(zhì)量。考慮到THz QCL輸出的激光頻率范圍主要覆蓋1.5～5 THz，該頻段成像分辨率相對較高，且成像光源輸出功率大，發(fā)展基于THz QCL的顯微實時成像技術是未來的重要發(fā)展方向。通過探索其在材料分析、生物醫(yī)學成像等方面的應用，以期在例如癌細胞切除手術、相變材料分析、半導體材料載流子分析中獲得應用。

［1］ TONOUCHIM.Cutting-edge terahertz technology［J］.Nat．Photon.，2007，1：97-105.

［2］ DEAN P，VALAVANISA，KEELEY J，et al..Terahertz imaging using quantum cascade lasers-a review of systems and applications［J］.J．Physics D：Applied Physics，2014，47：374008.

［3］ WALLACE V P，MACPHERSON E，ZEITLER JA，et al..Three-dimensional imaging of optically opaquematerials using nonionizing terahertz radiation［J］.J．Opt．Soc．Am．A，2008，25：3120-3133.

［4］ 蔡禾，郭雪嬌，和挺，等.太赫茲技術及其應用研究進展［J］.中國光學，2010，15（3）：209-222. CAIH，GUO X J，HE T，et al..Terahertzwave and its new applications［J］.Chinese Optics，2010，15（3）：209-222.（in Chinese）

［5］ KUMAR S.Recent progress in terahertz quantum cascade lasers［J］.IEEE J．Sel．Top．Quantum Electron.，2011，17（1）：38-47.

［6］ 葉全意，楊春.光子學太赫茲源研究進展［J］.中國光學，2012，5（1）：1-11. YE Q Y，YANGCH.Recent progress in THz sources based on photonicsmethods［J］.Chinese Optics，2012，5（1）：1-11.（in Chinese）

［7］ ODA N，YONEYAMA H，SASAKIT，et al..Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser，using vanadium oxidemicrobolometer focal plane arrays［J］.SPIE，2008，6940：69402Y.

［8］ ODA N，ISHIT，MORIMOTO T，et al..Real-time transmission-type terahertzmicroscope with palm size terahertz camera and compact quantum cascade laser［J］.SPIE，2012，8496：84960Q.

［9］ CHANW L，DIEBEL JANDMITTLEMAN DM.Imagingwith terahertz radiation［J］.Rep．Prog．Phys.，2007，70：1325-1379.

［10］ HU B B，NUSSM C.Imaging with terahertz waves［J］.Opt．Lett.，1995，20：1716-1718.

［11］ DARMO J，TAMOSIUNASV，F(xiàn)ASCHING G，et al..Imaging with a terahertz quantum cascade laser［J］.Opt．Express，2004，12：1879-1884.

［12］ KIM SM，HATAMIF，HARRIS JS，et al..Biomedical terahertz imaging with a quantum cascade laser［J］.Appl．Phys．Lett．，2006，88：153903.

［13］ 李琦，胡佳琦，楊永發(fā).太赫茲Gabor同軸數(shù)字全息二維再現(xiàn)像復原［J］.光學精密工程，2014，22（8）：2188-2195. LIQ，HU JQ，YANG Y F.2D reconstructed-image restoration of terahertz Gabor in-line digital holography［J］.Opt．Precision Eng.，2014，22（8）：2188-2195.（in Chinese）

［14］ ROTHBARTN，RICHTER H，WIENOLD M，et al..Fast 2-D and 3-D terahertz imaging with a quantum-cascade laser and a scanningmirror［J］.IEEE Trans．THz Sci．Technol．，2013，3：617-624.

［15］ LEE A W M，HU Q.Real-time，continuous-wave terahertz imaging by use of amicrobolometer focal-plane array［J］. Opt．Lett．，2005，30（19）：2563-2565.

［16］ LEE AW M，WILLIAMSB S，KUMAR S，etal..Real-time imaging using a 4.3-THz quantum cascade laser and a 320× 240 microbolometer focal-plane array［J］.IEEE Photon．Technol．Lett.，2006，18（13）：1415-1417.

［17］ K HLER R，TREDICUCCI A，BELTRAM F，et al..Terahertz semiconductor-heterostructure laser［J］.Nature，2002，417：156-159.

［18］ AJILIL，SCALARIG，HOFSTETTER D，et al..Continuous-wave operation of far-infrared quantum cascade lasers［J］. Electron．Lett.，2002，38（25）：1675-1676.

［19］ SCALARIG，WALTHER C，F(xiàn)ISCHER M，et al..THz and sub-THz quantum cascade lasers laser［J］.Photon．Rev.，2008，3：45-66.

［20］ CHAN CW I，HU Q，RENO JL.Ground state terahertz quantum cascade lasers［J］.Appl．Phys．Lett.，2012，101：151108.

［21］ WIENOLDM，R BEN B，SCHROTTKE L，etal..High-temperature，continuous-wave operation of terahertz quantum-cascade laserswithmetal-metalwaveguides and third-order distributed feedback［J］.Opt．Express，2014，22：3334-3348.

［22］ WANG X，SHEN C，JIANG T，et al..High-power terahertz quantum cascade lasers with～0.23 W in continuous wave mode［J］.AIP Advances，2016，6：075210.

［23］ FATHOLOLOUMIS，DUPONT E，CHAN CW I，etal..Terahertz quantum cascade lasers operating up to200 K with optimized oscillator strength and improved injection tunneling［J］.Opt．Express，2012，20：3866-3876.

［24］ LILH，ZHU JX，CHEN L，et al..The MBE growth and optimization of high performance terahertz frequency quantum cascade lasers［J］.Opt．Express，2015，23（3）：2720-2729.

［25］ VITIELLO M S，CONSOLINO L，BARTALINIS，et al..Quantum-limited frequency fluctuations in a terahertz laser［J］. Nat．Photon.，2012，6：525-528.

［26］ VITIELLOM S，TREDICUCCIA.Tunable emission in THz quantum cascade lasers［J］.IEEE Trans．THz Sci．Technol.，2011，1：76-84.

［27］ BR NDERMANN E，HAVENITH M，SCALARIG，et al..Turn-key compact high temperature terahertz quantum cascade lasers：imaging and room temperature detection［J］.Opt．Express，2006，14：1829-1841.

［28］ RICHTER H，GREINER-BR M，PAVLOV SG，et al..A compact，continuous-wave terahertz source based on a quantum-cascade laser and aminiature cryocooler［J］.Opt．Express，2010，18：10177-10187.

［29］ AMANTIM I，SCALARIG，BECK M，et al..Stand-alone system for high-resolution，real-time terahertz imaging［J］. Opt．Express，2012，20：2772-2778.

［30］ 姚睿，丁勝暉，李琦，等.2.52 THz面陣透射成像系統(tǒng)改進及分辨率分析［J］.中國激光，2011，38（1）：0111001. YAO R，DING SH J，LIQ，et al..Improvement of 2.52 THz array transmission imaging system and resolution analysis［J］.Chinese J．Lasers，2011，38（1）：0111001.（in Chinese）

［31］ LEE A W M，QIN Q，KUMAR S，et al..Real-time terahertz imaging over a standoff distance（＞25 meters）［J］.Appl．Phys．Lett.，2006，89：141125.

［32］ BERGERON A，TERROUX M，MARCHESE L，et al..Components，concepts，and technologies for useful video rate THz imaging［J］.SPIE，2012，8544：85440C.

［33］ HOSAKO I，SEKINE N，ODA N，et al..A real-time terahertz imaging system consisting of terahertz quantum cascade laser and uncooled microbolometer array detector［J］.SPIE，2011，8023：80230A.

［34］ ODA N，LEE AW M，ISHIA T，et al..Proposal for real-time terahertz imaging system，with palm-size Terahertz camera and compact quantum cascade laser［J］.SPIE，2012，8363：83630A.

［35］ ADAM A JL，KA ALYNAS I，HOVENIER JN，etal..Beam patterns of terahertz quantum cascade laserswith subwavelength cavity dimensions［J］.Appl．Phys．Lett.，2006，88：151105.

［36］ AMANTIM I，F(xiàn)ISCHER M，SCALARIG，et al..Low divergence single-mode terahertz quantum cascade laser［J］.Nat．Photon．，2009，3：586-590.

［37］ YU N，WANG Q J，KATSM A，et al..Designer spoof surface plasmon structures collimate terahertz laser beams［J］. Nat．Mater.，2010，9：730-735.

［38］ ODA N，ISHIT，KURASHINA S，et al..Palm-size and real-time terahertz imager，and its application to development of terahertz sources［J］.SPIE，2013，8716：871603.

Progress in real-time imaging based on terahertz quantum-cascade lasers

TAN Zhi-yong，WANWen-jian，LIHua，CAO Jun-cheng*
（Key Laboratory of Terahertz Solid-State Technology，Shanghai Institute ofMicrosystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai200050，China）*Corresponding author，E-mail：jccao＠m(xù)ail．sim．a(chǎn)c．cn

Terahertz（THz）real-time imaging is a promising field in most of THz technologies.It has lots of features such as fast imaging，high-resolution imaging，etc.The imaging system based on THz quantum-cascade laser（QCL）is one of themost important THz imaging techologies.This type of imaging system has a unique advantage in applicationswith the features of smallsize，lightweight，and high SNR.In this paper，the research progress of THz QCL and the related real-time imaging system aremainly presented.A hyper-hemi-spherical high-resistivity silicon lens is used to improve the beam quality of THz QCL.Then a quasi-Gaussian light beam is acquired in imaging system.A THz real-time imaging system is constructed by employing a two dimensional wobblingmirror to eliminate the interference of the THz light.A beam spot size of 45 mm×30 mm for single frame imaging is obtained.The real-time imaging for blade and tablets is demonstrated with a resolution better than 0.5 mm.Finally，the improvements of the source，optics，and detector array of the system and the imaging effectare summarized.The application prospect inmaterial analysis and bio-medical imaging aswell as the future trends of the real-time imaging system are discussed.

Terahertz；real-time imaging；quantum cascade laser；focal plane array

O434.3；O432.1+2；O436.2

：A

10.3788／CO.20171001.0068

譚智勇（1982—），男，湖南宜章人，博士，副研究員，碩士生導師，2010年于中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所獲得博士學位，主要從事太赫茲材料光譜及量子器件測試與應用方面的研究。E-mail：zytan＠m(xù)ail.sim.ac.cn

曹俊誠（1967—），男，江西萬年人，博士，研究員，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，中科院“百人計劃”、新世紀百千萬人才工程國家級人選，上海市優(yōu)秀學科帶頭人計劃入選者，上海市自然科學牡丹獎獲得者，主要從事THz物理、器件及通信與成像應用方面的研究。E-mail：jccao＠m(xù)ail.sim.ac.cn

2095-1531（2017）01-0068-09

2016-09-19；

2016-10-12

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（No.2014CB339803）；國家自然科學基金資助項目（No.

61131006，No.61321492，No.61575214，No.61405233）；國家重大科學儀器設備開發(fā)專項資助項目（No. 2011YQ150021）；中國科學院“百人計劃”；中科院創(chuàng)新團隊國際合作伙伴計劃：“高遷移率材料工程”創(chuàng)新團隊項目以及上海市科學技術委員會（No.14530711300，No.15DZ0500103）

Supported by National Program on Key Basic Research Projects of China（No.2014CB339803）；National Natural Science Foundation of China（No.61131006，No.61321492，No.61575214，No.61405233）；Major National Development Projectof Scientific Instrument and Equipment（No.2011YQ150021）；Hundred Talent Program of the China Academy Sciences；International Collaboration and Innovation Program on High Mobility Materials Engineering of the Chinese Academy of Sciences，and the ShanghaiMunicipal Commission of Scienceand Technology（No.14530711300，No.15DZ0500103）