太赫茲數(shù)字全息術(shù)的研究進(jìn)展

石 敬，王新柯，鄭顯華，賀敬文，王 森，謝振威，崔 燁，葉佳聲，孫文峰，馮勝飛，韓 鵬，張 巖

（首都師范大學(xué)物理系，北京100048）

太赫茲數(shù)字全息術(shù)的研究進(jìn)展

石 敬，王新柯*，鄭顯華，賀敬文，王 森，謝振威，崔 燁，葉佳聲，孫文峰，馮勝飛，韓 鵬，張 巖

（首都師范大學(xué)物理系，北京100048）

隨著太赫茲成像技術(shù)的不斷成熟，其空間分辨率和系統(tǒng)信噪比逐漸提高，成像速度逐漸加快，光學(xué)信息獲取能力逐漸變強(qiáng)，人們對(duì)太赫茲成像在基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)也逐漸深入。本文綜述了近年來(lái)科研人員利用太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)進(jìn)行的部分研究工作，包括對(duì)平板太赫茲元件的性能表征、對(duì)光控太赫茲元件的功能驗(yàn)證、對(duì)衍射太赫茲場(chǎng)中的縱向分量進(jìn)行觀測(cè)、以及對(duì)金屬亞波長(zhǎng)器件的太赫茲表面波進(jìn)行分析。這些工作的完成對(duì)于太赫茲集成系統(tǒng)的研究和太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用都具有積極的推動(dòng)作用。

太赫茲；數(shù)字全息；光控元件；表面波

1 引 言

太赫茲波（簡(jiǎn)稱(chēng)THz，1 THz=1012Hz）是指頻率在0.1～10 THz范圍內(nèi)的遠(yuǎn)紅外電磁輻射，由于其具有高透射、寬光譜、低光子能量、與極性物質(zhì)反應(yīng)劇烈等諸多特性，使得太赫茲技術(shù)在基礎(chǔ)研究和工業(yè)開(kāi)發(fā)方面存在著巨大的應(yīng)用潛力。伴隨著飛秒激光技術(shù)、電子技術(shù)和半導(dǎo)體材料的相關(guān)研究不斷發(fā)展，高強(qiáng)度太赫茲源、高靈敏度太赫茲探測(cè)器、以及太赫茲波段的功能器件相繼問(wèn)世，使得太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)日趨成熟，實(shí)用性逐漸提高。由于太赫茲技術(shù)具有測(cè)量精度高、光致?lián)p傷小、光譜信息豐富等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為人們所熟知的重要光學(xué)測(cè)量手段。

作為太赫茲技術(shù)重要組成部分之一，太赫茲成像技術(shù)最早是在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。早期的太赫茲成像系統(tǒng)將太赫茲輻射聚焦于樣品表面，并不斷移動(dòng)樣品位置，測(cè)量從樣品透射或反射的太赫茲信號(hào)組成二維光學(xué)信息。1995年，B.B.Hu等人利用透射式太赫茲逐點(diǎn)掃描成像技術(shù)對(duì)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和樹(shù)葉含水量進(jìn)行了觀測(cè)［1］，1997年，D.M.Mittleman等人利用反射式太赫茲掃描成像技術(shù)對(duì)磁盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了層析測(cè)量［2］，從此太赫茲成像技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展［3-5］。由于傳統(tǒng)的太赫茲成像采用逐點(diǎn)掃描的測(cè)量方式，存在采樣率低、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，限制了太赫茲成像的應(yīng)用發(fā)展。1996年，Q.Wu等人提出了利用擴(kuò)展太赫茲光源對(duì)物體進(jìn)行面陣測(cè)量的方式，很大程度上縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間并提高了成像精度［6］，由于此技術(shù)采用CCD攝像頭提取太赫茲二維場(chǎng)信息，通常稱(chēng)此技術(shù)為太赫茲數(shù)字全息術(shù)。太赫茲數(shù)字全息術(shù)的提出對(duì)于太赫茲成像的發(fā)展具有重要意義，多個(gè)國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)都對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和應(yīng)用研究［7-9］。2003年，T.Feurer等人利用此技術(shù)觀測(cè)了LiTaO3晶體中聲子的傳播與干涉過(guò)程［10］。2006年，H.Zhong等人利用反射太赫茲數(shù)字全息術(shù)對(duì)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了成像測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了五種物質(zhì)的成分識(shí)別［11］。2008年，T.Yasui等人通過(guò)改進(jìn)線掃描太赫茲數(shù)字全息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了每秒鐘23 200像素的成像速率［12］。2011年，F(xiàn).Blanchard等人利用20μm厚的LiNbO3作為探測(cè)晶體，實(shí)現(xiàn)了分辨率可以達(dá)到14μm的太赫茲面陣成像［13］。目前，隨著太赫茲成像系統(tǒng)的逐漸成熟，實(shí)用性不斷增強(qiáng)，適用范圍更加廣闊，已經(jīng)呈現(xiàn)了明顯的市場(chǎng)需求和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2007年，本科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)始從事關(guān)于太赫茲數(shù)字全息技術(shù)的研發(fā)，至今已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了國(guó)內(nèi)唯一一套具有高分辨率、高信噪比和偏振測(cè)量功能的太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲場(chǎng)波前信息的全部獲取，包括振幅、相位、偏振和頻域光譜等。本文綜述了近年來(lái)本團(tuán)隊(duì)在太赫茲數(shù)字全息技術(shù)方面的部分研究成果，包括利用太赫茲成像系統(tǒng)對(duì)太赫茲波段平板元件衍射性能進(jìn)行表征、對(duì)光控太赫茲元件進(jìn)行功能驗(yàn)證、對(duì)自由空間太赫茲衍射場(chǎng)中的縱向偏振分量進(jìn)行重建、以及對(duì)金屬等離子體器件的太赫茲表面波傳輸過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)，本文也對(duì)太赫茲數(shù)字全息技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了評(píng)論和展望。

2 太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)

圖1展示了由本團(tuán)隊(duì)搭建的太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用鈦寶石飛秒激光放大器作為光源，激光脈沖中心波長(zhǎng)為800 nm，重復(fù)頻率為1 kHz，脈寬為100 fs，輸出功率為900 mW，光斑直徑約為8 mm。激光被分為890 mW的泵浦光和10 mW的探測(cè)光，分別用于產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲脈沖。泵浦光首先通過(guò)凹透鏡（L1）擴(kuò)束并照射到＜110＞ZnTe晶體上，在ZnTe晶體內(nèi)通過(guò)光整流效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲輻射。利用金屬拋物面反射鏡（PM）對(duì)太赫茲光束進(jìn)行準(zhǔn)直，其直徑約為30 mm。擴(kuò)束的太赫茲波透射過(guò)樣品，攜帶樣品信息后照射探測(cè)晶體＜110＞ZnTe進(jìn)行相干成像測(cè)量。探測(cè)光通過(guò)二分之一波片（HWP）和偏振片（P）來(lái)調(diào)節(jié)其偏振態(tài)，利用50／50的非偏振分束器（BS）將探測(cè)光反射到探測(cè)晶體上。在探測(cè)晶體內(nèi)，太赫茲電場(chǎng)會(huì)調(diào)制探測(cè)晶體的折射率橢球，進(jìn)而改變探測(cè)光的偏振態(tài)，由此將太赫茲電場(chǎng)的波前復(fù)振幅信息加載到探測(cè)光上。攜帶太赫茲信息的探測(cè)光由晶體的左側(cè)表面反射，利用系統(tǒng)的成像模塊對(duì)太赫茲信息進(jìn)行提取。探測(cè)光的圖像由透鏡組（L2和L3）投影到CCD攝像頭上，并利用四分之一波片（QWP）和渥拉斯頓棱鏡（PBS）將探測(cè)光分解為水平和豎直偏振分量，CCD與機(jī)械斬波器（Chopper）進(jìn)行同步控制，利用動(dòng)態(tài)相減技術(shù)［7］和差分探測(cè)技術(shù)［14］對(duì)太赫茲圖像進(jìn)行提取。由于探測(cè)晶體的尺寸限制，系統(tǒng)的成像尺寸約為直徑10 mm的圓斑區(qū)域，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲光束與探測(cè)光束的光程差，可以對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的太赫茲圖像進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)對(duì)每個(gè)象素上的太赫茲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，可以準(zhǔn)確地得到不同頻率成分的太赫茲復(fù)振幅分布。

圖1 太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)Fig.1 Terahertz（THz）digital holographic imaging system

本成像系統(tǒng)的特點(diǎn)在于：（1）可以一次性的采集太赫茲時(shí)域電場(chǎng)二維分布［15］，具有較高的空間采樣率，系統(tǒng)像素?cái)?shù)目為300 pixel×300 pixel，單個(gè)pixel尺寸為32μm；（2）通過(guò)引入了準(zhǔn)近場(chǎng)探測(cè)技術(shù)，可以使樣品緊貼探測(cè)晶體放置，減小了太赫茲光波的衍射影響，達(dá)到100μm的空間分辨率［15］；（3）通過(guò)將差分探測(cè)技術(shù)引入太赫茲成像系統(tǒng)，可以有效地提高成像系統(tǒng)的信噪比，單個(gè)像素的信噪比可以達(dá)到20 dB［14］；（4）通過(guò)調(diào)整探測(cè)光的偏振態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)不同太赫茲偏振分量的測(cè)量，更全面地獲取光學(xué)信息［16］。利用此系統(tǒng)的諸多特性，本團(tuán)隊(duì)完成了一系列涉及不同太赫茲研究領(lǐng)域的成像工作，從多方面驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性。

3 太赫茲數(shù)字全息術(shù)的應(yīng)用

3.1太赫茲平板元件的性能表征

當(dāng)前，超材料（Meta-material）器件的研究已經(jīng)成為了現(xiàn)代光學(xué)發(fā)展的重要分支之一，利用微納尺度金屬結(jié)構(gòu)單元組成的人工材料可以對(duì)電磁波實(shí)現(xiàn)多種特殊的衍射特性，例如超常透射、負(fù)折射率、選擇性濾波等功能［17-19］。自2011年，哈佛大學(xué)的Capasso教授團(tuán)隊(duì)首次提出了超表面（Meta-surface）的概念，利用微納金屬結(jié)構(gòu)的二次電磁輻射來(lái)對(duì)透射電磁場(chǎng)進(jìn)行振幅相位調(diào)控，為超材料家族的發(fā)展提供了新的動(dòng)力［20］。目前已經(jīng)有很多國(guó)內(nèi)外的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)超表面器件進(jìn)行研究，波段從微波一直覆蓋到可見(jiàn)光［21-23］。2013年，本團(tuán)隊(duì)首次將超表面理念引入到太赫茲波段，設(shè)計(jì)了若干以V型天線、棒型天線為結(jié)構(gòu)單元的超表面太赫茲器件，并利用太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)對(duì)其衍射性能進(jìn)行了驗(yàn)證［24］。圖2展示了利用V型天線結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的太赫茲渦旋相位板以及測(cè)試結(jié)果［25］。此結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的中心頻率為0.75 THz，如圖2（a）所示，通過(guò)改變V型天線的開(kāi)口角度θ及天線單臂長(zhǎng)度h可對(duì)透射的正交極化太赫茲分量進(jìn)行不同程度的相位調(diào)制，同時(shí)保持振幅不變。圖2（b）展示了所設(shè)計(jì)的8個(gè)天線單元，前4個(gè)天線的θ取值為130°、120°、100°、60°，h取值為78μm、82μm、90μm、150μm，后4個(gè)天線為其鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，相鄰天線單元對(duì)太赫茲場(chǎng)的相位調(diào)制相差π／4。圖2（c）為利用所設(shè)計(jì)的天線單元組成的太赫茲渦旋相位板（VPP），天線結(jié)構(gòu)加工在100 nm厚的金膜上，樣品基底為500μm的高阻硅片，天線結(jié)構(gòu)隨著方位角相應(yīng)變化，而在徑向方向上保持不變。將相位板放入太赫茲成像系統(tǒng)進(jìn)行表征，圖2（d）展示了拓?fù)浜蓴?shù)l=1的透射太赫茲渦旋光束振幅分布，圖像呈現(xiàn)中空的分布特點(diǎn)，這是由于太赫茲光場(chǎng)中心部位存在相位奇點(diǎn)，光場(chǎng)相干相消導(dǎo)致中心強(qiáng)度為零。圖2（e）展示了相應(yīng)太赫茲光場(chǎng)相位分布，可以看出其呈現(xiàn)了所預(yù)設(shè)的渦旋變化，隨著方位角的增大，相位從-π到π線性增加。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此天線結(jié)構(gòu)的實(shí)用性，本團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)了拓?fù)浜蓴?shù)l=2和l=3的渦旋相位板，圖2（f）和（g）展示了所測(cè)量的透射太赫茲光場(chǎng)相位分布，可以看出相位變化分別為4π和6π，都達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。為了研究渦旋光束在遠(yuǎn)場(chǎng)的衍射特性，利用一個(gè)硅透鏡將太赫茲渦旋光束聚焦，并在焦點(diǎn)附近對(duì)其進(jìn)行Z掃描測(cè)量，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2（h）所示。圖2（i）展示了在距離焦點(diǎn)位置-10 mm、0 mm、10 mm處的太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度分布，匯聚的太赫茲波由于中心位置的相位奇點(diǎn)呈現(xiàn)出了典型的面包圈形狀，太赫茲焦點(diǎn)光環(huán)的半徑大約為1.1 mm。圖2（j）展示了在相應(yīng)位置上太赫茲電場(chǎng)的相位分布，可以看出在衍射過(guò)程中其相位呈現(xiàn)出螺旋變化，且隨著傳播距離的增大呈現(xiàn)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，同時(shí)在通過(guò)焦點(diǎn)后，相位的旋進(jìn)方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)。為了描述這些變化，利用Laguerre-Gaussian模型進(jìn)行了模擬，理論結(jié)果如圖2（k）所示，可以看出其完全重現(xiàn)了所測(cè)量得到的現(xiàn)象。本工作的完成對(duì)于太赫茲特殊光束的研究、太赫茲信息傳輸以及太赫茲平板光學(xué)元件的研發(fā)都具有積極的參考價(jià)值。

圖2 太赫茲渦旋相位板及成像結(jié)果。（a）V型天線結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)圖；（b）8種不同參數(shù)V型天線，相鄰天線的相位調(diào)制相差π／4；（c）太赫茲渦旋相位板樣品圖；（d）拓?fù)浜蓴?shù)l=1的太赫茲渦旋光束振幅分布；（e）相應(yīng)太赫茲場(chǎng)相位分布；（f）和（g）為拓?fù)浜蓴?shù)l=2和l=3的太赫茲場(chǎng)相位分布；（h）測(cè)量太赫茲渦旋光束聚焦過(guò)程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；（i）和（j）為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的距離焦點(diǎn)位置-10 mm、0 mm、10 mm處太赫茲光束振幅和相位分布；（k）為利用Laguerre-Gaussian模型所模擬的太赫茲場(chǎng)相位分布Fig.2 THz vortex phase plate and imaging results.（a）Schematics of a V-shaped antenna phase modulation unit.（b）Eight kinds of V-shaped antenna structures corresponding to phase shiftswith aπ／4 interval.（c）Photography of the designed vortex phase plate.（d）Measured amplitude distribution of the generated THz vortex beam with l=1.（e）Corresponding phase distribution.（f）and（g）are themeasured phase distributions of the THz vortex fields with l=2 and l=3.（h）Experimental setup for observing the focusing process of the THz vortex beam.（i）and（j）are the amplitude and phasemaps of themeasured THz vortex beam with Z=-10 mm，0mm，and 10 mm.（k）The simulated phase distributions by using the Laguerre-Gaussianmodule

偏振是電磁波的基本自由度之一，在無(wú)線通信、3D顯示、波譜分析等諸多領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。然而，在目前的光學(xué)技術(shù)中，直接分辨光波的偏振態(tài)，并進(jìn)一步操縱具有不同偏振態(tài)的光子仍然存在一定的難度。2015年，本團(tuán)隊(duì)在之前工作的基礎(chǔ)上，利用棒形天線設(shè)計(jì)了對(duì)不同偏振入射光具有空間分離聚焦和成像功能的太赫茲平板透鏡［26］。圖3（a）展示了器件的實(shí)物圖及結(jié)構(gòu)單元，天線的長(zhǎng)寬分別為150μm和50μm，天線的傾角φ（x，y）決定著對(duì)出射電磁波的相位調(diào)制程度。當(dāng)左旋圓偏振（LCP）或右旋圓偏振（RCP）光入射器件時(shí)，天線結(jié)構(gòu)會(huì)激發(fā)正交極化光場(chǎng)，并在出射光波上加載Pancharatnam-Berry相移Φ（x，y）=±2φ（x，y），進(jìn)而對(duì)太赫茲光子的波矢位移產(chǎn)生調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同偏振入射光的空間分離，其中±由入射光和出射光的偏振態(tài)決定。圖3（b）展示了此平板透鏡的功能示意圖，當(dāng)入射LCP光時(shí)，透鏡會(huì)激發(fā)RCP光并聚焦到焦平面的左側(cè)；當(dāng)入射RCP光時(shí)，透鏡會(huì)激發(fā)LCP光并聚焦到焦平面的右側(cè)。實(shí)驗(yàn)中，透鏡的焦距被設(shè)定為4 mm，LCP和RCP光的焦點(diǎn)分離距離為2.2 mm，透鏡的中心頻率為0.75 THz。將樣品放入太赫茲成像系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，圖3（c）～3（e）展示了在焦平面處0.75 THz分量的強(qiáng)度分布圖，圖中箭頭對(duì)應(yīng)著入射太赫茲波的偏振方向，分別為RCP、LCP和水平線偏振。可以看出，對(duì)于RCP太赫茲入射場(chǎng)，其焦斑向右側(cè)偏移；對(duì)于LCP太赫茲入射場(chǎng)，其焦斑向左側(cè)偏移；對(duì)于線偏振太赫茲入射場(chǎng)，由于其可以看作LCP和RCP太赫茲分量的線性疊加，因此在焦平面上出現(xiàn)兩個(gè)焦點(diǎn)，兩焦點(diǎn)偏離量為2.2 mm。圖3（f）～3（h）展示了相應(yīng)的太赫茲出射光束在X-Z平面上的聚焦過(guò)程，同樣呈現(xiàn)了與圖3（c）～（3e）一致的特點(diǎn)。此透鏡的偏振選擇性成像功能也被驗(yàn)證，成像測(cè)試樣品為3個(gè)鏤空金屬字母圖案“C”、“N”、“U”，每個(gè)圖案的尺寸為4×5 mm2，如圖3（i）所示。圖3（j）～3（l）展示了成像結(jié)果，成像放大率為0.5，可以看出RCP入射場(chǎng)得到的圖像在右側(cè)，LCP入射場(chǎng)得到的圖像在左側(cè)，水平線偏振光可以得到兩個(gè)圖像，與聚焦過(guò)程呈現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。本工作提出并實(shí)現(xiàn)了一種對(duì)于太赫茲光子可以偏振選擇性操控的超表面器件，完成了對(duì)不同光子偏振態(tài)的信息傳遞與處理，同時(shí)該設(shè)計(jì)原理也可以推廣于其他波段，對(duì)于推動(dòng)偏振光學(xué)的發(fā)展具有積極意義。

圖3 基于超表面太赫茲平板透鏡的偏振選擇性聚焦與成像。（a）太赫茲平板透鏡實(shí)物圖，插圖展示了棒形天線的結(jié)構(gòu)單元；（b）偏振選擇性聚焦示意圖；（c）～（e）對(duì)應(yīng)右旋圓偏振（RCP）、左旋圓偏振（LCP）和水平線偏振太赫茲入射場(chǎng)，在焦平面上出射0.75 THz太赫茲光場(chǎng)強(qiáng)度分布；（f）～（h）相應(yīng)的出射太赫茲光場(chǎng)在X-Z平面上的聚焦效果；（i）成像測(cè)試樣品；（j）～（l）對(duì)應(yīng)RCP、LCP和水平線偏振太赫茲入射場(chǎng)的0.75 THz成像結(jié)果Fig.3 Polarization-selected focusing and imaging based on ametasurface THz planar lens.（a）Photograph of the THz planar lens.The inset shows the schematics of a barantenna unit.（b）Procedure of spin-selected focusing.（c）-（e）Intensity images of the0.75 THz componenton the focal plane for a right circularly polarized（RCP），left circularly polarized（LCP），and horizontally linearly polarized THz incident fields.（f）-（h）Corresponding longitudinal focusing processes of transmitted THz fields on the X-Z plane.（i）Imaging test sample.（j）-（l）Imaging results of 0.75 THz components for RCP，LCP and horizontally linearly polarized THz incident fields

3.2光控太赫茲衍射元件的功能驗(yàn)證

太赫茲平板元件的發(fā)展為太赫茲系統(tǒng)的小型化和集成化帶來(lái)了新動(dòng)力，但是這類(lèi)元件在結(jié)構(gòu)單元及衍射功能設(shè)定好后大多不能進(jìn)行任意更改，在應(yīng)用范圍上存在一定限制。目前，人們已經(jīng)逐漸關(guān)注于可調(diào)諧光學(xué)元件的研發(fā)，在太赫茲波段也陸續(xù)出現(xiàn)了相關(guān)研究。L.Y.Deng等人報(bào)道了InSb亞波長(zhǎng)光柵的光控調(diào)諧太赫茲等離子響應(yīng)［27］。S.F.Busch和M.Koch等人利用半導(dǎo)體光致載流子對(duì)于太赫茲輻射的吸收和反射，實(shí)現(xiàn)了虛擬太赫茲光柵和濾波器［28-29］。C.Rizza等人在理論上研究了利用紅外輻射控制半導(dǎo)體超材料進(jìn)而調(diào)控太赫茲光場(chǎng)的技術(shù)［30］。然而，這些工作多是針對(duì)太赫茲光譜的裁減濾波，很少關(guān)注太赫茲波前調(diào)制。

圖4 全光可控虛擬太赫茲波帶片。（a）光控太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)，插圖展示了波帶片實(shí)物圖；（b）隨太赫茲波與控制光之間時(shí)間延遲而變化的太赫茲峰值信號(hào)曲線；（c）和（d）為在-10 ps和10 ps時(shí)間延遲位置的1 THz強(qiáng)度圖像；（e）為在波帶片圖像放大率為R=1.12、1.00、0.91時(shí)，0.8 THz、1.0 THz和1.2 THz分量的強(qiáng)度圖像；（f）成像測(cè)試樣品實(shí)物圖；（g）相應(yīng)的太赫茲成像結(jié)果Fig.4 All-optical steerable virtual THz Fresnel zone plate（FZP）.（a）Optical tunable THz digital holographic imaging system.The inset shows the photograph of the FZP.（b）Variation of the THz peak signalwith the time delay between the THz and control beams.（c）and（d）present the 1.0 THz intensity imageswith the time delays of-10 ps and 10 ps.（e）THz intensity images of0.8 THz，1.0 THz and 1.2 THz components for three FZP patternswith the amplification ratios R=1.12，1.00，0.91.（f）Photographs of imaging samples，（g）Corresponding imaging results

通過(guò)將太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，引入控制光的作用，2013年，本團(tuán)隊(duì)利用半導(dǎo)體作為媒介實(shí)現(xiàn)了全光可控虛擬太赫茲波帶片（PTZP），并驗(yàn)證了其聚焦和成像功能［31］。圖4（a）展示了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，飛秒激光分為三路，包括泵浦光、探測(cè)光和控制光，用于產(chǎn)生、探測(cè)和調(diào)制太赫茲輻射。利用ITO導(dǎo)電玻璃將太赫茲光束與控制光重合，并共同照射半導(dǎo)體材料，實(shí)驗(yàn)中選用電阻率為10 kΩ·cm、厚度為500μm的高阻硅片。將金屬波帶片置于控制光路中，利用焦距為100 mm的凸透鏡將波帶片圖像投影到硅片表面，成像放大率為1。在光照射區(qū)域產(chǎn)生光致載流子，導(dǎo)致硅片表面產(chǎn)生空間導(dǎo)電率不均勻分布，當(dāng)太赫茲波通過(guò)硅片時(shí)將受到振幅調(diào)制。存在載流子的區(qū)域，透射太赫茲場(chǎng)的振幅會(huì)減小，而在沒(méi)有載流子的區(qū)域，透射太赫茲場(chǎng)不受影響，相當(dāng)于太赫茲波通過(guò)了一個(gè)振幅型波帶片。所選用的金屬波帶片焦距為90 mm，中心波長(zhǎng)為300μm（對(duì)應(yīng)1 THz中心頻率），利用傳統(tǒng)的聚焦離子束蝕刻和光刻技術(shù)將1μm厚的鉻膜蒸鍍?cè)? mm厚的石英基底上制作完成。實(shí)驗(yàn)中將斬波器置于控制光路中與CCD同步控制，使得成像系統(tǒng)只能測(cè)量被調(diào)制的太赫茲信號(hào)，進(jìn)而濾除背景本底來(lái)提高成像清晰度。

實(shí)驗(yàn)首先檢測(cè)PTZP的聚焦特性，圖4（b）展示了隨著太赫茲波和控制光之間時(shí)間延遲，太赫茲峰值信號(hào)的變化曲線。其中，負(fù)時(shí)間延遲意味著控制光落后于太赫茲波到達(dá)硅片，太赫茲波沒(méi)有被光致載流子調(diào)制，因此系統(tǒng)測(cè)量不到太赫茲信號(hào)；正時(shí)間延遲意味著控制光超前于太赫茲波到達(dá)硅片，系統(tǒng)可以測(cè)量太赫茲信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了被調(diào)制的太赫茲場(chǎng)與背景之間具有很明顯的對(duì)比度。圖4（c）和（d）展示了在-10 ps和10 ps時(shí)間延遲位置的1THz強(qiáng)度圖像，可以看出通過(guò)PTZP的太赫茲波可以被很好地聚焦，其焦斑直徑約為1.6 mm，而在沒(méi)有控制光調(diào)制作用下則不能測(cè)量到太赫茲強(qiáng)度分布，PTZP的聚焦功能被很好地驗(yàn)證。光控技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，可以通過(guò)改變投影在硅片上的圖案來(lái)調(diào)整太赫茲波的調(diào)制效果。根據(jù)波帶片半徑公式其中n為波帶片級(jí)次，λ和f為波帶片的中心波長(zhǎng)和焦距，在保持n和f不變的情況下，通過(guò)改變波帶片圖像的放大率，可以起到調(diào)整rn的作用，進(jìn)而改變PTZP的中心波長(zhǎng)λ。圖4（e）展示了放大率分別為R=1.12、1.00和0.91情況下，3個(gè)波段λ= 375μm、300μm和250μm太赫茲分量（對(duì)應(yīng)于0.8 THz、1.0 THz和1.2 THz）的強(qiáng)度分布?？梢钥闯?個(gè)PTZP對(duì)于0.8 THz、1.0 THz、1.2 THz太赫茲分量都表現(xiàn)出良好的聚焦功能，當(dāng)放大率和波長(zhǎng)不匹配時(shí)，測(cè)得的太赫茲圖像呈現(xiàn)明顯的散焦特點(diǎn)。除了聚焦效果外，在本工作中也測(cè)試了PTZP的成像功能，3個(gè)成像測(cè)試樣品如圖4（f）所示，在10μm厚鋁膜上的3個(gè)鏤空字母圖案“T”、“H”、“Z”。每個(gè)圖案的尺寸約為20× 20 mm2，圖案狹縫寬度為5 mm。將測(cè)試樣品置于PTZP的物方焦平面處，通過(guò)測(cè)量圖案的頻域分布圖并進(jìn)行二維逆傅立葉變換可得到3個(gè)字母的重建圖像，如圖4（g）所示。雖然PTZP的虛焦點(diǎn)和高階焦點(diǎn)引入了一些像差，但是每個(gè)字母的圖案可以被很明顯地表征出來(lái)，PTZP的成像功能被充分證明。本工作很新穎地將光控技術(shù)引入太赫茲波前調(diào)制中，為太赫茲信息技術(shù)的發(fā)展提供了新思路，在此工作基礎(chǔ)上本團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了一系列的嘗試。

在光控太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)的平臺(tái)上，本團(tuán)隊(duì)首先提出了空間太赫茲調(diào)制器（STM）的概念，利用在半導(dǎo)體基片上投影特定圖案產(chǎn)生光致載流子空間不均勻分布的方法，可以對(duì)太赫茲波前進(jìn)行高自由度、高分辨率、寬帶調(diào)制［32］。圖5（a）展示了STM的原理，利用可見(jiàn)光波段的空間光調(diào)制器（SLM）將控制光生成特定的圖案，例如計(jì)算全息圖或分叉光柵等，進(jìn)而生成相應(yīng)的載流子空間分布，當(dāng)太赫茲光束以一定角度傾斜入射時(shí)，其一級(jí)衍射分量在傳輸一定距離后可以生成預(yù)設(shè)圖案，例如渦旋光束等。圖5（b）展示了此系統(tǒng)的光路圖，與圖4（a）的區(qū)別之處在于利用SLM代替了波帶片，因此可以對(duì)控制光進(jìn)行更高自由度的改變，并且太赫茲波以37°入射硅片，成像系統(tǒng)僅測(cè)量一級(jí)衍射分量。為了驗(yàn)證此技術(shù)的可行性，首先在SLM上加載了3個(gè)字母“C”、“N”、“U”的太赫茲計(jì)算全息圖并投影到硅片上。圖4（c）展示了3個(gè)計(jì)算全息圖，對(duì)應(yīng)每個(gè)字母的尺寸為4×6 mm2，頻率為1 THz。圖4（d）展示了在太赫茲波一級(jí)衍射分量通過(guò)硅片并傳輸2 cm后生成的圖案，可以看出“C”、“N”、“U”三個(gè)字母清晰地再現(xiàn)，與預(yù)設(shè)結(jié)果完全一致。利用此技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的相位調(diào)制，通過(guò)在硅片上投影拓?fù)浜蓴?shù)為l=1、l=2和l=3的太赫茲渦旋光束計(jì)算全息圖，即不同級(jí)次的分叉光柵，可以在太赫茲波的衍射分量上加載相應(yīng)的渦旋相位。圖4（e）和4（f）展示了相對(duì)應(yīng)的太赫茲波一級(jí)衍射分量的振幅和相位分布?？梢钥闯鏊傻奶掌潨u旋光束強(qiáng)度分布呈現(xiàn)出典型的面包圈形狀，中空部分的尺度隨著拓?fù)浜蓴?shù)的增大而增大，所對(duì)應(yīng)的太赫茲相位分布表現(xiàn)出2π、4π和6π的環(huán)繞中心相移，這些現(xiàn)象都與理論預(yù)測(cè)達(dá)到高度一致。本工作的完成對(duì)太赫茲成像、太赫茲信息處理、以及太赫茲通信等領(lǐng)域的發(fā)展都具有積極的推動(dòng)作用。

圖5 空間太赫茲調(diào)制器。（a）空間太赫茲調(diào)制器概念圖；（b）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖；（c）“C”、“N”和“U”的離軸太赫茲計(jì)算全息圖；（d）1 THz一級(jí)衍射分量強(qiáng)度圖；（e）利用空間太赫茲調(diào)制器生成的拓?fù)浜蓴?shù)l=1、l=2和l=3太赫茲渦旋光束強(qiáng)度圖；（f）太赫茲渦旋光束相位分布圖Fig.5 Spatial THz Modulator（STM）.（a）Prototype of the STM.（b）Experimental configuration of the STM.（c）Off-axis THz computer-generated holograms for letters“C”，“N”，and“U”，respectively.（d）Corresponding intensity distributions of first-order diffraction components at 1 THz.（e）Intensity patterns of THz vortex beamswith topological numbers l=1，l=2，and l=3 generated by using the STM.（f）Corresponding the phase patterns of the THz vortex beams

矢量光束的生成與衍射是現(xiàn)代光學(xué)的重要研究分支，例如徑向偏振光束、角向偏振光學(xué)、光渦旋、雙環(huán)光束等。這類(lèi)光束具有特殊的光場(chǎng)分布特性，在粒子操控、激光微加工、高分辨顯微等領(lǐng)域中都具有重要應(yīng)用。利用光控太赫茲波前調(diào)制技術(shù)，本團(tuán)隊(duì)在2015年實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段矢量光束的產(chǎn)生與調(diào)控［33］。圖6（a）展示了其原理，首先將入射太赫茲光波從線偏振轉(zhuǎn)換為圓偏振，再利用金屬亞波長(zhǎng)環(huán)形光柵控制不同位置透射太赫茲光波的偏振態(tài)，此時(shí)太赫茲光束具有徑向偏振態(tài)和渦旋相位分布，可表示為Po=eiθe＾r(nóng)，其中e＾r(nóng)為徑向單位矢量，θ為方位角，eiθ為渦旋相位項(xiàng)。此時(shí)，若在環(huán)形光柵的高阻硅基底上利用飛秒激光投影一個(gè)渦旋光束計(jì)算全息圖，則產(chǎn)生的一級(jí)衍射分量會(huì)攜帶渦旋相位分布，進(jìn)而抵消太赫茲光束本身的渦旋相位項(xiàng)，生成純太赫茲徑向偏振光束。圖6（b）展示了光控徑向偏振太赫茲光束的產(chǎn)生與表征系統(tǒng)，光路與圖5（b）類(lèi)似，利用太赫茲1／4波片（TQWP），將線偏振太赫茲光束轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CP太赫茲光束。此太赫茲光束以37°傾斜入射在高阻硅片上，硅片背面加工有亞波長(zhǎng)環(huán)形金屬光柵。實(shí)驗(yàn)中選用周期為5μm的鋁質(zhì)光柵，由于光柵周期遠(yuǎn)小于太赫茲波長(zhǎng)，可以看作徑向方向的太赫茲偏振片。利用SLM在控制光上加載渦旋光束計(jì)算全息圖，并將其投影在硅片表面，生成特定的光致載流子分布。當(dāng)太赫茲光束通過(guò)硅片及環(huán)形光柵后，生成的一級(jí)衍射分量由成像系統(tǒng)進(jìn)行相干采集。圖6（c）和6（d）展示了對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果，徑向偏振太赫茲光束在x、y、r分量上的振幅和相位分布。可以看出徑向偏振太赫茲光束的x和y偏振分量是典型Hermite-Gauss分布中的HG10和HG01模式。對(duì)于HG10模式，其振幅為左右兩個(gè)半圓分布，兩個(gè)旁瓣的偏振態(tài)相反，相應(yīng)的相位部分相差為π；而HG01模式則是HG10的90°旋轉(zhuǎn)，振幅為上下兩瓣，兩部分的相位差亦為π。r分量則是x與y分量的疊加，其振幅呈現(xiàn)中空環(huán)狀分布，所有的偏振態(tài)都沿半徑方向呈輻射狀，對(duì)應(yīng)的相位則是平坦分布。圖6（e）和6（f）呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量得到的0.8 THz徑向偏振太赫茲光束在x、y和r方向的振幅和相位分布，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬得到了很好的符合。由于通過(guò)光控方法可以對(duì)計(jì)算全息圖進(jìn)行任意調(diào)制，因此通過(guò)本技術(shù)可以非常靈活的控制所生成太赫茲矢量光束的渦旋相位特性。本工作通過(guò)光生載流子來(lái)控制太赫茲場(chǎng)的復(fù)振幅分布，很大程度上提高了太赫茲器件的靈活性和動(dòng)態(tài)可控性，對(duì)將來(lái)的太赫茲傳感、成像和通信領(lǐng)域的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖6 光控太赫茲矢量光束的生成與表征。（a）光控太赫茲矢量光束產(chǎn)生原理圖；（b）太赫茲矢量光束表征系統(tǒng)；（c）和（d）為徑向偏振太赫茲光束在x、y和r分量的振幅和相位模擬結(jié)果；（e）和（f）為徑向偏振太赫茲光束在x、y和r分量振幅和相位的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.6 Generation and characterization of optical steerable THz vector beams.（a）Schematic for generating an optical-tunable THz vector beam.（b）Characterization system of THz vector beams.Simulated（c）amplitude and（d）phase distributions of x，y，and r components of a radially polarized THz beam.Measured（e）amplitude and（f）phase patterns of x，y，and r components of a radially polarized THz beam

3.3太赫茲衍射場(chǎng)縱向分量重建

電磁波在聚焦過(guò)程中由于引入了橫向波矢，因此在衍射過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生縱向偏振電場(chǎng)。特殊光束的縱向場(chǎng)分量具有十分重要的應(yīng)用潛力，然而由于在可見(jiàn)光波段不易測(cè)量所以常常被忽視。隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們提出了很多測(cè)量縱向場(chǎng)分量的方法。例如，L.Novotny等人利用具有固定偶極子吸收取向的單分子熒光信號(hào)對(duì)縱向分量進(jìn)行了測(cè)量［34］；S.Quabis等人將刀片法與全息重建算法相結(jié)合，再現(xiàn)了三維聚焦光場(chǎng)的強(qiáng)度分布［35］；G.Miyaji等人利用在Kerr介質(zhì)中由激光誘導(dǎo)的雙折射現(xiàn)象，對(duì)徑向偏振光束的縱向分量進(jìn)行了測(cè)量［36］。然而，這些方法都主要是對(duì)縱向分量的強(qiáng)度信息進(jìn)行探測(cè)，相位信息則被完全丟失。

圖7 太赫茲衍射場(chǎng)縱向分量重建。（a）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖；（b）線偏振太赫茲光束聚焦，其縱向分量的振幅和相位分布；（c）利用Richards-Wolf公式得到的模擬結(jié)果；（d）圓偏振太赫茲光束聚焦，其縱向分量的振幅和相位分布；（e）相應(yīng)的模擬結(jié)果Fig.7 Reconstruction of the Ez component of a THz diffraction field.（a）Experimental system.（b）Amplitude and wrapped phase distributions of the Ezcomponent for a converging THz beam with a linear polarization.（c）Simulation results obtained by using the Richards-Wolf equation.（d）Amplitude and wrapped phasemaps of the Ezcomponent for a focused THz beam with a circular polarization.（e）Corresponding simulation result

2014年，本團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，利用＜100＞晶體取代了＜110＞晶體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同偏振態(tài)太赫茲光束在聚焦過(guò)程中的縱向場(chǎng)分量進(jìn)行相干測(cè)量［37］。圖7（a）展示了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其基本構(gòu)架與圖1相同，區(qū)別在于采用＜100＞ZnTe晶體作為探測(cè)器對(duì)縱向分量的復(fù)振幅波前進(jìn)行獲取。實(shí)驗(yàn)中利用焦距為25 mm的高阻硅透鏡對(duì)太赫茲光束進(jìn)行聚焦，并連續(xù)改變透鏡與探測(cè)面之間的距離，通過(guò)Z掃描測(cè)量觀察縱向分量的衍射過(guò)程。實(shí)驗(yàn)首先對(duì)線偏振太赫茲光束在聚焦過(guò)程中產(chǎn)生的縱向分量進(jìn)行了測(cè)量，圖7（b）展示了在距離焦平面-10 mm、-5 mm、0 mm、5 mm、10 mm處0.7 THz縱向分量的振幅和相位分布，可以看出縱向分量的振幅呈現(xiàn)了類(lèi)似于偶極子輻射的分布特點(diǎn)，在光軸上（x=0 mm）存在振幅的極小值，在光軸兩側(cè)約x= ±0.4 mm處存在兩個(gè)振幅極大值。在縱向分量的相位分布中，可以看出以Y-Z平面為分界，兩側(cè)的相位相差π，這表明兩側(cè)的縱向分量傳播方向是相反的，導(dǎo)致了在光軸位置處二者相干相消，進(jìn)而出現(xiàn)了振幅極小值。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，利用Richards-Wolf衍射積分公式對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了模擬，圖7（c）展示了相應(yīng)的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。實(shí)驗(yàn)中還對(duì)圓偏振太赫茲光束聚焦產(chǎn)生的縱向分量進(jìn)行了測(cè)量。利用TQWP將入射線偏振太赫茲光束轉(zhuǎn)換為圓偏振光束，通過(guò)硅透鏡聚焦后，對(duì)其縱向分量進(jìn)行了Z掃描測(cè)量。圖7（d）展示了0.7 THz縱向分量的振幅和相位分布，可以看出其振幅呈現(xiàn)環(huán)狀分布，光圈強(qiáng)度分布不均勻是因?yàn)槿肷涮掌澒馐牟痪鶆蚝蜏y(cè)量誤差引起的?？v向分量的相位呈現(xiàn)出清晰的渦旋分布，并隨著傳播距離的增大，旋轉(zhuǎn)方向一直呈現(xiàn)逆時(shí)針變化，在焦點(diǎn)前后其扭轉(zhuǎn)方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)。對(duì)于該過(guò)程的模擬，由于圓偏振光束可以分解為兩個(gè)正交線偏振光束的線性疊加，因此其縱向分量可以表示為Ez=exp（-iπ／2）Exz+Eyz，其中Exz和Eyz為由水平和豎直線偏振太赫茲光束產(chǎn)生的縱向分量。圖7（e）展示了相應(yīng)的振幅和相位模擬結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得了很好的一致。本工作的完成為研究電磁波的矢量衍射特性提供了一個(gè)很好的測(cè)試平臺(tái)，同時(shí)也證明了本成像系統(tǒng)的實(shí)用性。

3.4太赫茲表面波再現(xiàn)

金屬表面等離子體器件是超材料家族中的重要成員，它利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)局域在金屬表面的電磁波進(jìn)行調(diào)制，對(duì)于集成光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大，并有可能在未來(lái)取代印刷電路板成為更有力的信息處理工具。然而，對(duì)金屬表面等離子體器件的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，需要對(duì)局域在金屬上的表面電場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)。在可見(jiàn)光波段多是采用掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微（SNOM）、熒光成像、泄露輻射成像等技術(shù)對(duì)表面波進(jìn)行測(cè)量，在太赫茲波段也是采用SNOM和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)太赫茲表面場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)。這種方法實(shí)驗(yàn)耗時(shí)很長(zhǎng)，并且需要改變探測(cè)器與樣品之間的位置進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，難免影響測(cè)量的穩(wěn)定性。2014年，本團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬表面的太赫茲場(chǎng)進(jìn)行線掃描測(cè)量，很大程度上縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并提高了測(cè)量穩(wěn)定性［38］。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8（a）所示，擴(kuò)展的太赫茲光源照射到金屬表面等離子體器件上，在器件的兩側(cè)激發(fā)太赫茲表面場(chǎng)。利用狹縫和擴(kuò)束鏡生成線形探測(cè)光束，并使其盡量貼近器件出射面掠過(guò)，同時(shí)在靠近器件出射面附近放置＜110＞ZnTe晶體對(duì)太赫茲表面場(chǎng)進(jìn)行相干探測(cè)，實(shí)驗(yàn)中ZnTe晶體距離器件約500μm，探測(cè)光距離器件約1 mm。當(dāng)探測(cè)光通過(guò)ZnTe晶體后攜帶太赫茲表面場(chǎng)信息，入射到系統(tǒng)的成像模塊中，與圖1描述一致，通過(guò)動(dòng)態(tài)相減技術(shù)和差分探測(cè)技術(shù)對(duì)太赫茲信息進(jìn)行提取。實(shí)驗(yàn)中，ZnTe晶體放置在一維電動(dòng)平移臺(tái)上沿x方向進(jìn)行掃描測(cè)量，掃描范圍為-3 mm到4 mm，掃描步長(zhǎng)為0.4 mm。在每個(gè)掃描位置獲取一系列時(shí)域圖像，通過(guò)傅里葉變換，可以組成每個(gè)頻率成分的太赫茲表面波分布。圖8（a）的插圖展示了成像樣品是一個(gè)半徑為6 mm，寬度為120μm的半月形金屬狹縫。當(dāng)太赫茲光束照射樣品時(shí)，在狹縫邊緣會(huì)激發(fā)等相位的太赫茲表面場(chǎng)，根據(jù)等光程原理，太赫茲表面波會(huì)出現(xiàn)聚焦效果。圖8（b）展示了實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的X-Y平面上太赫茲表面波時(shí)域峰值圖像，清晰地呈現(xiàn)了太赫茲表面波的聚焦過(guò)程。實(shí)驗(yàn)的成像面積為7×4 mm2，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)為9 h，如果利用傳統(tǒng)的SNOM方法進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)需要約兩天時(shí)間，可見(jiàn)線掃描太赫茲數(shù)字全息成像技術(shù)可以大幅度的縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。圖8（c）展示了在x=0 mm方向上y=-1 mm、-0.5 mm、0 mm、0.5 mm、1 mm位置處，提取的5個(gè)太赫茲時(shí)域信號(hào)，可以明顯地看出在焦點(diǎn)處的信號(hào)強(qiáng)度大于其它位置處的。圖8（d）展示了所提取的0.73 THz太赫茲表面波聚焦振幅圖像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了太赫茲表面波聚焦在半月形金屬狹縫的中心。圖8（e）是利用時(shí)域有限差分FDTD solutions模擬軟件得到的仿真結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量達(dá)到了很好的吻合。為了更準(zhǔn)確地觀察太赫茲表面波分布特點(diǎn)，將圖8（d）和8（e）中沿x=0 mm和y=0 mm方向的歸一化振幅分布曲線提取并進(jìn)行比較，如圖8（f）和8（g）所示，實(shí)驗(yàn)得到的橫向和縱向振幅分布半高全寬（FWHM）分別是493μm和4 mm，模擬結(jié)果分別是540μm和3.6 mm，略微的誤差主要來(lái)自于探測(cè)晶體和探測(cè)光束的不均勻。由于獲取的太赫茲信息是相干的，因此可以提取其相位信息，圖8（h）和8（i）展示了0.73 THz太赫茲表面波的相位分布實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。由于在實(shí)驗(yàn)中隨著探測(cè)晶體的移動(dòng)，太赫茲表面波與探測(cè)光的光程是一同改變的，因此太赫茲表面波的線性相移被有效地消除，可以清晰地觀測(cè)出在聚焦過(guò)程中的Gouy相移現(xiàn)象。將圖8（h）和8（i）中沿y=0 mm方向的相位分布曲線進(jìn)行提取，如圖8（j）和8（k）所示，可以看出由于太赫茲表面波是一維聚焦，因此在焦點(diǎn)前后，其相位僅發(fā)生了π／2的變化。為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中還對(duì)0.2 THz和0.3 THz分量的相位分布進(jìn)行了提取，同樣觀察到了π／2的變化，不同之處在于頻率越高的光譜成分，相位變化越迅速，這是因?yàn)楦哳l成分具有更短的Rayleigh長(zhǎng)度和更大的橫向波矢，這與本團(tuán)隊(duì)之前在自由空間中觀察太赫茲波的衍射現(xiàn)象是一致的［39］。本工作的完成為表征金屬表面等離子體器件的性能測(cè)試提供了一項(xiàng)有效的工具，對(duì)于推動(dòng)太赫茲集成系統(tǒng)、芯片系統(tǒng)的發(fā)展有很大的幫助。

圖8 金屬等離子體器件的太赫茲表面波再現(xiàn)。（a）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，插圖展示了測(cè)試樣品；（b）太赫茲表面波時(shí)域峰值圖像；（c）在x=0 mm方向上y=-1 mm、-0.5 mm、0 mm、0.5 mm、1 mm位置處的太赫茲時(shí)域信號(hào)；（d）0.73 THz太赫茲表面波的振幅分布圖；（e）利用FDTD算法得到的模擬結(jié)果；（f）和（g）展示了歸一化橫向和縱向振幅輪廓曲線；（h）0.73 THz表面太赫茲波的相位分布圖；（i）相應(yīng)的模擬結(jié)果；（j）不同光譜成分太赫茲表面波的縱向相位輪廓曲線；（k）相應(yīng)的模擬結(jié)果Fig.8 Reconstruction of THz surface waves onmetallic plasmon devices.（a）Experimental setup.The inset shows the test samp le.（b）The temporal peak image of the THz surface wave.（c）The temporal THz signals measured at y= -1 mm，-0.5 mm，0 mm，0.5 mm，and 1 mm along the x=0 mm direction.（d）Amplitude distribution of the THz surface wave at 0.73 THz.（e）Simulation result by using the FDTD algorithm.（f）and（g）show the normalized transverse and longitudinal amp litude profile curves.（h）Phase distribution of the THz surface wave at 0.73 THz.（i）Corresponding simulation result.（j）Longitudinal phase profile curves for THz surface waves with difference spectral components.（k）Corresponding simulation result

圖9 太赫茲表面波偏振選擇性聚焦。（a）太赫茲表面波成像系統(tǒng)，插圖為樣品示意圖；（b）和（c）為L(zhǎng)CP和RCP入射光激發(fā)的太赫茲表面波聚焦過(guò)程振幅分布圖；（d）和（e）為圖（b）和（c）中截取的x=0 mm處振幅分布曲線；（f）和（g）為L(zhǎng)CP和RCP入射光激發(fā)的太赫茲表面波聚焦過(guò)程相位分布圖；（h）為圖（f）和（g）中截取的x=-2 mm處相位分布曲線；（i）相位相減分布曲線；（j）y偏振入射光激發(fā)的太赫茲表面波振幅分布圖；（k）相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果；（l）和（m）為在圖（j）和（k）中截取的x=0 mm處振幅和相位分布曲線Fig.9 Polarization-controlled focusing of THz surface waves.（a）THz surface waves imaging system.The inset shows the schematic of the sample.（b）and（c）present the amplitude distributions of converging THz surface waves excited by LCP and RCP THz incident fields.（d）and（e）show the amplitude profile curves along x=0 mm taken from（b）and（c）.（f）and（g）present the phase patterns of focused THz surface waves excited by LCP and RCP THz incident fields.（h）shows the phase profile curves along x=-2 mm extracted from（f）and（g）.（i）Curve of the subtraction phase.（j）Amplitudemap of the THz surface wave excited by a linearly y-polarized THz incident field.（k）Corresponding simulation result.（l）and（m）present the amp litude and phase curves along x=0 mm taken from（j）and（k）

以線掃描成像系統(tǒng)為平臺(tái)，2015年，本團(tuán)隊(duì)對(duì)太赫茲表面波成像進(jìn)行了進(jìn)一步的探索，研究了半圓環(huán)表面等離子體透鏡的偏振選擇聚焦特性，并利用惠更斯—菲涅爾原理以及傅里葉變換特性進(jìn)行了理論分析［40］。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9（a）所示，其與圖8（a）基本一致，不同之處在于太赫茲光路中加入了TQWP或太赫茲半波片（THWP）用來(lái)產(chǎn)生LCP、RCP或y偏振太赫茲輻射。圖9（a）插圖展示了樣品示意圖，根據(jù)惠更斯—菲涅爾原理，認(rèn)為任一點(diǎn)（x，y）處的太赫茲表面波可以看做沿半圓環(huán)邊緣不同位置（x′，y′）處產(chǎn)生的表面次波源的線性疊加。當(dāng)LCP／RCP光入射樣品時(shí)，會(huì)對(duì)太赫茲表面波附加一個(gè)沿半圓環(huán)方向的螺旋相位，經(jīng)過(guò)聚焦后相當(dāng)于進(jìn)行了一次傅里葉變換，根據(jù)傅里葉變換的平移特性，使得表面波的焦點(diǎn)出現(xiàn)了相應(yīng)的空間橫移。圖9（b）和9（c）展示了LCP／RCP入射光產(chǎn)生的表面波聚焦強(qiáng)度分布圖，可以看出LCP光激發(fā)的太赫茲表面波焦點(diǎn)向下移動(dòng)，而RCP光激發(fā)的太赫茲表面波焦點(diǎn)向上移動(dòng)。在x=0mm處截取強(qiáng)度分布曲線，如圖9（d）和9（e）所示，可以更加清晰地看出焦點(diǎn)的橫向移動(dòng)，移動(dòng)距離大約為75μm。利用FDTD solutions軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以達(dá)到很好的一致。圖9（f）和9（g）為L(zhǎng)CP／RCP入射光產(chǎn)生的太赫茲表面波聚焦過(guò)程的相位分布，由于存在幾何相位的干擾，螺旋相位的表現(xiàn)并不十分清晰。圖9（h）展示了在x= -2 mm處截取的相位分布曲線，可以看出LCP／RCP光引發(fā)的相位分布差別。將二者相減以消除幾何相位影響，并將相位差在y方向進(jìn)行投影，結(jié)果如圖9（i）所示，可以看出太赫茲表面波的相位沿y方向逐漸增大，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果、以及利用理論公式計(jì)算結(jié)果吻合一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。當(dāng)y偏振太赫茲波入射時(shí)，可以看作LCP和RCP光的線性疊加，在半圓環(huán)的上下四分之一環(huán)處產(chǎn)生的太赫茲表面波會(huì)出現(xiàn)極性的反轉(zhuǎn)，因此會(huì)在圓心處產(chǎn)生兩個(gè)振幅極大值，圖9（j）和9（k）展示了實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。對(duì)x= 0 mm位置處的振幅和相位分布曲線進(jìn)行截取，如圖9（l）和9（m）所示，可以看出焦點(diǎn)的橫向場(chǎng)分布類(lèi)似于貝塞爾光束，在光軸位置處存在振幅極小值，這是由于在光軸位置存在π的相位跳變所引發(fā)的表面波相干相消導(dǎo)致的。本工作在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)了太赫茲表面波對(duì)于激發(fā)光不同偏振態(tài)的特殊響應(yīng)，并提出了簡(jiǎn)單直觀的理論模型，對(duì)于深入研究偏振相關(guān)表面等離子體器件提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

太赫茲數(shù)字全息成像技術(shù)發(fā)展至今已具備了較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的全部光學(xué)信息進(jìn)行精確獲取，進(jìn)而對(duì)物質(zhì)的物理化學(xué)特性進(jìn)行全面而深入的分析。然而，太赫茲數(shù)字全息術(shù)要想便捷地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中還需要克服一些技術(shù)難關(guān)。例如：目前的太赫茲成像系統(tǒng)還只能在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行，對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在較嚴(yán)苛的要求，如何使其與光纖飛秒激光器兼容使用，降低成像系統(tǒng)對(duì)周?chē)鷿穸群蜏囟鹊囊?，還需要在技術(shù)上進(jìn)行進(jìn)一步的改良；成像系統(tǒng)是通過(guò)CCD對(duì)太赫茲圖像信息進(jìn)行采集，由于無(wú)法采用鎖相技術(shù)，因此系統(tǒng)的信噪比一直受到了極大地限制，這也影響了成像系統(tǒng)的應(yīng)用；為了對(duì)太赫茲電磁場(chǎng)的波前信息進(jìn)行相干測(cè)量，通常都采用電光晶體作為探測(cè)器，而太厚的晶體會(huì)導(dǎo)致成像系統(tǒng)的空間分辨率下降，太薄的晶體又會(huì)影響探測(cè)靈敏度，晶體的尺寸太小會(huì)難以進(jìn)行大面積成像，而大尺寸的晶體成本又太高；在對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，太赫茲時(shí)域圖像的獲得還是通過(guò)不斷調(diào)整太赫茲光路與探測(cè)光路的光程差進(jìn)行獲取的，這使得實(shí)驗(yàn)時(shí)間難以進(jìn)一步縮短，如何將單脈沖測(cè)量技術(shù)引入太赫茲成像，還需要對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。盡管還存在一些限制，但是隨著新一代太赫茲材料的問(wèn)世（例如鈮酸鋰、DAST、DSTMS等［41-43］）以及太赫茲探測(cè)技術(shù)［44-47］的不斷開(kāi)發(fā)，為太赫茲成像系統(tǒng)提供了更強(qiáng)的輻射源和更靈敏的探測(cè)手段，使得太赫茲成像技術(shù)的實(shí)用性不斷得到提高，相信很快會(huì)形成工業(yè)化推廣并獲得市場(chǎng)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了作者所在團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在太赫茲成像領(lǐng)域所進(jìn)行的部分應(yīng)用研究，包括對(duì)以亞波長(zhǎng)金屬天線為結(jié)構(gòu)單元的超薄太赫茲平板元件進(jìn)行性能表征，觀測(cè)了對(duì)太赫茲波前實(shí)現(xiàn)純相位調(diào)制以及偏振選擇性響應(yīng)等功能；對(duì)利用半導(dǎo)體光致載流子實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波前的全光調(diào)控，完成了可控波帶片、可控?cái)?shù)字全息圖、以及可控太赫茲矢量光束等；對(duì)自由空間中不同偏振態(tài)太赫茲衍射光場(chǎng)的縱向分量進(jìn)行成像，觀測(cè)了線偏振和圓偏振聚焦太赫茲光束的縱向光場(chǎng)分布；通過(guò)對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬等離子體器件的太赫茲表面場(chǎng)進(jìn)行重建，并分析了金屬半環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)不同偏振太赫茲入射場(chǎng)的選擇性聚焦。本文還對(duì)太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、限制以及未來(lái)的前景進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。這些工作對(duì)于太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用推廣、太赫茲波段的關(guān)鍵元器件開(kāi)發(fā)、以及太赫茲集成系統(tǒng)的研制都具有很好的促進(jìn)作用。

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Recent advances in terahertz digital holography

SHIJing，WANG Xin-ke*，ZHENG Xian-hua，HE Jing-wen，WANG Sen，XIE Zhen-wei，CUIYe，YE Jia-sheng，SUNWen-feng，F(xiàn)ENG Sheng-fei，HAN Peng，ZHANG Yan
（Capital Normal University，Department of Physics，Beijing 100048，China）*Corresponding author，E-mail：wxk82721＠cnu．edu．cn

With the maturation of terahertz（THz）imaging technology，the spatial resolution，signal-to-noise ratio，imaging speed and ability acquiring information of the imaging system are gradually enhanced.Researchers have paid more attention to THz imaging applications in fundamental researches and industrial ex-ploitation.In this paper，several recent studies of THz digital holography are reviewed，including performance demonstration of THz planar elements，function validation of optical tunable THz elements，observation of the longitudinal component in diffraction THz fields and analysis of THz surface waves on the metallic sub-wavelength devices.These research works are very valuable for the development of THz integration systems and THz imaging technology.

terahertz；digital holography；optical tunable elements；surface wave

O434.3；O438.1

：A

10.3788／CO.20171001.0131

石 敬（1989—），女，北京人，博士研究生，主要從事太赫茲成像方面的研究。E-mail：867895903＠qq.com

王新柯（1982—），男，北京人，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，主要從事太赫茲波譜與成像方面的研究。E-mail：wxk82721＠cnu.edu.cn

2095-1531（2017）01-0131-17

2016-09-12；

2016-10-14

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（No.2013CBA01702）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.

11474206，No.91233202，No.11374216，No.11404224）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助項(xiàng)目（No.NCET-12-0607）；北京市教委科技面上項(xiàng)目（No.KM201310028005）；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（No. 20121108120009）；北京市教委青年拔尖人才資助項(xiàng)目（No.CIT＆TCD201504080）

Supported by National Program on Key Basic Research Projects of China（No.2013CBA01702）；National Natural Science Foundation of China（No.11474206，No.91233202，No.11374216，No.11404224）；Program for New Century Excellent Talents in University，Ministry of Education of China（No.NCET-12-0607）；Scientific Research Project of Beijing Education Commission（No.KM201310028005）；Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education（No.20121108120009）；Scientific Research Base Development Program of the Beijing Municipal Commission of Education and the Beijing youth top-notch talent training plan（No. CIT＆TCD201504080）