太赫茲脈沖焦平面成像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

王新柯，張 巖

太赫茲脈沖焦平面成像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

王新柯，張 巖*

首都師范大學(xué)物理系；超材料與器件北京市重點實驗室，北京 100048

作為太赫茲技術(shù)中的重要組成部分，太赫茲脈沖焦平面成像一經(jīng)問世就引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，人們引入了各種方法去提升此成像技術(shù)的測量性能，同時也嘗試將此成像技術(shù)應(yīng)用于不同的工業(yè)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。本文綜述了近年來人們對太赫茲脈沖焦平面成像的技術(shù)改良和應(yīng)用研究，包括提升成像系統(tǒng)的空間分辨率、信噪比、信息獲取能力，以及將此成像技術(shù)應(yīng)用于光譜識別檢測、超表面器件功能驗證、太赫茲特殊光束測量、太赫茲表面波觀測等，希望該綜述能夠推動太赫茲脈沖焦平面成像的進一步技術(shù)革新和應(yīng)用拓展。

太赫茲；焦平面成像；分辨率；超表面

1 引 言

太赫茲(Terahertz，THz)輻射是指波長處于亞毫米量級(波長3 mm~30 μm，對應(yīng)頻率0.1 THz~10 THz)的電磁輻射，由于太赫茲輻射所處波段的位置介于微波與紅外之間，因此使其兼?zhèn)淞撕芏辔⒉ㄅc紅外波段的性質(zhì)，例如水分子等極性物質(zhì)對其吸收強烈、光譜信息豐富、對非極性物質(zhì)透過率高、光子能量小等，這些特性使得相關(guān)的太赫茲技術(shù)在物質(zhì)識別[1]、通信技術(shù)[2]、生物檢測[3-4]、無損探傷[5]、半導(dǎo)體工業(yè)[6]等諸多領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用價值，已經(jīng)有眾多國內(nèi)外科研團隊投身太赫茲技術(shù)的開發(fā)。其中，太赫茲成像技術(shù)結(jié)合了光譜與成像的共同優(yōu)勢，既可以對物質(zhì)的形貌進行測量，又可以通過簡單的數(shù)據(jù)處理對物質(zhì)的太赫茲光譜響應(yīng)進行分析，因此太赫茲成像技術(shù)已經(jīng)成為了本領(lǐng)域的重要組成部分，并已經(jīng)發(fā)展出了眾多測量模式，例如透射成像[7]、反射成像[8]、CT成像[9]、近場成像[10]、壓縮感知成像[11]等一系列成像方法。

作為太赫茲成像中的重要發(fā)展分支，太赫茲脈沖焦平面成像最早出現(xiàn)于1996年，此技術(shù)一經(jīng)提出就引起了業(yè)內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注，并得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。利用太赫茲脈沖焦平面成像僅需單次測量就可以獲取物體的形貌信息，避免了在傳統(tǒng)太赫茲成像中需要對物體進行逐點掃描的過程，大大縮短了測量耗時，并提高了測量的穩(wěn)定性與采樣率。隨著研究的深入，已經(jīng)有各種技術(shù)手段被引入到了太赫茲脈沖焦平面成像之中去提高其測量性能，并且此技術(shù)也已經(jīng)在多個工業(yè)和研究領(lǐng)域展現(xiàn)了其強大的應(yīng)用潛力。本文綜述了本科研團隊和國際相關(guān)課題組近年來在太赫茲脈沖焦平面成像方向上所完成的部分工作，包括對于成像技術(shù)本身的革新以及應(yīng)用此成像技術(shù)進行的研究工作。同時，本文還對太赫茲脈沖焦平面成像目前尚待解決的問題和未來的前景進行了評述與展望。

2 太赫茲脈沖焦平面成像的出現(xiàn)與發(fā)展

2.1 太赫茲脈沖焦平面成像的誕生

太赫茲成像技術(shù)的發(fā)展開始于1995年，在太赫茲時域光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上，Bell實驗室的Hu等[12]開拓性地提出了太赫茲逐點掃描成像技術(shù)，從此開啟了太赫茲成像的大門。圖1(a)展示了太赫茲逐點掃描成像的光路原理，其與太赫茲時域光譜技術(shù)類似，都是由一路激光分為兩路分別激發(fā)太赫茲輻射源和探測器，將產(chǎn)生的太赫茲輻射聚焦于待測樣品的某個位置上，通過連續(xù)調(diào)整太赫茲光路與探測光路之間的光程差對太赫茲時域信號進行測量，并且通過不斷調(diào)整樣品與太赫茲焦斑的相對位置對整個樣品區(qū)域進行掃描測量，獲取樣品每個位置處的太赫茲信號。由于所測量的太赫茲信號呈現(xiàn)了太赫茲電場的時間分辨響應(yīng)，對太赫茲信號稍加處理就可以很方便地獲得樣品在太赫茲波段的各種光學(xué)信息，例如時域最大值圖像、時域飛行時間圖像、頻域強度圖像、頻域折射率圖像等。利用這一技術(shù)，Hu等人成功觀測了樹葉在新鮮狀態(tài)和脫水48 h后的太赫茲圖像，如圖1(b)所示，首次顯示了太赫茲成像的應(yīng)用價值，這一工作無疑是太赫茲技術(shù)發(fā)展歷史中的一個里程碑。然而，隨著研究的深入，這一技術(shù)的限制也表現(xiàn)出來。主要可以歸納為兩點：1)由于在測量過程中需要對樣品上的每個位置分別進行掃描，這使得成像時間過長，通常測量一個25 pixels×25 pixels的圖像，就需要約10 h；2) 由于需要不斷移動樣品與太赫茲光斑的相對位置，勢必對測量過程中的穩(wěn)定性造成一定影響，同時也限制了成像的采樣率。

圖1 太赫茲脈沖焦平面成像與太赫茲逐點掃描成像的比較[12-13]。(a) 太赫茲逐點掃描成像；(b) 由太赫茲逐點掃描成像獲得的樹葉太赫茲強度圖像；(c) 太赫茲脈沖焦平面成像；(d) 由太赫茲脈沖焦平面成像獲得的太赫茲光斑分布

為了解決這些問題，提高太赫茲成像技術(shù)的測量性能，美國倫斯勒理工大學(xué)的Zhang等[13]在1996年首次提出并實現(xiàn)了太赫茲脈沖焦平面成像，極大地擴展了太赫茲成像的應(yīng)用范圍。圖1(c)展示了太赫茲脈沖焦平面成像的光路原理，其基本原理仍采用泵浦探測技術(shù)對太赫茲信號進行測量。利用電光采樣原理，將擴束的太赫茲光場與擴束的探測光束重合，共同作用于電光晶體(例如<110>晶向ZnTe或GaP晶體)。在探測晶體的作用區(qū)域內(nèi)，由于線性電光效應(yīng)，太赫茲光場調(diào)制了晶體的雙折射特性，并加載于探測光的偏振態(tài)上。為了濾除探測光中背景強度的影響，在探測晶體的兩側(cè)放置兩個方向正交的偏振片，對探測光進行檢偏，并用CCD攝像頭獲取探測光的二維分布。當(dāng)太赫茲光場作用于探測晶體時，探測光的二維偏振態(tài)分布被調(diào)制，由CCD獲取的探測光的強度變化反應(yīng)了太赫茲光場的復(fù)振幅分布。所測量得到的探測光信號可以表達為[14]

其中：tot為探測光的初始光強，為探測光的原頻率，為探測晶體厚度，為真空光速，ΔZnTe為探測晶體本身雙折射效應(yīng)所導(dǎo)致的o光與e光折射率差，ΔTHz為由太赫茲光場所導(dǎo)致的探測晶體折射率改變。這里，由于ΔTHz正比于太赫茲光場THz，所以測量得到的探測光信號正比于太赫茲光場THz。采用這種成像方式，可以一次性獲取太赫茲光場的二維波前信息，因此在測量過程中不需要改變樣品與太赫茲光場的相對位置，提高了測量穩(wěn)定性，同時由于采用CCD作為記錄媒介，大大提高了成像采樣率，縮短了成像所需時間。圖1(d)展示了利用太赫茲脈沖焦平面成像獲取的太赫茲光場強度分布，呈現(xiàn)高斯光束分布特征。在2000年，Zhang等[15]又提出了動態(tài)相減技術(shù)，利用斬波器調(diào)制太赫茲信號的輸出頻率，并與CCD同步控制，進一步濾除了探測光中背景強度的影響，有效地提升了太赫茲脈沖焦平面成像的實用性。相比于逐點掃描成像，這種成像方式具有明顯的優(yōu)勢，立刻在太赫茲領(lǐng)域成為了人們關(guān)注的熱點。

2.2 太赫茲脈沖焦線成像

在2008年，日本大阪大學(xué)Yasui等[16]對太赫茲成像的發(fā)展提出了一個有趣的改進，形成了一套太赫茲脈沖焦線成像系統(tǒng)，在一定程度上也較好地縮短了成像耗時。圖2(a)展示了太赫茲脈沖焦線成像系統(tǒng)的光路圖，利用柱透鏡(CL1)將太赫茲光束匯聚成一條焦線照射樣品，通過樣品后的太赫茲焦線又經(jīng)過一個球透鏡(L2)和一個柱透鏡(CL2)被準直為平行光。在探測光路中，探測光首先經(jīng)過擴束，并與太赫茲光束形成非共線重合。在重合區(qū)域，探測晶體ZnTe2相對于探測光垂直放置，對太赫茲信號進行電光采樣。最后，由CMOS攝像頭獲取探測光圖像，進而提取太赫茲信號。此成像技術(shù)的獨特之處在于，由于太赫茲光束與探測光非共線重合，不同重合區(qū)域?qū)?yīng)著不同的時間延遲，因此利用此成像技術(shù)不需要對太赫茲信號進行時域掃描，可以直接從CMOS獲取的圖像中提取出太赫茲時域信號，進而縮短實驗耗時。利用此系統(tǒng)，Yasui等人對一個金屬孔陣列樣品進行了成像測試，如圖2(b)所示。樣品分為四個區(qū)域，每個區(qū)域的孔陣列尺寸有所不同，樣品以1 mm/s速度橫向移動通過太赫茲焦線，圖2(b)展示了樣品的太赫茲圖像，波段位于0.407 THz、0.815 THz、1.600 THz?？梢钥闯?，隨著頻率的增大，太赫茲圖像的分辨率也逐漸升高，表現(xiàn)出了此成像技術(shù)的測量性能。當(dāng)然，從太赫茲成像的結(jié)果不難看出，由于太赫茲波段的波長較長，一般所能達到的圖像分辨率還是很低，同時由于用CCD或CMOS采集太赫茲圖像，不能通過鎖相技術(shù)進行濾波，因此所提取的太赫茲信號的信噪比較低，這些因素都限制了太赫茲脈沖焦平面成像技術(shù)的應(yīng)用。

圖2 太赫茲脈沖焦線成像[16]。(a) 太赫茲脈沖焦線成像系統(tǒng)；(b) 金屬孔陣列樣品和樣品的太赫茲圖像，頻率范圍位于0.407 THz、0.815 THz、1.600 THz

2.3 太赫茲脈沖焦平面成像的性能提升

從2009年到2010年，本科研團隊嘗試采用一系列技術(shù)對太赫茲脈沖焦平面成像進行性能改進[17-19]，圖3(a)展示了改進后的太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)光路。1) 為了提升太赫茲成像的圖像分辨率，采用了準近場探測技術(shù)，光路如圖3(b)所示[17]。將太赫茲光束與探測光束相對傳輸，共同照射探測晶體，探測光被晶體的左側(cè)表面反射，與太赫茲光束形成共線，進而通過電光采樣技術(shù)進行相干探測。采樣此種測量方式，可以將待測樣品緊貼探測晶體放置，當(dāng)太赫茲光波通過樣品后可以被立刻測量，很大程度上避免了衍射效應(yīng)對太赫茲成像的影響。由于太赫茲輻射處于亞毫米波段，此測量模式可以獲取一部分太赫茲光波的近場信息，因此使得圖像分辨率得到很好地提升。利用此系統(tǒng)對金屬孔陣列樣品進行測量，可以清晰地觀測樣品的形貌信息，圖像分辨率可以達到約160 μm。2) 為了改進成像系統(tǒng)的信噪比，提出了將差分電光探測技術(shù)引入成像系統(tǒng)，如圖3(c)所示[18]。拋棄了利用正交偏振片對探測光進行檢偏的方法，將在太赫茲光譜技術(shù)中被廣泛使用的差分電光探測技術(shù)用于成像系統(tǒng)。當(dāng)對探測光進行檢偏時，使探測光連續(xù)通過1/4波片(QWP)和沃拉斯頓棱鏡(PBS)，將探測光分為兩個光斑，并由CCD同時獲取。通過動態(tài)相減技術(shù)，從兩個探測光斑中同時提取太赫茲光場分布，可以看出在相應(yīng)像素位置上，兩個太赫茲信號具有相同的噪聲浮動和相反的信號極性，將兩個太赫茲信號相減后，可以在有效壓制噪聲的同時將信號強度提高一倍。因此，利用此技術(shù)可以比正交偏振片檢偏方法更好地濾除探測光背景強度，使得單像素太赫茲信號的信噪比可以達到約20 dB。3) 為了提高成像系統(tǒng)的信息獲取能力，通過改變探測光偏振態(tài)實現(xiàn)了對不同太赫茲偏振分量的高精度測量，如圖3(d)所示[19]。在傳統(tǒng)太赫茲偏振檢測過程中，多是采用旋轉(zhuǎn)探測晶體，改變探測晶體晶向的方式對不同太赫茲偏振分量進行測量[20]，而這一方法在太赫茲脈沖焦平面成像中會引入很大的誤差，影響成像質(zhì)量。本團隊首次提出了通過改變探測光偏振方向進行太赫茲偏振成像的方法，當(dāng)探測光偏振態(tài)與探測晶體<001>軸平行或垂直時，水平太赫茲分量E被探測；當(dāng)探測光偏振態(tài)與晶體<001>軸成45°時，豎直太赫茲分量E被探測。在此原理的基礎(chǔ)上，在探測光路中引入了1/2波片(HWP)和偏振片(P)對探測光偏振態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)了太赫茲偏振成像。利用兩個部分重疊放置的石英晶片作為樣品檢測成像系統(tǒng)性能，獲取了樣品的太赫茲偏振圖像?？梢钥闯?，在兩個晶片的重疊區(qū)域?qū)μ掌澠駪B(tài)影響最大，所以圖像強度響應(yīng)最明顯；在一個晶片的區(qū)域?qū)μ掌澠駪B(tài)影響較小，圖像強度響應(yīng)較弱；在沒有晶片區(qū)域?qū)μ掌澠駪B(tài)沒有影響，圖像強度不發(fā)生變化。通過這一系列的技術(shù)革新，使得太赫茲脈沖焦平面成像具有了較好的分辨率和信噪比，并具有了偏振測量功能，很大程度上提升了此太赫茲成像技術(shù)的實用性。

圖3 太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)的改進[17-19]。(a) 改進后的太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)；(b) 準近場探測技術(shù)；(c) 差分電光探測技術(shù)；(d) 偏振探測技術(shù)

2.4 太赫茲脈沖焦平面顯微成像

隨著太赫茲脈沖焦平面成像技術(shù)的不斷成熟，人們不斷嘗試將此成像技術(shù)的性能提升至極致。在2011年，日本京都大學(xué)的Blanchard等[21]將太赫茲脈沖焦平面成像的圖像分辨率提升至14 μm，達到了相應(yīng)太赫茲波段(波長430 μm，頻率0.7 THz)波長的1/30，實現(xiàn)了太赫茲近場顯微。如圖4(a)所示，在此系統(tǒng)中 Blanchard等人仍然采用了準近場探測和差分電光探測的測量方式，特別之處在于所使用的探測晶體為20 μm厚的LiNbO3晶體。此晶體具有較強的電光系數(shù)，可以更敏感地響應(yīng)太赫茲信號。由于將晶體做得如此之薄，可以很大程度消除太赫茲光波在晶體內(nèi)部的衍射對圖像分辨率的影響。同時，在測量過程中，Blanchard等人直接將待測樣品加工到了探測晶體表面，進一步消除了太赫茲光波透射過樣品后的衍射影響。還采用了傾斜激光脈沖照射LiNbO3棱鏡的方法，產(chǎn)生了強度達到200 kV/cm的太赫茲輻射，以提高太赫茲圖像的對比度。他們選擇了一個間距是20 μm的雙狹縫金屬模板進行成像測量，檢測成像系統(tǒng)性能，樣品的光學(xué)和0.7 THz太赫茲圖像如圖4(b)所示。從太赫茲圖像中可以清晰地觀測到樣品的形貌，其與光學(xué)圖像效果幾乎一致。在圖4(b)中的虛線位置提取一條太赫茲強度包絡(luò)曲線，其分布如圖4(c)所示，其與相應(yīng)的光學(xué)強度包絡(luò)曲線基本一致。根據(jù)太赫茲強度分布的10%~90%范圍評估成像分辨率，可以得到14 μm的分辨率，這是目前太赫茲脈沖焦平面成像可以達到的最高分辨率。此工作也證明了，利用太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)可以對微米尺度的樣品進行檢測，這無疑對開拓太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的價值。

2.5 太赫茲脈沖焦平面成像的光場矢量表征

隨著人們對于太赫茲成像測試需求的不斷提高，對于太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)的性能又有了新的改進。在2014年，本科研團隊嘗試將<100>晶向的ZnTe晶體引入成像系統(tǒng)，作為探測晶體使用，成功實現(xiàn)了對太赫茲光場的矢量表征[22]。圖5(a)展示了相應(yīng)的成像系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的<110>ZnTe晶體，<100>ZnTe晶體僅對太赫茲光場中的縱向分量E產(chǎn)生響應(yīng)，因此兩種晶體相互配合可以對任意太赫茲光場的矢量分布特性進行表征。為了檢測此成像系統(tǒng)的性能，利用高阻硅透鏡對太赫茲光波進行聚焦，并觀測了在匯聚過程中E的復(fù)振幅變化。圖5(b)展示了線偏振太赫茲光場在聚焦過程中E振幅與相位的演變，其偏振方向沿軸，可以看出E振幅呈現(xiàn)了沿軸的左右對稱雙極值分布，與偶極子的電磁輻射類似，E相位呈現(xiàn)了左右反對稱分布特征，在左右對應(yīng)區(qū)域存在π的相位差。這表明在太赫茲光波聚焦過程中，僅在-平面產(chǎn)生E分量，并且在軸兩側(cè)的E分量相向傳播，在光軸區(qū)域產(chǎn)生了相干相消，最終形成這樣的特殊分布。在此基礎(chǔ)上，本團隊又測量了左旋圓偏振太赫茲光場在聚焦過程中E的演變，如圖5(c)所示。此時，在-和-平面上都產(chǎn)生了E分量，二者相差π/2的相位并且相互干涉，形成了渦旋形態(tài)的分布特征。E振幅呈現(xiàn)了“甜甜圈”分布模式，E相位呈現(xiàn)了順時針螺旋變化趨勢，并且在焦平面前后E相位的扭轉(zhuǎn)方向發(fā)生了明顯的反轉(zhuǎn)，這些特征與之前觀測的太赫茲渦旋光束衍射特性極為相似[23]。至此為止，可以說太赫茲脈沖焦平面成像已經(jīng)擁有了較為成熟的檢測功能，可以對太赫茲二維光場的幾乎全部信息進行高精度測量，包括振幅、相位、頻率、偏振，在很多工業(yè)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價值。

圖4 太赫茲脈沖焦平面顯微成像[21]。(a) 太赫茲脈沖焦平面顯微成像系統(tǒng)；(b) 雙縫金屬模板的光學(xué)和太赫茲圖像；(c) 在(b)中虛線位置處提取的太赫茲強度包絡(luò)曲線

3 太赫茲脈沖焦平面成像的應(yīng)用

3.1 光譜識別檢測

隨著太赫茲脈沖焦平面成像的功能逐步完善，它的應(yīng)用價值也逐漸顯現(xiàn)，這里僅綜述一些有代表性的工作。2006年，美國倫斯勒理工大學(xué)的Zhong等[24]利用反射式太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)對五種化學(xué)物質(zhì)進行了光譜識別檢測，如圖6(a)所示。在此工作中，Zhong等人為了提高成像系統(tǒng)的實用性，采用了反射測量模式，測量了由五種化學(xué)物質(zhì)(2,4-DNT、可可堿、RDX、谷氨酸和玻璃樣品)反射的太赫茲二維圖像，圖6(b)展示了五種物質(zhì)的光學(xué)照片和太赫茲圖像，波段分別位于0.82 THz、1.08 THz、1.21 THz。由于不同化學(xué)物質(zhì)對于太赫茲輻射具有不同的吸收特性，所以樣品在不同波段的太赫茲圖像有不同的明暗響應(yīng)。在0.82 THz圖像中，爆炸物RDX的太赫茲圖像有更強的亮度；在1.08 THz圖像中，二硝基甲苯2,4-DNT的太赫茲圖像有更強的亮度；在1.21 THz圖像中，谷氨酸的太赫茲圖像相比于其它物質(zhì)有更強反映。此工作成功驗證了太赫茲脈沖焦平面成像對物質(zhì)進行光譜識別測量的可行性，獲得了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。2010年，日本大阪大學(xué)Schirmer等[25]利用太赫茲脈沖焦線成像系統(tǒng)對人類牙齒切片樣品進行了檢測，證明了此成像技術(shù)在生物檢測中的應(yīng)用潛力。如圖6(c)所示，Schirmer等人采用了透射測量模式，將樣品置于太赫茲焦線位置，并以0.1 mm/s的速度橫向掃描樣品進行成像測量。圖6(d)展示了人類牙齒切片樣品的光學(xué)圖像和位于0.153 THz、0.306 THz、0.460 THz、0.613 THz的太赫茲光譜圖像。可以看出，從太赫茲圖像中可以較清晰地觀測到牙齒切片的形貌分布。并且，在低頻波段，牙齒切片的外部殼層對太赫茲光波的吸收更為強烈；在高頻波段，牙齒切片的外部和內(nèi)部殼層對太赫茲光波的吸收沒有明顯差別。此工作表明了在不同波段生物樣品有著不同的太赫茲光譜響應(yīng)，證明了此成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用前景。除此之外，還有很多工作涉足于利用太赫茲脈沖焦平面成像對物質(zhì)進行光譜檢測，例如2005年，尼康公司的Usami等[26]利用透射式太赫茲脈沖焦平面成像測量了水楊酸、生物素和葡萄糖的太赫茲光譜響應(yīng)；2009年，美國麻省理工學(xué)院的Wu等[27]利用改進的太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)觀測了LiNbO3晶體中太赫茲輻射的產(chǎn)生與傳輸過程，并測量了太赫茲光波通過二維平行波導(dǎo)后的頻譜響應(yīng)。這些工作都為太赫茲脈沖焦平面成像在光譜識別檢測中的應(yīng)用發(fā)展提供了重要的助力，使這項成像技術(shù)的應(yīng)用價值逐漸被人們所關(guān)注。

圖5 太赫茲脈沖焦平面成像實現(xiàn)對矢量光場測量[22]。(a) 太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)，探測晶體選用了<100>ZnTe；(b) 線偏振匯聚太赫茲光場，其Ez分量在傳輸過程中振幅和相位的演變；(c) 左旋圓偏振匯聚太赫茲光場，其Ez分量的復(fù)振幅演化過程

圖6 太赫茲脈沖焦平面成像的光譜識別檢測[24-25]。(a) 利用太赫茲脈沖焦平面反射成像系統(tǒng)對化學(xué)藥品的檢測；(b) 2,4-DNT、可可堿、RDX、谷氨酸和玻璃的光學(xué)圖像以及太赫茲圖像；(c) 利用太赫茲脈沖焦線成像系統(tǒng)對生物切片的檢測；(d) 人類牙齒切片樣品的光學(xué)圖像以及太赫茲圖像

3.2 超表面器件的功能表征

隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，人們對于太赫茲系統(tǒng)的小型化、集成化、多功能化提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)太赫茲系統(tǒng)過大的體積和繁雜的光路已經(jīng)逐漸成為了阻礙太赫茲技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。2011年，美國哈佛大學(xué)的Yu等[28]首次提出了超表面的概念，設(shè)計并制備了亞波長金屬天線器件，實現(xiàn)了對可見光場的特殊調(diào)制作用。由于此類元件尺寸遠遠小于傳統(tǒng)光學(xué)元件，并且通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以實現(xiàn)不同的功能，迅速引起了光學(xué)領(lǐng)域的普遍關(guān)注。本科研團隊于2013年首次將超表面技術(shù)引入太赫茲領(lǐng)域，設(shè)計了太赫茲波段的V型天線，實現(xiàn)了對太赫茲光場的純相位調(diào)制，并制備了厚度僅為波長1/4000的太赫茲超表面透鏡。此器件的概念如圖7(a1)所示，太赫茲光波通過超表面透鏡后可以被很好地聚焦和成像，而太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)為這一器件的功能表征提供非常適合的平臺[29]。圖7(a2)展示了用于成像的金屬鏤空字母“C”、“N”、“U”，每一個字母的尺寸約為4 mm。圖7(a3)展示了利用此透鏡進行的成像效果，可以很清晰地觀測出每個字母的形貌，驗證了此透鏡具有良好的成像性能。此工作得到了太赫茲領(lǐng)域同行的普遍認可。在此工作基礎(chǔ)上，本團隊又研發(fā)出了一系列太赫茲波段的超表面衍射器件，并利用太赫茲脈沖焦平面成像進行功能驗證。2015年，本團隊利用棒型天線實現(xiàn)了對太赫茲

光波的偏振選擇性響應(yīng)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計制備了太赫茲光子霍爾透鏡，完成了對左旋和右旋入射光的空間分離聚焦，如圖7(b1)所示[30]。當(dāng)入射光為左旋/右旋時，由棒型天線的正交極化會激發(fā)出相應(yīng)的右旋/左旋太赫茲光波，并加載相應(yīng)的Pancharatnam-Berry幾何相位，進而實現(xiàn)空間分離聚焦。圖7(b2)展示了當(dāng)入射光為右旋圓偏振時，出射的聚焦光波出現(xiàn)在-和-平面的右側(cè)；當(dāng)入射光為左旋圓偏振時，出射的聚焦光波出現(xiàn)在-和-平面的左側(cè)。2016年，本團隊利用C型天線設(shè)計并實現(xiàn)了太赫茲環(huán)形艾里光束調(diào)制器，器件的光學(xué)顯微圖像如圖7(c1)所示[31]。當(dāng)太赫茲光波通過調(diào)制器后，正交極化的透射光形成了環(huán)形艾里光束，由于環(huán)形艾里光束具有向內(nèi)加速傳輸特性，在傳輸過程中會產(chǎn)生自聚焦效應(yīng)。圖7(c2)展示了透射的太赫茲環(huán)形艾里光束在-平面的傳輸過程，清晰地顯示了太赫茲光束的自聚焦過程。圖7(c3)展示了在太赫茲環(huán)形艾里光束傳輸?shù)牟煌恢毛@得的光場分布?？梢钥闯鲈诰劢怪?，太赫茲光場呈現(xiàn)環(huán)形分布，這是典型的環(huán)形艾里光束分布特征；在聚焦之后，太赫茲光場呈現(xiàn)中心主光斑和周圍環(huán)形旁瓣的分布特點，這與貝塞爾光束的光場分布十分類似。2016年，本團隊利用C型天線設(shè)計制備了太赫茲多波長全息圖，如圖7(d1)所示[32]。此工作的理論基礎(chǔ)在于，對于同一個C型天線，不同頻段的太赫茲光波具有不同的相位調(diào)制效果。因此通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以形成一個頻分復(fù)用全息圖，當(dāng)寬帶太赫茲脈沖入射器件時，不同頻段的透射圖像會呈現(xiàn)不同的光場分布。圖7(d2)和圖7(d3)分別展示了當(dāng)太赫茲脈沖入射全息圖后，出射的0.50 THz和0.63 THz的圖像分布，可以看出0.50 THz圖像呈現(xiàn)了字母“C”的形態(tài)，而0.63 THz圖像呈現(xiàn)了字母“N”的形態(tài)。雖然存在著輕微的信號串?dāng)_，但是“C”和“N”的形狀都可以明確地識別。以上三個工作分別將太赫茲超表面器件擴展出了偏振選擇響應(yīng)、特殊光束產(chǎn)生、頻分復(fù)用的功能，在研發(fā)這些器件的過程中，太赫茲脈沖焦平面成像作為重要的表征手段，起到了關(guān)鍵的作用，這些工作都極大地推動了多功能太赫茲器件與系統(tǒng)的發(fā)展。除此之外，國內(nèi)很多知名課題組也與本團隊合作，研發(fā)了各種太赫茲波段的衍射光學(xué)元件。例如，2017年南京大學(xué)陸延青和胡偉團隊與本團隊合作研發(fā)了基于高雙折射液晶分子的太赫茲渦旋光束調(diào)制器[33]；2019年復(fù)旦大學(xué)周磊和何瓊團隊與本團隊合作研發(fā)了針對圓偏振太赫茲光波的高效超表面器件，衍射效率可高達90%[34]。在這些工作的完成過程中，太赫茲脈沖焦平面成像都起到了重要的表征功能。

圖7 利用太赫茲脈沖焦平面成像對超表面器件進行功能表征[29-32]。(a) 太赫茲超表面透鏡的成像功能表征；(b) 太赫茲超表面光子霍爾器件的偏振選擇性響應(yīng)表征；(c) 太赫茲超表面環(huán)形艾里光束調(diào)制器功能表征；(d) 太赫茲超表面多波長全息圖功能表征

3.3 太赫茲特殊光束的矢量表征

隨著人們對于太赫茲光子學(xué)以及相關(guān)技術(shù)的理解逐步深入，研究的熱點已經(jīng)逐漸觸及到了太赫茲波段的各種特殊光束。所謂特殊光束，是指相對于普通的平面光波、球面光波等，這些光束具有獨特的強度及相位分布，并且這些獨特性質(zhì)使得這些光束具有明顯的應(yīng)用價值。例如，渦旋光束具有環(huán)形振幅和螺旋相位[35]，可以作為載波在光通信領(lǐng)域得到應(yīng)用；貝塞爾光束在很長的一段無衍射區(qū)域內(nèi)保持光場分布的穩(wěn)定性[36]，可以在光學(xué)加工技術(shù)、光學(xué)成像中得到應(yīng)用；瓶子光束具有一個三維光學(xué)勢阱[37]，在光鑷、粒子操控等領(lǐng)域應(yīng)用價值巨大。

從2016年到2018年，本科研團隊利用太赫茲脈沖焦平面成像的矢量表征功能，研究了一系列太赫茲波段特殊光束的衍射特性，包括太赫茲渦旋光束、太赫茲貝塞爾光束、太赫茲瓶子光束。在2016年，本團隊利用聚乳酸材料加工了0.62 THz波段的渦旋相位板，通過渦旋相位板與硅透鏡的共同調(diào)制產(chǎn)生了匯聚的太赫茲渦旋光束，并利用太赫茲脈沖焦平面成像測量了太赫茲渦旋光束在焦點附近的橫向電場E與縱向電場E分布[38]。圖8(a1)和圖8(a3)展示了線偏振聚焦太赫茲渦旋光束的E振幅和相位分布，可以看出由于存在中心的相位奇點，E振幅中心出現(xiàn)了強度暗點，表現(xiàn)出典型的“甜甜圈”分布模式；E相位展現(xiàn)了明顯的螺旋變化趨勢，由于渦旋相位板的拓撲荷數(shù)為1，因此相位變化范圍從0到2π。圖8(a2)和圖8(a4)展示了E的振幅和相位分布，E振幅呈現(xiàn)了中心主光斑與兩側(cè)彎月旁瓣的分布模式E相位呈現(xiàn)了180°的旋轉(zhuǎn)對稱分布，在光軸附近E相位呈現(xiàn)平面，在光軸兩側(cè)E相位出現(xiàn)兩個相位奇點。這一現(xiàn)象的解釋為，對于線偏振太赫茲匯聚光波，其E分布應(yīng)如圖5(b)所示，然而由于渦旋相位調(diào)制的引入，抵消了原本在光軸位置的相干相消，呈現(xiàn)了如此復(fù)雜特殊的分布模式。在此工作基礎(chǔ)上，本團隊于2017年利用聚四氟乙烯軸棱錐產(chǎn)生了太赫茲波段的貝塞爾光束，并觀測了太赫茲貝塞爾光束矢量光場的無衍射特性[39]。圖8(b1)和圖8(b3)展示了利用底角為30°的軸棱錐所產(chǎn)生0.6 THz線偏振貝塞爾光束的E振幅與相位分布，在-平面，E振幅呈現(xiàn)了典型的0階貝塞爾函數(shù)分布特征，包括中心主光斑與周圍環(huán)形旁瓣，在-平面，E振幅呈現(xiàn)了24 mm范圍內(nèi)的無衍射傳輸特性，在此傳輸范圍內(nèi)太赫茲光斑的強度分布幾乎沒有發(fā)生變化；在-平面，E相位呈現(xiàn)了同心圓分布模式，并且在相鄰圓區(qū)域邊界處存在π的相位跳變，在-平面，在光軸附近E相位表現(xiàn)出了線性變化的Gouy相移，這些現(xiàn)象與可見光波段的貝塞爾光束是一致的[40]。圖8(b2)和圖8(b4)展示了E的振幅和相位分布，與圖5(b)所展示的現(xiàn)象類似，E振幅也表現(xiàn)出了雙極性分布，在光軸處存在強度暗點，E相位表現(xiàn)出相對于軸左右反對稱分布，左右相對位置存在π的相位差。同時，E分量也展示了明顯的無衍射特性，在24 mm的傳輸區(qū)域內(nèi)，E振幅表現(xiàn)出了穩(wěn)定的場分布。隨著工作的深入，在2018年本團隊又利用聚四氟乙烯軸棱錐與硅透鏡相組合的方式，產(chǎn)生了太赫茲波段的瓶子光束，并觀測了其光場演化過程[41]。圖8(c1)和圖8(c2)展示了太赫茲光場在不同傳播位置=-4.5 mm、0 mm、4.5 mm處的E振幅與相位分布，以及太赫茲光場在-平面上的E振幅與相位演化過程?？梢钥闯觯谄孔庸馐膬啥?，E振幅都呈現(xiàn)了類似貝塞爾光束的分布模式，在瓶子光束的中部，E振幅呈現(xiàn)了光環(huán)分布，在整體上形成了一個典型的三維光學(xué)勢阱。根據(jù)E相位分布，可以很好地理解瓶子光束的形成過程。在瓶子光束的前后兩端，E相位分別表現(xiàn)出了匯聚和發(fā)散的趨勢，在瓶子光束的中部，E相位表現(xiàn)出了匯聚的焦點。這意味著，在太赫茲光束通過軸棱錐后形成了沿不同方向折射的平面波，又經(jīng)過透鏡的匯聚，在透鏡焦距位置形成了光環(huán)分布，而在焦點的前后位置由于干涉效應(yīng)形成了類似貝塞爾光束的分布模式。在此工作中，同樣測量了太赫茲瓶子光束的E分布，E的振幅分布如圖8(c3)所示?？梢钥闯?，在瓶子光束的前后兩端，E振幅都表現(xiàn)出了離軸雙極性分布，與圖8(b2)十分類似，在瓶子光束的中部，E振幅又呈現(xiàn)了左右對稱的雙彎月分布特征。由于這里太赫茲光場的偏振態(tài)是線偏振，在-平面上不存在E分量，所以呈現(xiàn)了這樣的分布模式。

總體來說，由于太赫茲特殊光束的獨特衍射性質(zhì)，研究這些光束對于開發(fā)新型太赫茲光譜與成像系統(tǒng)具有很好的推動意義，目前太赫茲特殊光束已經(jīng)在太赫茲成像[42]、太赫茲場進行粒子加速[43]等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。利用太赫茲脈沖焦平面成像，可以對太赫茲特殊光束的衍射特性進行全面而準確地表征，對于推進太赫茲特殊光束的研究與應(yīng)用意義重大。

圖8 利用太赫茲脈沖焦平面成像對太赫茲特殊光束進行矢量表征[38-39, 41]。(a) 太赫茲渦旋光束的矢量表征；(b) 太赫茲貝塞爾光束的矢量表征；(c) 太赫茲瓶子光束的矢量表征

3.4 太赫茲表面波的觀測

隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于集成光學(xué)系統(tǒng)的需求越來越大，如果可以研制出類似于集成電路的“集成光學(xué)芯片”將極大地推進光學(xué)信息技術(shù)、光學(xué)檢測技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，表面等離子體器件的問世為研發(fā)光學(xué)芯片提供了可能的思路。所謂表面等離子體器件，是指在金屬或半導(dǎo)體表面加工亞波長縫槽結(jié)構(gòu)，當(dāng)光波入射結(jié)構(gòu)時，通過結(jié)構(gòu)散射實現(xiàn)波矢匹配，進而形成沿器件表面?zhèn)鬏數(shù)碾姶挪╗44]。這類器件的優(yōu)勢在于，可以通過適當(dāng)設(shè)計表面結(jié)構(gòu)對表面電磁波進行調(diào)控，進而實現(xiàn)通信、傳感、信息處理等各種功能。在太赫茲波段，表面等離子體器件的研究也已經(jīng)成為了一個重要的發(fā)展分支，有眾多國內(nèi)外的科研團隊投身其中[45-46]。在表征表面等離子器件的功能時，需要對表面電磁波的傳輸過程進行測定，而由于表面電磁波的偏振是垂直于器件表面的，利用太赫茲脈沖焦平面成像的矢量檢測功能正好可以為這種測量需求提供可靠的技術(shù)手段，本科研團隊也開展了相關(guān)的研究工作。在2016年，本團隊利用太赫茲脈沖焦平面成像對金屬亞波長結(jié)構(gòu)所激發(fā)的太赫茲表面波進行了測定，記錄并分析了太赫茲表面波的傳輸過程[47]。如圖9(a1)所示，在厚度為150 μm的鋼板上加工了一個寬度為270 μm、半徑為6 mm的半環(huán)狹縫。當(dāng)偏振沿著方向的太赫茲波入射結(jié)構(gòu)時，會沿著半環(huán)邊緣激發(fā)太赫茲表面波，并在鋼板表面?zhèn)鬏敗８鶕?jù)費馬原理，所激發(fā)的太赫茲表面波將經(jīng)歷一個匯聚過程。圖9(a2)和圖9(a3)分別展示了在時間延遲為1.07 ps和4.27 ps時，通過太赫茲脈沖焦平面成像所記錄的太赫茲表面波傳輸過程，可以看出太赫茲表面波成彎月分布，并隨著時間延遲呈現(xiàn)匯聚趨勢，與理論預(yù)測一致。通過記錄一系列太赫茲表面波的時域圖像，并進行傅里葉變換，觀測其頻域分布模式。圖9(a4)、圖9(a5)、圖9(a6)分別展示了0.44 THz表面波的振幅、相位和實部分布圖像，可以看出這些圖像清晰地展示了太赫茲表面波的匯聚過程，證明了利用太赫茲脈沖焦平面成像對太赫茲表面波進行測量的可行性。在此工作的基礎(chǔ)上，本團隊于2019年通過軸棱錐與金屬半環(huán)狹縫配合的方式，實現(xiàn)了太赫茲表面瓶子光束，并利用太赫茲脈沖焦平面成像進行了測定[48]。如圖9(b1)所示，當(dāng)太赫茲光波入射軸棱錐時會形成沿不同方向折射的平面波，這些平面波照射金屬半環(huán)狹縫激發(fā)太赫茲表面波，太赫茲表面波在匯聚的過程中也會攜帶入射光波的相位，最終在金屬表面形成二維瓶子光束，這一過程與利用軸棱錐和硅透鏡形成自由空間的太赫茲瓶子光束是一致的。圖9(b2)和圖9(b3)展示了0.33 THz太赫茲表面瓶子光束的振幅與相位分布，可以看出其振幅形成了二維暗焦點區(qū)域，其相位展示了太赫茲表面波匯聚成兩個焦點并繼續(xù)發(fā)散傳播的過程。此工作證明了利用傳統(tǒng)光學(xué)元件與表面等離子體器件配合的方式可以有效地操控表面波的傳輸模式，對于開發(fā)新型表面等離子體器件具有重要價值。

圖9 利用太赫茲脈沖焦平面成像對太赫茲表面波進行表征[47-48]。(a) 太赫茲表面匯聚光束的表征；(b) 太赫茲表面瓶子光束的表征

除了以上綜述的應(yīng)用領(lǐng)域，太赫茲脈沖焦平面成像還在其它不同領(lǐng)域得到了應(yīng)用，例如日本濱松公司的Yasuda等[49]利用太赫茲脈沖焦平面成像觀測了水滴下落的過程，證明了此成像技術(shù)可以對物體的實時運動進行測定；首都師范大學(xué)的Zhang等[50]利用反射太赫茲脈沖焦平面成像對隱蔽在包裝袋內(nèi)的玩具手槍進行了檢測，證明了此成像技術(shù)有用于安全檢查的可能；法國波爾多大學(xué)的Abraham等[51]利用太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)與Hartmann傳感器配合對太赫茲波前進行了測定；本團隊也曾利用太赫茲脈沖焦平面成像觀測了太赫茲金屬共軸波導(dǎo)的傳輸模式[52]以及自由空間中聚焦太赫茲光束的Gouy相移演變過程[53]。總體來說，太赫茲脈沖焦平面成像從1996年誕生至今，經(jīng)歷了一個較為迅速的發(fā)展過程，并且其應(yīng)用價值已經(jīng)在多個工業(yè)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域得到了初步體現(xiàn)。

4 目前存在的問題

必須承認，目前的太赫茲脈沖焦平面成像還存在著較大的發(fā)展空間。首先，由于太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)無法利用鎖相技術(shù)進行濾波，其單像素太赫茲信號的信噪比始終無法和傳統(tǒng)的太赫茲時域光譜技術(shù)相媲美，好在隨著一些高非線性系數(shù)的晶體被逐步引入太赫茲領(lǐng)域(例如LiNbO3、DAST、DSTM等)，可以產(chǎn)生較強的太赫茲輻射源，在一定程度上緩解了太赫茲成像系統(tǒng)的信噪比需求[21, 54-55]；其次，太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)的成像區(qū)域受限于探測晶體的面積，目前多采用ZnTe、GaP、LiNbO3等作為探測晶體，其尺寸僅為1 cm2左右，要生長大面積的探測晶體價格昂貴且容易損壞，如何解決這一問題還需要進一步思考；還有，目前太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)所使用的光源多為飛秒激光放大器，同時太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng)本身光路也比較復(fù)雜，這些因素將這種成像技術(shù)限制于只能在實驗室使用，僅可以為基礎(chǔ)研究提供測試平臺，很難直接在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。是否可以將光源替換為飛秒激光振蕩器，同時簡化成像系統(tǒng)的光路和縮小成像系統(tǒng)的體積，是這種成像技術(shù)未來發(fā)展所要面對的難題。

5 太赫茲連續(xù)波焦平面成像

實際上，除了以太赫茲脈沖作為光源所進行的焦平面成像，還存在著以太赫茲連續(xù)波作為光源的焦平面成像系統(tǒng)。這類成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)十分類似，通常將太赫茲光束進行擴束并照射樣品，利用聚乙烯或高阻硅透鏡將樣品的太赫茲圖像投影到太赫茲CCD攝像頭上，實現(xiàn)焦平面成像?？梢?，太赫茲連續(xù)波焦平面成像的出現(xiàn)很大程度上依賴于強太赫茲輻射源和太赫茲陣列探測器的發(fā)展。這類系統(tǒng)的優(yōu)點在于光學(xué)系統(tǒng)小巧便于集成，成像速度也很快，有利于工業(yè)應(yīng)用。然而，這類系統(tǒng)也存在著一些缺陷，例如由于所用高功率太赫茲源多為單頻輻射源，因此此類成像沒有光譜信息；同時此類成像一般屬于非相干成像，只能記錄物體太赫茲圖像的強度信息，若要獲取物體相位信息，仍需要通過干涉記錄數(shù)字再現(xiàn)方式進行相位提取。目前，隨著太赫茲輻射源、探測器和功能器件的發(fā)展，太赫茲連續(xù)波焦平面成像技術(shù)也趨于成熟。2008年，美國加利福尼亞海軍研究院的Behnken等[56]利用2.8 THz的量子級聯(lián)激光器和160像素×120像素的微型熱輻射測量計陣列攝像頭對隱蔽在紙袋中的小刀進行了檢測。2012年，德國法蘭克福大學(xué)Boppel等[57]利用590 GHz射頻源和100像素×100像素的天線耦合場效應(yīng)管陣列探測器實現(xiàn)了對金屬分辨率板和硬幣的太赫茲成像。在國內(nèi)，也有很多單位致力于太赫茲連續(xù)波焦平面成像的研究。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Li等人和北京工業(yè)大學(xué)的Wang等人分別發(fā)展了太赫茲連續(xù)波共軸數(shù)字全息技術(shù)[58-59]和層析成像技術(shù)[60]，對于太赫茲連續(xù)波焦平面成像的性能提升起到了巨大的推動作用。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的Qin等[61]利用基于AlGaN/GaN場效應(yīng)管設(shè)計了太赫茲陣列探測器，實現(xiàn)了對900 GHz和340 GHz太赫茲光斑的成像，成像幀頻達到了30 Hz，這對于我國發(fā)展太赫茲陣列探測器是一個很大的突破。雖然這種成像技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)還處于起步階段，但是由于此成像技術(shù)具有較明顯的測量優(yōu)勢，相信在不久的未來會展現(xiàn)不小的應(yīng)用潛力。

6 結(jié) 論

本文針對太赫茲脈沖焦平面成像的誕生、發(fā)展和應(yīng)用，綜述了本科研團隊和國際相關(guān)課題組的部分工作。為了提高太赫茲成像的測量效率、穩(wěn)定性與采樣率，人們提出了太赫茲脈沖焦平面成像技術(shù)，實現(xiàn)了面陣太赫茲快速成像。在這項技術(shù)的發(fā)展過程中，人們相繼通過引入超薄探測晶體、準近場探測、動態(tài)相減方法、差分電光探測等手段改進成像系統(tǒng)的空間分辨率與系統(tǒng)信噪比，以及通過改變探測光的偏振態(tài)和更換不同晶向的探測晶體，讓成像系統(tǒng)可以對不同太赫茲偏振分量進行響應(yīng)，使得此成像技術(shù)幾乎可以對太赫茲光場的全部信息進行準確測定。同時，人們不斷開發(fā)這項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，使得太赫茲脈沖焦平面成像作為表征平臺已經(jīng)在光譜識別檢測、太赫茲超表面器件功能驗證、太赫茲特殊光束矢量測量、太赫茲表面波傳輸過程表征等諸多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。雖然太赫茲脈沖焦平面成像還存在一些問題有待解決，但是相信由于這種技術(shù)難以比擬的獨特優(yōu)勢，勢必成為眾多太赫茲技術(shù)中的重點發(fā)展方向之一，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中展現(xiàn)重要作用。

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Advancement and application of terahertz pulsed focal-plane imaging technique

Wang Xinke, Zhang Yan*

Beijing Key Lab for Metamaterials and Devices; Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China

Terahertz pulsed focal-plane imaging system

Overview:As a class of novel far-infrared testing technology, terahertz (THz) imaging has been rapidly developed for recent decades due to characteristics of the THz radiation, such as low photon energy, broad bandwidth, and high transmission to non-polar materials. Notably, the THz pulsed focal-plane imaging technique has become an important composition in all kinds of THz imaging methods because of its obvious measurement advantages. When the THz pulsed focal-plane imaging is employed, two-dimensional THz information of a substance can be accurately acquired in a single measurement and the raster scan process in traditional THz imaging is effectively avoided, which leads to the reduction of the experimental time as well as the enhancements of the measurement stability and sampling ratio. In this review, the technique innovations and application explorations of THz pulsed focal-plane imaging are introduced. This THz imaging technique was firstly proposed in 1996 and various means have been applied to improve its performance. With the development of the imaging technique, the super-thin sensor crystal and the quasi-near-field detection are introduced to improve the imaging spatial resolution; the dynamics subtraction and the balanced electro-optic detection are applied to enhance the signal-to-noise ratio of the imaging system. In addition, this imaging system can individually measure different THz polarization components (E,E, andE) by varying the polarization of the probe beam and using the sensor crystals with different crystalline orientations. Currently, it can be said that almost all of THz wave-front information can be obtained by using this imaging technique. With the maturation of the imaging technique, it has been applied into various industrial and fundamental research fields. Utilizing the spectroscopic measurement ability of the imaging system, identification of different chemical and biological samples can be achieved. Utilizing the vectorial measurement ability of the imaging system, the function of THz meta-surface devices, characterizations of THz special beams, and observations of THz surface electromagnetic waves have been demonstrated. Besides, this imaging technique has been also applied to measure transmission modes of THz waveguides, inspections to concealed objects, and so on. Of course, there is still much room for the future improvement of this imaging technique, such as the further enhancement of the signal-to-noise ratio, the enlargement of the imaging region, and the simplification of the optical configuration. Nevertheless, it can be expected that the imaging technique will show its tremendous application potentials in the future.

Citation: Wang X K, Zhang Y. Advancement and application of terahertz pulsed focal-plane imaging technique[J]., 2020,47(5): 190413

Advancement and application of terahertz pulsed focal-plane imaging technique

Wang Xinke, Zhang Yan*

Beijing Key Lab for Metamaterials and Devices; Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China

As an important composition of terahertz (THz) technology, THz pulsed focal-plane imaging has been paid widely attention since it was invented. Until now, researchers have introduced all kinds of methods to enhance the performance of this imaging technique. Simultaneously, this imaging technique has been tried to apply into various industrial and fundamental research fields. In this paper, recent technique improvements and application researches for THz pulsed focal-plane imaging are reviewed, including the spatial resolution enhancement, signal-to-noise ratio improvement, information acquiring ability as well as applications of this imaging technique in spectroscopic identification inspections, function demonstrations of meta-surface devices, measurements of THz special beams, observations of THz surface electromagnetic waves, and so on. The aim of this paper is to push the technique innovation and application exploration of THz pulsed focal-plane imaging.

terahertz; focal-plane imaging; resolution; meta-surface

National Natural Science Foundation of China (11474206, 11404224, 11774243, 11774246)

* E-mail: yzhang@mail.cnu.edu.cn

O441.4；O433.1

A

王新柯，張巖. 太赫茲脈沖焦平面成像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 光電工程，2020，47(5): 190413

10.12086/oee.2020.190413

: Wang X K, Zhang YAdvancement and application of terahertz pulsed focal-plane imaging technique[J]., 2020, 47(5): 190413

2019-07-19；

2019-09-30基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(11474206，11404224，11774243，11774246)

王新柯(1982-)，男，博士，副教授，主要從事太赫茲光譜與成像技術(shù)的研究。E-mail：wxk82721@cnu.edu.cn

張巖(1972-)，男，博士，教授，主要從事太赫茲光譜與成像、微納光子學(xué)、數(shù)字全息等方面的研究。 E-mail: yzhang@mail.cnu.edu.cn

版權(quán)所有?2020中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所