太赫茲實(shí)時(shí)近場(chǎng)光譜成像研究*

馮龍呈 杜琛 楊圣新 張彩虹2)? 吳敬波2) 范克彬2) 金飚兵2) 陳健2) 吳培亨

1)(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,超導(dǎo)電子學(xué)研究所,南京 210093)

2)(紫金山實(shí)驗(yàn)室,南京 211111)

太赫茲成像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力非常大,針對(duì)這個(gè)需求,本文設(shè)計(jì)并搭建了一種利用光整流和波前傾斜技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)太赫茲信號(hào)以及基于電光探測(cè)的實(shí)時(shí)太赫茲(terahertz,THz)近場(chǎng)光譜成像系統(tǒng).該系統(tǒng)可以進(jìn)行大視場(chǎng)THz 成像和緊聚焦THz 成像的切換使用,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化應(yīng)用提供了方法.并且由于成像是基于傳統(tǒng)的太赫茲時(shí)域光譜方法,可以同時(shí)獲得樣品圖像光譜幅度和相位信息,光譜分辨率約15 GHz.利用該系統(tǒng)測(cè)量研究了一系列微納加工的樣品,對(duì)成像系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,該實(shí)時(shí)太赫茲近場(chǎng)光譜成像系統(tǒng)在空間分辨率和成像速度上的優(yōu)越性,在1024× 512 的像素下,實(shí)時(shí)成像幀率高達(dá)20 f/s(1200 張/min).在大視場(chǎng)THz 成像下,空間最優(yōu)分辨率在1.5 THz達(dá)λ/4;在緊聚焦THz 成像下,空間最優(yōu)分辨率在0.82 THz達(dá)λ/12,這些性能使該系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)成像、生物效應(yīng)等方面具有很好的應(yīng)用場(chǎng)景.

1 引言

太赫茲(terahertz,THz)波(通常簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)Hz)通常是指頻率0.1—10 THz (1 THz=1012Hz)范圍內(nèi)的電磁輻射,在電磁波譜中位于微波和紅外之間.太赫茲波具有非常低的光子能量和比微波的更短的波長(zhǎng),因此太赫茲在物質(zhì)分析和無(wú)損檢測(cè)等方面具有非常廣泛的應(yīng)用[1-6].由于非常低的光子能量,不同于目前廣泛應(yīng)用的X 射線(xiàn)影像學(xué)檢查面臨的輻射電離損傷的潛在危害,太赫茲成像在生物醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用已經(jīng)被人們廣泛關(guān)注[2,7],特別是其在腫瘤診療中的巨大價(jià)值.因此,對(duì)太赫茲成像系統(tǒng)的深入研究顯得尤為重要.

近年來(lái),諸多太赫茲成像系統(tǒng)已經(jīng)被報(bào)道.早期,由Hu和Nuss[8]首次提出基于太赫茲時(shí)域光譜的成像系統(tǒng),該系統(tǒng)完成了太赫茲二維圖像的獲取,但是其遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量受制于衍射極限的限制,成像分辨率為毫米量級(jí),且成像時(shí)間非常長(zhǎng).為了解決分辨率的限制,基于探針掃描太赫茲成像技術(shù)[9,10]以及基于原子力顯微鏡成像技術(shù)[11]可以對(duì)樣品表面電場(chǎng)進(jìn)行增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)超高分辨的空間分辨率,可以突破到亞微米甚至納米級(jí)別,由于并沒(méi)有改變逐點(diǎn)掃描的方式,成像時(shí)間較慢,且對(duì)樣品與針尖之間的距離要求比較高.在提升成像時(shí)間方面,基于連續(xù)波的THz 實(shí)時(shí)快速成像技術(shù)[12]以及單像素壓縮感知成像技術(shù)[13-15]可以大幅度提升成像的時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)樣品的實(shí)時(shí)成像,但是其缺乏光譜信息.在1996 年,Wu等[16]報(bào)道了基于電光取樣方法的太赫茲脈沖焦平面成像系統(tǒng),該系統(tǒng)首次利用CCD相機(jī)直接獲取樣品二維圖像信息,使同時(shí)提升成像速度和空間分辨率成為可能.此后,人們也通過(guò)一些差分探測(cè)和光路優(yōu)化等方法嘗試提升系統(tǒng)的信噪比[17-19],但依然需要研究太赫茲脈沖與EO 晶體的相互作用,實(shí)時(shí)成像的性能以及結(jié)合光譜信息分析空間分辨率.

本文對(duì)LiNbO3晶體與不同厚度EO 晶體的作用效果、實(shí)時(shí)成像的性能以及時(shí)頻空間分辨率進(jìn)行了研究.利用飛秒激光泵浦非線(xiàn)性晶體產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲光束,然后將太赫茲光束分為大視場(chǎng)成像和緊聚焦成像,用于研究不同應(yīng)用場(chǎng)景成像效果,在大視場(chǎng)THz 成像下,空間最優(yōu)分辨率在1.5 THz達(dá)λ/4;在緊聚焦THz 成像下,空間最優(yōu)分辨率在0.82 THz達(dá)λ/12.在兩種方案之間利用位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用,并利用NIR CCD相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像的性能表征,在1024× 512 的像素下,實(shí)時(shí)采集幀率達(dá)20 f/s (1200 張/min).本文工作充分平衡系統(tǒng)的成像分辨率與成像速度,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用[20,21]奠定了基礎(chǔ).

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)時(shí)太赫茲近場(chǎng)光譜成像系統(tǒng)

自主搭建了一套透射式的實(shí)時(shí)太赫茲近場(chǎng)光譜成像系統(tǒng),圖1(a)是其示意圖.飛秒激光放大器輸出激光脈沖中心波長(zhǎng)800 nm,脈寬＜ 100 fs,重復(fù)頻率1 kHz.根據(jù)相干檢測(cè)原理[22],利用9∶1 分束鏡(BS)將飛秒激光分成泵浦光(pump beam)和探測(cè)光(probe beam)兩路光束,能量較高的光束稱(chēng)為泵浦光,用于激發(fā)非線(xiàn)性電光晶體產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)THz 脈沖,能量較低的光束稱(chēng)為探測(cè)光.在泵浦光路中,泵浦光經(jīng)反射鏡(M1)和反射光柵(grating)到達(dá)非線(xiàn)性電光晶體,這里基于光整流產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)THz 的非線(xiàn)性晶體為L(zhǎng)iNbO3晶體,該晶體具有很高的非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù),但很難實(shí)現(xiàn)共線(xiàn)匹配.為了提高THz 的輻射轉(zhuǎn)化效率,采用光柵對(duì)泵浦激光進(jìn)行波前傾斜,實(shí)現(xiàn)一級(jí)衍射光在非線(xiàn)性晶體LiNbO3中的非共線(xiàn)相位匹配來(lái)提高太赫茲輻射效率;在探測(cè)光路中,延遲線(xiàn)用于改變探測(cè)光和泵浦光之間的相位差,探測(cè)光經(jīng)過(guò)延遲線(xiàn)后,與攜帶樣品信息的THz 脈沖同時(shí)到達(dá)EO (electronic optic)光電晶體,探測(cè)光被EO 晶體反射后經(jīng)過(guò)四分之一波片(QWP)、二分之一波片(HWP)和偏振分束鏡(PBS)分成偏振方向互相垂直的兩束線(xiàn)偏振光,這兩束線(xiàn)偏振光同時(shí)到達(dá)NIR CCD相機(jī)與光電平衡探測(cè)器,這樣可以同時(shí)獲得待測(cè)樣品的圖像信息和光譜信息.這里選用的EO 探測(cè)晶體為300 μm厚〈110〉晶向的GaP和20 μm 厚〈110〉晶向的LiNbO3.

圖1 實(shí)時(shí)太赫茲近場(chǎng)光譜成像原理圖 (a)THz 成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)THz 實(shí)時(shí)成像原理示意圖Fig.1.Schematic diagram of real-time Terahertz near-field spectral imaging: (a)Schematic diagram of THz imaging system;(b)schematic diagram of THz real-time imaging principle.

太赫茲實(shí)時(shí)成像原理示意圖如圖1(b)所示,這里使用復(fù)合凸透鏡組L1(f1=500 mm)和L2(f1=300 mm),將樣品緊貼于EO 探測(cè)晶體表面置于L1 透鏡的焦點(diǎn)處,探測(cè)光經(jīng)過(guò)透鏡L1 后聚焦于復(fù)合透鏡的共焦點(diǎn)處,然后經(jīng)過(guò)L2 后形成平行的光束照射到相機(jī)的CMOS 陣列上.選用開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的透鏡組是因?yàn)樘綔y(cè)光在EO晶體的二維平面上經(jīng)過(guò)EO 光電效應(yīng)直接獲得了樣品的二維平面信息,即可以對(duì)樣品二維平面直接實(shí)時(shí)面陣成像,這是和一般對(duì)樣品逐點(diǎn)掃描成像方式最大的區(qū)別,也是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像的關(guān)鍵技術(shù).這里選用的NIR CCD相機(jī)是CMOS 面陣相機(jī),分辨率2048× 1080,曝光時(shí)間選擇8 ms,利用斬波器頻率60 Hz 采集一幅含有THz 信息的圖像和一幅不含THz 信息的背景圖像,兩幀圖像動(dòng)態(tài)相減,提升信噪比.另外,根據(jù)標(biāo)量衍射理論中的光場(chǎng)傳播,為了突破衍射極限獲得高分辨率成像,可以使用近場(chǎng)成像方式[23].這里我們使用位移臺(tái)將樣品緊貼EO 晶體,使兩者之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),減小樣品與EO 晶體之間的衍射,從而實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)探測(cè)提高了空間分辨率.

為了適應(yīng)不同類(lèi)型樣品測(cè)量研究需求,LiNbO3晶體產(chǎn)生的太赫茲波光路被分為大視場(chǎng)光路和緊聚焦強(qiáng)信號(hào)光路.采用太赫茲相機(jī)對(duì)光斑進(jìn)行了測(cè)量,并進(jìn)行了歸一化強(qiáng)度表征,如圖2 所示.在大視場(chǎng)光路中,太赫茲光斑尺寸較大,直徑約為5 mm左右,具有較大的成像探測(cè)面積,觀測(cè)視場(chǎng)較大(光斑如圖2(a)所示);聚焦光束利用拋物面鏡(PM1(2,3))進(jìn)行太赫茲的收集并進(jìn)聚焦,聚焦處的太赫茲電場(chǎng)可高達(dá)0.8 MV/cm,適用于測(cè)量研究對(duì)THz 吸收較強(qiáng)、透射信號(hào)較小的樣品(光斑如圖2(b)所示).我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種光束的時(shí)分復(fù)用探測(cè),如圖1(a)中虛線(xiàn)框所示,兩種光束通過(guò)電動(dòng)平移臺(tái)(mobile stage)進(jìn)行切換使用.

圖2 太赫茲光束圖像及橫截面輪廓 (a)大視場(chǎng)光束及橫截面輪廓;(b)緊聚焦光束及橫截面輪廓Fig.2.Terahertz beam image and cross-sectional profile: (a)Large field of view beam and cross-sectional profile;(b)tightly focused beam and cross-sectional profile.

2.2 微納結(jié)構(gòu)樣品制作

為了表征該太赫茲光譜成像系統(tǒng),基于微納加工技術(shù)(光刻、顯影、蒸金、剝離)制作了兩種微米尺度的微納結(jié)構(gòu)樣品用于測(cè)量研究系統(tǒng)性能.首先,選取透明石英作為基底,這與將結(jié)構(gòu)直接制作在探測(cè)晶體上的方法不同[24],可以具有很好的靈活性.然后旋涂LOR10B和AZ1500 兩種光刻膠用于剝離工藝,光刻顯影后使用磁控濺射儀蒸鍍200 nm Au 膜,剝離后得到完整的樣品結(jié)構(gòu),工藝流程圖如圖3(a)所示.

圖3 微結(jié)構(gòu)示意圖 (a)微納加工流程圖;(b)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.3.Schematic diagram of the microstructure: (a)Micro-nano processing flow chart;(b)structural design drawing.

因?yàn)閮煞N光路的光斑面積大小差別較大,因此緊聚焦光路采用200 μm 線(xiàn)寬的‘N’字母進(jìn)行成像,而大視場(chǎng)光路采用扇形樣品作為成像樣品,扇形樣品的直徑為4 mm,中心最小線(xiàn)寬受制于光刻機(jī)的精度誤差約在5 μm.樣品設(shè)計(jì)照片如圖3(b)所示.分別將樣品結(jié)構(gòu)與探測(cè)晶體緊密相貼,獲得近場(chǎng)成像結(jié)果,同時(shí)經(jīng)NIR CCD相機(jī)實(shí)時(shí)采集任意時(shí)域點(diǎn)處的圖像信息.

3 結(jié)果分析

3.1 理論分析

首先從理論上分析系統(tǒng)的光譜測(cè)量和太赫茲成像空間分辨的影響因素.對(duì)于光譜測(cè)量,構(gòu)建如圖4 的物理特性模型.直接測(cè)量透過(guò)樣品的THz 波的時(shí)域脈沖波形,通過(guò)傅里葉變換得到THz 波脈沖的振幅和相位,有樣品和沒(méi)有樣品數(shù)據(jù)傅里葉變換的比值可以得到樣品的復(fù)透射系數(shù),因此無(wú)需K-K 關(guān)系就能得到介電常數(shù)的實(shí)部和虛部.在時(shí)域波形中,只取第一個(gè)主透射峰時(shí),薄膜層樣品的復(fù)透射系數(shù)H(ω)可以表示為如下公式[25]:

圖4 THz TDS 光譜測(cè)量物理特性模型Fig.4.Physical characteristic model of THz TDS measurement.

其中Efilm(ω)為樣品薄膜時(shí)域波形的傅里葉變換;Esub(ω)為基底的時(shí)域波形傅里葉變換;t12,t23,t13分別為太赫茲波通過(guò)不同介質(zhì)的透射系數(shù);r12,r23為太赫茲波通過(guò)不同介質(zhì)之間的反射系數(shù);Pf(ω,L2),Pair(ω,L2)為通過(guò)不同介質(zhì)產(chǎn)生的THz 波傳輸變化.FP=[ 1+r12r23Pf(ω,L2)]2為薄膜中Fabry-Perot 效應(yīng)引起的反射信號(hào).從(1)式可以看出,測(cè)得的透射譜主要和樣品的光學(xué)介電參數(shù)有關(guān),因此樣品的光學(xué)介電參數(shù)不同,就可以獲得不同的THz光譜,即可以獲得THz 光譜成像.

對(duì)于太赫茲成像空間分辨率的影響因素,構(gòu)建如圖5 所示的物理特性模型.系統(tǒng)從發(fā)射晶體LiNbO3產(chǎn)生太赫茲輻射功率是一樣的,在入射功率一樣的情況下,THz 電場(chǎng)和THz 光斑大小成反比.大視場(chǎng)下產(chǎn)生的THz 電場(chǎng)相對(duì)較弱,而緊聚焦小視場(chǎng)下,產(chǎn)生的THz 電場(chǎng)則較強(qiáng).在EO 探測(cè)中,探測(cè)到的信號(hào)滿(mǎn)足公式[26]:

圖5 太赫茲成像物理特性模型(a)大視場(chǎng)成像;(b)緊聚焦成像Fig.5.Physical characteristic model of terahertz imaging:(a)Large field of view imaging;(b)tight focus imaging.

其中r41為探測(cè)晶體的非線(xiàn)性系數(shù);tEO為EO 探測(cè)晶體在THz 波段的透射系數(shù);L為EO 探測(cè)晶體的厚度;n0為晶體在800 nm 波段的折射率;ETHz為太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度.從(2)式中可以看出,較厚的EO 晶體可以獲得更好的信噪比.但是太赫茲波(波長(zhǎng)幾百μm)在EO 探測(cè)晶體也存在衍射和吸收,會(huì)影響成像的空間分辨率.而薄的EO 晶體可以減少這些影響,獲得較高的成像空間分辨率,但是又會(huì)帶來(lái)對(duì)EO 晶體電光效應(yīng)較弱導(dǎo)致信噪比較差的影響.實(shí)驗(yàn)嘗試過(guò)程中,嘗試了從20,100,300,500 μm和1 mm 等多種厚度的EO 探測(cè)晶體.最終,綜合考慮信噪比和成像分辨率,以及購(gòu)買(mǎi)加工EO 晶體的因素,我們?cè)诰o聚焦光路中選擇效果最佳的20 μm 的鈮酸鋰晶體作為EO 探測(cè)晶體;在大視場(chǎng)光路中,選擇效果最佳的300 μm 的GaP晶體作為EO 探測(cè)晶體.

3.2 緊聚焦THz 成像結(jié)果分析

THz 光譜成像系統(tǒng)的性能關(guān)鍵在于成像的空間分辨率及成像速度.相比于目前其他基于探針逐點(diǎn)掃描光譜成像而言,我們的系統(tǒng)在成像速度上得到了很大的提升,這特別適用于新鮮的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域組織病理切片的樣品,是太赫茲在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的可能方面.由于采用了飛秒激光波段的NIR CCD相機(jī),相當(dāng)于把THz 信號(hào)轉(zhuǎn)化為飛秒激光信號(hào)直接用NIR CCD相機(jī)采集,避免了逐點(diǎn)掃描,直接可以得到完整的一幅圖像.

表征該緊聚焦成像系統(tǒng)分辨率時(shí),我們將微納加工制作的金屬為結(jié)構(gòu)“N”字母樣品緊貼于探測(cè)晶體表面,“N”最小線(xiàn)寬為200 μm.類(lèi)似于傳統(tǒng)的太赫茲時(shí)域光譜技術(shù),改變延遲線(xiàn)位置,利用光電平衡探測(cè)器掃描得到整個(gè)時(shí)域波形(圖6(a)所示),時(shí)域波形包含了全部的頻譜信息.對(duì)圖6(a)經(jīng)過(guò)FFT 變換后得到頻譜圖,如圖6(b)所示,在該圖中可以看到該樣品成像后的有效帶寬約2.0 THz.

首先表征包含全部頻譜信息的太赫茲時(shí)域圖像,圖6(c)顯示了時(shí)域最大值時(shí)(圖6(a)箭頭對(duì)應(yīng)時(shí)域值)的太赫茲圖像,可以看出“N”微結(jié)構(gòu)被很好的顯示了出來(lái).通過(guò)(3)式定量分析系統(tǒng)的分辨特性:

其中I0為實(shí)驗(yàn)采集的原始數(shù)據(jù)信號(hào);I為歸一化后的數(shù)值矩陣;Imax和Imin分別為原始數(shù)據(jù)矩陣中的最大值和最小值,將上式應(yīng)用于時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)的歸一化處理.圖6(e)顯示了此時(shí)時(shí)域圖像的空間分辨率,可以達(dá)到約40 μm.同時(shí)也研究了太赫茲頻譜圖像的情況,從頻譜圖可以看出,在0.65 THz附近信號(hào)最強(qiáng),這樣成像的信噪比和對(duì)比度會(huì)比較好;隨著頻率升高,即波長(zhǎng)變短,分辨率也更好,對(duì)應(yīng)于樣品邊緣信息更清晰,但信噪比降低,導(dǎo)致樣品某些部分會(huì)因?yàn)樾盘?hào)變差而無(wú)法看清.反之,隨著頻率降低,波長(zhǎng)更長(zhǎng),從而分辨率變差,如圖6(d)所示.

圖6 緊聚焦太赫茲光路“N”結(jié)構(gòu)成像結(jié)果分析 (a)太赫茲時(shí)域波形;(b)太赫茲頻域頻譜;(c)時(shí)域最大值處對(duì)應(yīng)的CCD相機(jī)獲取的時(shí)域樣品太赫茲成像;(d)幾個(gè)不同頻率處的太赫茲成像;(e)樣品時(shí)域太赫茲成像分辨率結(jié)果分析;(f)樣品頻域分辨率結(jié)果分析Fig.6.THz imaging of the “N” sample by tightly focused THz beam: (a)The terahertz time domain waveform of “N” sample;(b)corresponding terahertz spectroscopy;(c)the temporal THz image from CCD camera when the waveform value is the maximum;(d)coppresponding frequency domain THz images;(e)the temporal THz imaging resolution;(f)the frequency THz imaging resolution.

綜合頻譜圖、信噪比和分辨率,選取了幾個(gè)頻點(diǎn),比如0.47,0.65,0.82和1.05 THz.在不同頻點(diǎn)位置,對(duì)頻域太赫茲成像分辨率進(jìn)行了分析,如圖6(f)所示.根據(jù)文獻(xiàn)[27],將THz 信號(hào)強(qiáng)度的10%至90%的變化對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的變化量作為系統(tǒng)空間分辨率,可以計(jì)算得到緊聚焦光路系統(tǒng)在0.82 THz處空間分辨率達(dá)λ/12,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了衍射極限.

3.3 大視場(chǎng)THz 成像結(jié)果分析

在大視場(chǎng)光路中,此時(shí)太赫茲場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)緊聚焦光束相對(duì)較弱,較厚的EO 晶體電光效應(yīng)較強(qiáng),可獲得更高的信噪比,但是由于衍射和吸收的存在,稍微犧牲分辨率,最終選擇300 μm 的GaP 晶體作為EO 晶體.從發(fā)射晶體LiNbO3晶體出射的準(zhǔn)平行太赫茲脈沖照射到距離發(fā)射源約12 cm 處的EO 探測(cè)晶體上,該處的太赫茲光斑如圖2(a)所示,該光斑相對(duì)緊聚焦光路光斑具有更大的成像面積.表征該光路的系統(tǒng)分辨率時(shí),制作了直徑4.0 mm金屬微結(jié)構(gòu)樣品,金屬層的厚度為200 nm,該厚度大于該THz 波頻段在Au 中的趨膚深度[28].將樣品緊貼于探測(cè)晶體表面,通過(guò)改變探測(cè)光路中的延遲線(xiàn)位置,利用光電平衡探測(cè)器掃描得到整個(gè)時(shí)域波形(圖7(a)所示),對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行快速傅里葉變換可以獲取頻譜信號(hào),如圖7(b)所示,在該圖中可以看到該樣品成像后的有效帶寬約為2.0 THz.

圖7 大視場(chǎng)光路下扇形樣品的太赫茲成像結(jié)果 (a)樣品太赫茲時(shí)域波形;(b)對(duì)應(yīng)的樣品太赫茲頻譜;(c)樣品時(shí)域最大值處太赫茲成像;(d)不同頻率下太赫茲成像;(e)樣品時(shí)域分辨率分析;(f)樣品頻域分辨率結(jié)果Fig.7.THz imaging by large parallel THz beam: (a)The terahertz time domain waveform of the sample;(b)corresponding terahertz spectroscopy;(c)the temporal THz image from CCD camera when the waveform value is the maximum;(d)corresponding frequency domain THz images;(e)the temporal THz imaging resolution;(f)the frequency THz imaging resolution.

首先表征包含全部頻譜信息的太赫茲時(shí)域圖像,圖7(c)顯示了時(shí)域最大值時(shí)(圖7(a)箭頭對(duì)應(yīng)時(shí)域值)的太赫茲圖像,可以清楚地看出扇形金屬微結(jié)構(gòu),中心處線(xiàn)寬接近此時(shí)時(shí)域最佳分辨效果.通過(guò)(2)式定量分析此時(shí)系統(tǒng)的分辨特性,圖7(e)顯示了此時(shí)時(shí)域圖像的分辨率,可以達(dá)到約60 μm.同時(shí)也研究了太赫茲頻譜圖像的情況,從頻譜圖可以看出低頻的頻譜圖像有較好的成像信噪比和對(duì)比度,隨著頻率的升高,即波長(zhǎng)變短,分辨率也更好,信噪比降低,對(duì)應(yīng)于樣品邊緣信息更清晰,如圖7(d)所示.

綜合頻譜圖、信噪比和分辨率,選取1.0,1.25,1.5和1.75 THz,在這些不同頻點(diǎn)位置,分析了對(duì)應(yīng)的分辨效果,圖7(f)顯示了對(duì)應(yīng)頻域圖像的分辨率,根據(jù)文獻(xiàn)[27],將THz 信號(hào)強(qiáng)度的10%至90%的變化對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的變化量作為系統(tǒng)空間分辨率,可以計(jì)算得到大視場(chǎng)光路系統(tǒng)在1.5 THz 處分辨率達(dá)λ/12,實(shí)現(xiàn)了超過(guò)衍射極限的效果.這樣,可以穩(wěn)定進(jìn)行大視場(chǎng)的生物組織實(shí)時(shí)成像.該系統(tǒng)光路在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用潛力.

4 結(jié)論

本文介紹了利用LiNbO3晶體產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)THz脈沖的實(shí)時(shí)太赫茲近場(chǎng)光譜成像系統(tǒng).該系統(tǒng)既可以獲得樣品的圖像信息又可以獲得光譜信息.該系統(tǒng)在探測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)緊聚焦光束和大視場(chǎng)光束的時(shí)分復(fù)用探測(cè),而且較傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng),它具有更高的空間分辨率和更快的成像速度.在1024× 512 像素下,20 f/s 的實(shí)時(shí)幀率使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景.另外,該系統(tǒng)在太赫茲微結(jié)構(gòu)以及表面等離子體器件等方面也具有很好的應(yīng)用,可以推動(dòng)太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展.