[发明专利]一种二维太赫兹成像系统及其成像方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及光学成像检测领域，具体是一种二维太赫兹成像系统及其成像方法。

背景技术

太赫兹波通常是指频率范围在0.1 THz到10 THz（1 THz = 10¹² Hz）区间的电磁波，介于微波和红外光之间。太赫兹波具有很多特点， 包括太赫兹波的光子能量远低于可见光和X射线，仅为可见光的千分之一，X射线的百万分之一，对人体危害极小；太赫兹波波长较长 （1 THz ～ 300 μm），用来进行测量时对样品表面粗糙度要求不高，受物质散射影响小；此外太赫兹波对很多不透明介质材料，如塑料、陶瓷、皮革、半导体晶圆等具有很强的穿透性。这些特点使太赫兹成像技术在质量控制和安全检测等领域有着广阔的应用前景。

传统的光学成像方法通常是利用从单个光源发出的光束被扩束后照射整个成像物体，经过成像物体的光束通过一个成像透镜投射到探测阵列上（例如感光胶片、CCD相机等），因为经过目标的光束携带了物体的信息，这样在探测阵列上就可以获得物体的图像。但是，这种传统的光学成像方法应用到太赫兹领域受到诸多限制。首先是制作太赫兹探测阵列，特别是有足够像素的太赫兹探测阵列非常困难，价格十分昂贵；其次太赫兹探测阵列的灵敏度也很低，这样将太赫兹信号能量细分到整个探测器阵列上会极大地降低系统的信噪比(Signal to Noise Ratio)，严重影响成像质量。因为这些原因，目前采用的太赫兹成像方法都是基于逐点扫描的方式来获得二维图像，这样获取一幅太赫兹图像需要耗费大量的时间，极大地限制了太赫兹成像技术的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种二维太赫兹成像系统及其成像方法，解决现有的太赫兹逐点扫描成像方法耗时过长、以及缺少有效的二维太赫兹探测阵列以致无法进行高效的二维太赫兹直接成像的问题。

本发明的技术方案为：

一种二维太赫兹成像系统，包括有顺次设置的飞秒激光器、衍射分光装置、激光聚焦透镜、太赫兹光导天线阵列、太赫兹成像透镜、太赫兹聚焦透镜和太赫兹探测器。

所述的衍射分光装置选用分光光栅。

所述的太赫兹探测器选用太赫兹功率探测器或太赫兹场探测器。

一种二维太赫兹成像系统的成像方法，包括以下步骤：

（1）、先将成像物体放置于太赫兹成像透镜和太赫兹聚焦透镜之间；

（2）、飞秒激光器发出的激光光束经过衍射分光装置被分成等光强的、呈等间距阵列分布的光束组，光束组经过激光聚焦透镜照射到太赫兹光导天线阵列上产生等光强、呈阵列分布的太赫兹波束组；

（3）、太赫兹波束组经过太赫兹成像透镜后照射到成像物体上，然后经过成像物体的太赫兹波束组由太赫兹聚焦透镜会聚到太赫兹波探测器上，获得二维太赫兹图像。

本发明二维太赫兹成像系统的设计原理为：

根据光路可逆原理，如果在成像系统中，用光源阵列代替探测阵列，用单个探测器代替单个光源，这样光源阵列上的每一个点相当于一个像素，对应成像物体上的每一个点；经过成像物体的载波通过聚焦透镜会聚到单个探测器上，只要光源阵列上每一个点源发出的信号是可分辨的，这样用单个探测器就能够同时获得每一个点源发出的信号的信息，从而获得物体的二维图像信息。

由衍射分光装置产生的激光束组在太赫兹光导天线阵列上对应激发产生太赫兹波束组。利用太赫兹波束组作为光源进行二维成像，需要每一束太赫兹波在终端的单个太赫兹探测器上是可分辨的。这可以通过对太赫兹光导天线阵列上的每一个天线施加不同频率的交流偏置电压来实现。当激光激发太赫兹光导天线产生太赫兹波时，在天线上施加频率为f的交流偏置电压，相当于对太赫兹波进行调制，调制频率为f。相应的，给光导天线阵列上的每个光导天线都施加交流偏置电压，并且频率各不相同，这样每个太赫兹波源都受到调制。在探测端，利用锁相检测技术，就可以把每一个太赫兹光导天线发出的信号（像素）分辨出来，从而获得二维太赫兹图像。

本发明的优点为：

本发明所述的采用衍射分光装置分光的二维太赫兹成像装置可以直接获得二维太赫兹图像，成像速度较传统的逐点扫描成像方法大大提高。每一个太赫兹光导天线需要大约10 mW的激发功率，一台1W输出的飞秒激光通过衍射分光装置可以分成10X10的光束组，去激发10X10的光导天线阵列，这样成像速度理论上可提高100倍。而且这种成像装置不需要采用太赫兹探测阵列，这也降低了系统的复杂程度，节约了成本。

附图说明