[发明专利]太赫兹超分辨率成像方法和系统

说明书

技术领域

 本发明属于超分辨率太赫兹成像（Terahertz Imaging）系统，涉及通过使用飞秒激光成丝产生太赫兹对亚波长物件成像的方法，对THz超分辨率成像具有重大意义。

背景技术

THz波通常是指频率介于0.1-10THz范围内的电磁波，波长为30μm-3mm其波段在微波和红外之间，属于远红外波和亚毫米波范畴。THz具有很多突出优点：一、THz与X射线相比频率低，THz光子所携带的能量仅为X射线所携带能量的百万分之一，可对人体和物品进行无损成像；二、THz对绝大多数的非极性材料（Teflon、单晶硅、陶瓷片、布料、纸）具有高透性，对金属具有强反射性；三、THz可以穿透超声波所不能穿透的泡沫材料，与超声波相比具有更高的分辨率。这些特点使THz在公共安全领域，武器检测、毒品等危害物品方面与传统检测方法相比，不会产生电离辐射，可以高灵敏度、远距离检测。

激光成丝是飞秒激光电离空气产生等离子体通道的现象。激光成丝动力学机制是光克尔效应引起的自聚焦与等离子体引起的散焦或高阶克尔效应间的动态平衡。达到阈值功率的飞秒激光在传播过程中因自聚焦效应，将空气电离，电离过程中产生等离子体的折射率为负值，使得光束产生自散焦，二者互相作用产生等离子体通道。飞秒激光形成的等离子体通道会辐射出前向的THz光波。

每一个成像点对应一个时域波形,灰度可以从时域信号或它的傅立叶变换谱中选择任意一个数据点的振幅或位相中获得,这为THz提供了一种辨别物品结构的方法。现在的THz成像主要分为实时成像和扫描成像。对于实时成像具有如下限制：首先是目前所产生的脉冲THz波的平均功率在纳瓦到微瓦数量级,实时二维成像的信噪比很低，成像要获得高的信噪比,需要有更高的辐射源,通常用光导天线辐射的THz电磁波能量尽管较强,但也仅有几个微瓦；其次，实时成像需要制作像素足够高的探测器，但是这种探测阵列不但对THz敏感度低，而且造价昂贵。所以现在大多数的THz成像采用扫描成像方法来获得二维图像。然而单点扫描成像的分辨率由THz射线聚焦光斑大小决定,传统的THz聚焦光斑为毫米量级，由于分辨率低，在很大程度上影响THz的成像质量，限制了THz在成像方面的应用。

发明内容

本发明的目的是解决单点扫描成像分辨率低的问题，提出一种结构简单、携带方便，并且能够稳定产生超分辨率的THz的成像方法和系统。

本发明首先提供了一种太赫兹超分辨率二维成像方法，该方法采用飞秒激光成丝产生THz（可参阅文献Zhang Y, Chen Y, Xu S, et al. Portraying polarization state of terahertz pulse generated by a two-color laser field in air[J]. Optics letters, 2009, 34(18): 2841-2843.），步骤包括：

第1步、用飞秒激光生成光丝产生前向THz光波，在聚焦透镜后放置一块BBO晶体，BBO晶体距聚焦透镜50mm，准直后的飞秒激光经聚焦透镜聚焦，生成光丝并辐射出前向THz光波；

第2步、用陶瓷板截丝；成像物品置于陶瓷板之后，透过陶瓷板的的THz与成像物品相互作用，根据成像物品材料的不同，不同的成像方式，对于透THz的材料选择透射式成像，对于不透THz的材料选择反射式成像； 

第3步、收集携带成像物品信息的THz光波并采集波形数据；

第4步、二维成像平移台以相同的步长移动，按照“Z”字形或者“弓”字形移动并扫描成像物品；

第5步、根据采集波形数据恢复出成像物品的超分辨率图像，恢复的图像包括：

根据THz时域波形计算各扫描点的峰峰值，根据峰峰值分布构建出成像物品的振幅图像；

根据THz时域波形经傅里叶变换之后获得频谱，选定频谱中某一区分度最好的频率成像，根据其频率所在的幅值构建出物品的相位图像。

 

本发明产生与探测THz的具体步骤如下：

1）、由800nm激光器产生的飞秒激光通过准直光阑后，经高反镜分成两路光，一路较强的光为泵浦光，另一路较弱的光为探测光；

2）、探测光依次经过延迟线装置，反射镜，在偏振薄膜合束镜处与泵浦光产生的THz光波合束，合束光波共同进入锑化锌晶体，THz光波在锑化锌晶体处汇聚；