[发明专利]基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置及方法，包括：第一、第二太赫兹离轴抛物面镜，设置在全反射棱镜的下侧；调整太赫兹分光镜与太赫兹波的传播方向成一定角度，经过太赫兹分光镜的太赫兹波被分为两束：一路反射的太赫兹波被第一太赫兹探测器直接收集，用于检测太赫兹辐射源的输出稳定性并作为最终图像的参考信号，另一路透射的太赫兹波作为探测待测样本的信号依次经过第一、第二太赫兹反射镜、第一离轴抛物面镜、全反射棱镜、第二离轴抛物面镜、太赫兹透镜之后被第二太赫兹探测器所接收；二维移动扫描平台设置在全反射棱镜下方，计算机用于接收第一、第二太赫兹探测器所探测的信号以及控制二维移动扫描平台实现扫描。

技术领域

本发明涉及太赫兹成像领域，尤其涉及一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波是指频率从0.1THz-10THz范围的电磁波，相应的波长为0.03mm到3mm，介于远红外光与微波之间的电磁波谱区域。由于该频段正好处于宏观经典理论向微观电子理论的过渡区，其具有很多独特的性质，如瞬态性、宽带性、低能性等。因此，THz波成像技术在材料科学、生命科学、医学成像以及食品检测等领域有着极大的应用前景与应用价值。

根据成像原理的差异，可以将目前的太赫兹成像方式分为以下三种：透射式，反射式和衰减全反射式(attenuated total reflection,ATR)。透射式成像通过探测透过样本的太赫兹波信号进行成像；反射式通过探测样品表面反射的太赫兹波进行成像；ATR利用太赫兹在样本表面的全内反射原理进行成像，成像时将待测样品置于全反射棱镜的上表面，当太赫兹波的入射角大于全反射临界角时，太赫兹波会在全反射棱镜上表面发生全内反射，从棱镜出射的太赫兹波携带了样品的信息，因此可以表现出样本的物理性质。相比于透射和反射式的太赫兹成像方法，ATR成像具有如下的优势：(1)可以对高吸收性样本进行成像检测。太赫兹波在一些高吸收性物体中的穿透深度十分有限(大约为数十微米)，因此无法进行透射式成像；在ATR成像中，太赫兹波在棱镜-样本界面处发生衰减全反射，光强损失较小，因此可以对高吸收性样本进行成像研究。(2)样品制备简单。透射式成像对某些在太赫兹波段具有强烈吸收的样品的厚度要求十分严格，样品制备步骤繁琐，耗时较长；对于粉末状样品或表面不均匀的样本而言，其存在较强的漫反射效应，无法进行反射式成像；ATR成像仅要求样本与全反射棱镜互相贴合，无需对样本进行复杂的处理。(3)不会出现透射和反射成像中的干涉条纹。透射和反射式成像通常采用对THz低吸收的材料作为基底，这容易使得光线在基底与样品之间、上下基底之间或样品上下表面之间形成干涉，从而造成成像质量恶化、图像准确性降低。

ATR成像技术在红外波段的发展相对成熟，且广泛应用于面阵相机实时成像。在THz波段，目前商用化的THz辐射源功率较低，面阵式探测器的性能较差，因此多采用二维逐点扫描的成像方式，即通过移动样品或者全反射棱镜以实现扫描成像。若采用移动样品的方式，容易造成样品表面与全反射棱镜之间的摩擦损耗，并形成接触空隙。较常使用的棱镜移动方式是将样品固定于全反射棱镜上，通过棱镜的移动实现太赫兹波对样品的扫描。

目前常见的扫描方式大多为垂直扫描，即棱镜移动的两个方向均与主光线垂直。这种扫描方式存在如下的缺点和问题：

(1)移动的棱镜与固定的聚焦透镜在扫描过程中始终发生相对位移，改变了焦点的预设位置，使图像的空间分辨率只有在棱镜上表面中心才能取得最优值，而以此为中心，沿x方向往两侧退化，导致扫描大尺寸样品时，样品边缘模糊。

(2)THz波出射高度随棱镜的垂直移动而发生变化，使上表面允许扫描的范围受棱镜之后收集透镜通光孔径的限制。由于出射光无法始终沿该透镜光轴入射，这就导致经过透镜的折射光无法会聚成一点，从而增加THz波收集时的困难。