CN101354358A - 电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光外差探测式太赫兹波快速二维成象装置。整个成像装置主要包括高功率返波振荡器(BWO)、ZnTe电光晶体、锁模激光器、光敏二极管阵列以及高速锁相放大器。利用高输出功率BWO作为连续太赫兹辐射源，结合飞秒锁模激光器实现THz强度信号的电光外差探测；采用多面体转镜实现行扫描结合摆镜帧扫描实现图像的高速扫描；采用太赫兹扫描系统光轴与接收光轴分离，并结合扫描视场与接收视场同步技术，实现1帧/2秒的快速图像获取及40dB以上的高信噪比。该系统的优点是可克服THz辐射源输出的不稳定对系统测量的影响，成像速度快，工作稳定性高，动态范围大。

Description

电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置

技术领域

本发明涉及太赫兹波应用技术领域，尤其涉及一种电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置。

背景技术

THz波这一特殊波段由于兼具微波与光的特性，如可以穿透许多非极性材料、可以很好地准直与聚焦，而且又有较高的时间和空间分辨率等，这些特性使得THz成像这一无损检测技术在材料缺陷检测、生产线质量检测控制、生物组织诊断及安全检查等方面具有很好的应用前景。虽然太赫兹成像技术已获得了较大的进展，但缺乏具有大动态范围的实时快速太赫兹成像系统一直是限制其应用的最主要因素，也受到了国际上很大关注。如采用飞秒激光脉冲激发产生的太赫兹成像系统，其THz信号接收常采用电光取样或光导天线接收，系统中需用时间延时线进行时间扫描。对一个象素不是很大对目标物体进行点点扫描的成像系统，获得一幅图像的时间常常需要小时量级。用光学CCD面阵接收而无需点点扫描，不仅需要大功率的飞秒激光器大大增加了系统的复杂度，而且由于信号的信噪比较低常需要对同一幅图进行多次扫描平均处理，也耗时很长。

采用连续或准连续太赫兹成像系统，通常可获得更高的成像速度。如采用量子级联激光器(QCL)、返波振荡器(BWO)或Gunns二极管等THz源的成像系统，其THz信号接收可使用Golay Cell(光声)、Pyroelectric(焦耳热)、Schottky二极管或Bolometer(热辐射计)等。但Golay Cell和Pyroelectric由于探测器响应速度很慢，要几十毫秒，难以实现图像的快速获取。Schottky二极管虽然具有高速响应，但其灵敏度较低，而Bolometer由于需要在液氦下工作，给应用带来了极大的困难。一种基于电光效应、外差探测的太赫兹波成像系统为高信噪比、快速THz成像提供了新思路，我们进一步提出高速扫描采用多面体转镜实现行扫描结合摆镜帧扫描，采用太赫兹扫描系统光轴与接收光轴分离，并结合扫描视场与接收视场同步技术，以实现1帧/2秒的快速图像获取及40dB以上的高信噪比。国内外尚无这样快速二维成像的技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置。

电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置中的高功率返波振荡器发出的太赫兹波经准直、聚焦器聚焦后，入射到到第一分束镜将太赫兹波分成两路，其中，一路太赫兹波通过扫描器照射到待测物体上，并经待测物体反射或散射后通过扫描器和第一片ITO晶体反射到第一电光外差探测器上，另一路太赫兹波作为参考通过第二片ITO晶体反射到第二电光外差探测器上；锁模激光器输出激光通过第二分束镜也分成两路，其中一路激光透过第一片ITO晶体照射到第一电光外差探测器上，与第一路太赫兹波外差产生第一路电光外差信号；另一路激光透过第二片ITO晶体照射到第二电光外差探测器上，与第二路太赫兹波外差产生第二路电光外差信号；第一路电光外差信号与第二路作为参考电光外差信号通过高速锁相放大器获得目标物体的太赫兹振幅和相位信息进入图像采集处理器。

所述的扫描器为多面体转镜和摆镜。电光外差探测器包括ZnTe电光晶体和光电二极管差分探测器；锁模激光器为Ti宝石激光器，输出激光波长780纳米，重复频率80兆赫兹，输出功率大于20毫瓦。高功率返波振荡器，工作波段在0.2至0.9太赫兹波段连续可调，工作波段在0.68-0.85THz和0.23-0.37THz0波段连续可调，最大功率为20-30毫瓦。

本发明克服THz辐射源输出的不稳定给系统测量的影响，工作稳定性高，动态范围大。采用多面体转镜实现行扫描结合摆镜帧扫描实现图像的高速扫描；采用太赫兹扫描系统光轴与接收光轴分离，并结合扫描视场与接收视场同步技术，实现1帧/2秒的快速图像获取及40dB以上的高信噪比。

附图说明

附图为电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置的装置结构示意图。

具体实施方式

如附图所示，电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置中的高功率返波振荡器发出的太赫兹波经准直、聚焦器聚焦后，入射到到第一分束镜将太赫兹波分成两路，其中，一路太赫兹波通过扫描器照射到待测物体上，并经待测物体反射或散射后通过扫描器和第一片ITO晶体反射到第一电光外差探测器上，另一路太赫兹波作为参考通过第二片ITO晶体反射到第二电光外差探测器上；锁模激光器输出激光通过第二分束镜也分成两路，其中一路激光透过第一片ITO晶体照射到第一电光外差探测器上，与第一路太赫兹波外差产生第一路电光外差信号；另一路激光透过第二片ITO晶体照射到第二电光外差探测器上，与第二路太赫兹波外差产生第二路电光外差信号；第一路电光外差信号与第二路作为参考电光外差信号通过高速锁相放大器获得目标物体的太赫兹振幅和相位信息进入图像采集处理器。

所述的扫描器为多面体转镜和摆镜。电光外差探测器包括ZnTe电光晶体和光电二极管差分探测器。锁模激光器为Ti宝激光器，输出激光波长780纳米，重复频率80兆赫兹。高功率返波振荡器，工作波段在0.68-0.85THz和0.23-0.37THz0波段连续可调，最大功率为20-30毫瓦。

本发明结合快速帧扫描及视场同步技术，建立了一个基于电光取样、外差探测技术的连续太赫兹快速成像装置，实现128×128象素1帧/2秒的快速图像获取，动态范围大于40dB。

本发明采用输出频率为0.68-0.85THz和0.23-0.37THz两种BWO THz辐射源，能提供20-30毫瓦的较高的辐射功率，输出接近理想的单模高斯场分布THz辐射，为获得高的空间分辨率提供了保证。BWO THz辐射源其输出频率稳定可调，线宽小于2MHz。飞秒激光重复频率一般不可调，而改变BWO输出频率，可调节THz信号电光取样差分探测产生的窄带外差信号频宽，并应大于THz辐射线宽。同时，MHz带宽的外差信号可被方便的进行高速电子信号处理、进而实现快速THz成像图像。对128×128象素一帧的THz图像，获得每个象素的时间为100微秒，并考虑扫描系统回扫时间，一般小于20％，则一帧图像的获取时间小于2秒。此外，系统对飞秒锁模780nm激光功率要求不高于20毫瓦，但要求80MHz的重复频率稳定。图像扫描采用多面体转镜实现行扫描结合摆镜帧扫描，可克服移动目标物体或移动太赫兹扫描头等传统点点扫描难以实现高速扫描的缺点。因此选择四面体镀金属膜转镜，根据图像速率，行扫描控制电机的转速约1200rpm。采用扫描系统光轴与接收光轴分离，不仅可减少系统杂散光的影响、提高系统信噪比，而且可克服同轴系统使用分束片引起的THz辐照和反射信号损失，合计大于75％。并利用扫描视场与接收视场同步技术，消除背景噪声的影响，进一步提高成像系统的信噪比和空间分辨率，并使其适用场合更灵活。

Claims (5)

1、一种电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置，其特征在于：高功率返波振荡器发出的太赫兹波经准直、聚焦器聚焦后，入射到到第一分束镜将太赫兹波分成两路，其中，一路太赫兹波通过扫描器照射到待测物体上，并经待测物体反射或散射后通过扫描器和第一片ITO晶体反射到第一电光外差探测器上，另一路太赫兹波作为参考通过第二片ITO晶体反射到第二电光外差探测器上；锁模激光器输出激光通过第二分束镜也分成两路，其中一路激光透过第一片ITO晶体照射到第一电光外差探测器上，与第一路太赫兹波外差产生第一路电光外差信号；另一路激光透过第二片ITO晶体照射到第二电光外差探测器上，与第二路太赫兹波外差产生第二路电光外差信号；第一路电光外差信号与第二路作为参考电光外差信号通过高速锁相放大器获得目标物体的太赫兹振幅和相位信息进入图像采集处理器。

2、根据权利要求1所述的一种电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置，其特征在于所述的扫描器为多面体转镜和摆镜。

3、根据权利要求1所述的一种电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置，其特征在于所述的电光外差探测器包括ZnTe电光晶体和光电二极管差分探测器。

4、根据权利要求1所述的一种电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置，其特征在于所述的锁模激光器为Ti宝激光器，输出激光波长780纳米，重复频率80兆赫兹。

5、根据权利要求1所述的一种电光外差探测式太赫兹波快速二维成像装置，其特征在于所述的高功率返波振荡器，工作波段在0.68-0.85THz和0.23-0.37THz0波段连续可调，最大功率为20-30毫瓦。

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