CN101566589B - 太赫兹成像装置和太赫兹成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹成像装置和太赫兹成像方法。所述太赫兹成像装置包括太赫兹脉冲发射装置、分振幅干涉装置、探测器；所述分振幅干涉装置将太赫兹脉冲发射装置发射的太赫兹脉冲分为参考光和信号光；并且使参考光和信号光的光程差小于一个波列长度，此时，参考光和信号光发生分振幅干涉，产生包含有样品信息的太赫兹脉冲分振幅干涉信号；所述探测器接收太赫兹脉冲分振幅干涉信号，产生包含有样品信息的电信号。所述太赫兹成像装置是采用分振幅干涉的手段对样品进行成像，因此可以对样品进行真正的三维成像，并且具有高分辨率和高信噪比的优点。与传统的太赫兹成像技术相比，本发明在光学成像领域可以说是一个开拓性发明。

Description

太赫兹成像装置和太赫兹成像方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹成像装置和太赫兹成像方法。

背景技术

太赫兹波可以穿透大多数非极性的电介质，因此它适于用做成像的载波来进行安全检查或质量控制等。与普通光学成像不同的是，太赫兹成像记录的是每个测量点的太赫兹脉冲的时间波形。对该时间波形进行傅立叶变换，可以得到该测量点的光谱信息。因此，太赫兹成像不但能够辨认物体的轮廓，而且能够根据各测量点的光谱信息分辨物体的成分。另外，太赫兹成像还可以利用太赫兹脉冲的时间延迟(或相位改变)提供物体折射率(或厚度)的分布。

传统的太赫兹成像技术都是采用简单反射或透射的手段对样品进行成像，进而获得样品的相关信息。但是，通常这些手段都没有内秉的三维成像能力，只能对样品表面进行二维成像或者通过测量反射脉冲的时间间隔，反演得到样品的内部结构信息。而且，传统的太赫兹成像技术的分辨率较低，信噪比较差。

尽管人们一种希望能利用太赫兹波对样品进行真正的三维成像，但是传统的太赫兹成像技术没有解决这一技术难题。

发明内容

有鉴于此，有必要针对传统的太赫兹成像技术不能对样品进行真正的三维成像及成像分辨率低的问题，提供一种太赫兹技术与分振幅干涉技术相结合的太赫兹成像装置，从而实现对样品进行真正的三维成像并且实现较高的成像分辨率。

一种太赫兹成像装置，包括太赫兹脉冲发射装置、分振幅干涉装置、探测器；所述太赫兹脉冲发射装置用于发射太赫兹脉冲；所述分振幅干涉装置用于接收太赫兹脉冲，将太赫兹脉冲分为参考光和信号光，所述信号光用于扫描样 品；所述分振幅干涉装置还用于使参考光和信号光的光程差小于一个波列长度，此时，参考光和信号光发生分振幅干涉，产生包含有样品信息的太赫兹脉冲分振幅干涉信号；所述探测器用于接收太赫兹脉冲分振幅干涉信号，产生包含有样品信息的电信号。

优选的，所述分振幅干涉装置由迈克尔逊干涉仪实现。

优选的，所述太赫兹脉冲发射装置是光电导发射器或光整流发射器，所述探测器是光电导探测器或电光探测器。

优选的，所述电光探测器是电光晶体。

优选的，所述电光晶体是碲化锌电光晶体或磷化镓电光晶体。

优选的，所述光整流发射器包括激光产生装置、延时装置、发射器；所述激光产生装置用于产生泵浦光和探测光；泵浦光通过延时装置后入射至发射器，探测光入射至探测器；所述延时装置用于改变泵浦光和探测光的相对延迟时间；所述发射器用于发射太赫兹脉冲。

优选的，所述光整流发射器包括激光产生装置、延时装置、发射器；所述激光产生装置用于产生泵浦光和探测光；泵浦光入射至发射器，探测光通过延时装置后入射至探测器；所述延时装置用于改变探测光和泵浦光的相对延迟时间；所述发射器用于发射太赫兹脉冲。

优选的，所述激光产生装置包括飞秒激光器和分束器，所述飞秒激光器发射的飞秒激光通过分束器后分为两束，即泵浦光和探测光。

优选的，所述分振幅干涉装置包括分束器、参考镜和样品平台，所述样品平台用于放置样品；所述分束器用于将太赫兹脉冲分为参考光和信号光，参考光入射至参考镜并经参考镜反射后再次到达分束器，然后透过分束器向探测器传播；信号光入射至样品并经样品反射后再次到达分束器，然后被分束器反射后向探测器传播。

优选的，所述参考镜可沿参考光传播方向移动。

优选的，所述参考镜是由电动马达控制的可沿参考光传播方向移动的平面反射镜。

优选的，所述分振幅干涉装置还包括相位调制器，所述相位调制器设置在 分束器和参考镜之间。

优选的，所述分振幅干涉装置还包括菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜设置在分束器和样品之间。

优选的，所述菲涅尔透镜的数值孔径大于或等于0.7。

优选的，所述样品信息包含样品的三维结构信息和光谱信息。

优选的，还包括信号处理电路，所述信号处理电路对包含有样品信息的电信号进行处理，得到太赫兹脉冲分振幅干涉信号的振幅和相位信息。

优选的，还包括计算机，所述计算机对信号处理电路输出的信号进行数字化处理，得到可视化图像。

此外，还提供了一种太赫兹成像方法。

一种太赫兹成像方法，包括：发射太赫兹脉冲；将太赫兹脉冲分为参考光和信号光，并使参考光和信号光的光程差小于一个波列长度；产生包含有样品信息的太赫兹脉冲分振幅干涉信号；接收太赫兹脉冲分振幅干涉信号；输出包含有样品信息的电信号。

优选的，还包括对包含有样品信息的电信号进行处理，得到包含有样品的三维结构信息和光谱信息的可视化图像。

优选的，还包括对参考光进行相位调制。

上述太赫兹成像装置和太赫兹成像方法是采用分振幅干涉的手段对样品进行成像，因此可以对样品进行真正的三维成像，并且具有很高的分辨率。因此，本发明不仅成功的解决了人们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题，而且取得了预料不到的技术效果。与传统的太赫兹成像技术相比，本发明在光学成像领域可以说是一个开拓性发明。

此外，上述太赫兹成像装置采用相位调制器对参考光进行相位调制，将样品信息加载于特定频率上，避免微弱信号淹没在噪声中，因此上述太赫兹成像装置具有高信噪比。

附图说明

图1是太赫兹成像装置的示意图。

图2是太赫兹成像装置的一种具体实施方式的示意图。

具体实施方式

请同时参考图1和图2，图1是太赫兹成像装置的示意图。图2是太赫兹成像装置的一种具体实施方式的示意图。太赫兹成像装置100包括太赫兹脉冲发射装置13、分振幅干涉装置15、探测器17。

太赫兹脉冲发射装置13包括激光产生装置(未标示)、延时装置131和发射器132。激光产生装置包括飞秒激光器111、第一分束器112、第一反射器113和第二反射器115。分振幅干涉装置15包括第二分束器151、参考镜152和样品平台(用于放置样品153)。探测器17可以是电光探测器171(例如碲化锌、磷化镓等电光晶体)。

飞秒激光器111发射的飞秒激光脉冲经过第一分束器112后分为两束，即飞秒泵浦光201和飞秒探测光202。飞秒泵浦光201经过延时装置131后进入发射器132，发射器132用于发射太赫兹脉冲。飞秒探测光202经第一反射器113和第二反射器115后进入电光探测器171。延时装置131的作用是改变飞秒泵浦光201的相对延迟时间。

此外，延时装置131也可以设置在第一分束器112和电光探测器171之间，从而可以改变飞秒探测光202的相对延迟时间。

分振幅干涉装置15的参考镜152是由电动马达控制的可沿纵向(即参考光301传播方向)做高精度移动的平面反射镜。移动参考镜152的作用是用于产生多普勒频移。发射器132发射的太赫兹脉冲经过第二分束器151后分为两束，即参考光301和信号光302。参考光301入射至参考镜152并经参考镜152反射后再次到达第二分束器151，然后透过第二分束器151向电光探测器171传播。信号光302入射至样品153并经样品153反射后再次到达第二分束器151，然后被第二分束器151反射后向电光探测器171传播。当参考光301和信号光302的光程差小于一个波列长度时，二者会发生干涉，这样电光探测器171便接收到太赫兹脉冲分振幅干涉信号(即干涉图像)，该太赫兹脉冲分振幅干涉信号包含有样品信息，该样品信息包括样品的三维结构信息和光谱信息。

此外，还可以在分振幅干涉装置15的第二分束器151和参考镜152之间设置相位调制器303，该相位调制器303用于对参考光301进行相位调制。由于对参考光301进行了调制，将样品信息加载于特定频率上，避免微弱信号淹没在噪声中，因此太赫兹成像装置100具有高信噪比。

下面对太赫兹脉冲分振幅干涉信号作进一步的说明。

参考光301的电场强度E_R可表示如下：

$E_R=A_R{e}^{i[\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_R\left(t\right)]}---\left(1\right)$

其中，A_R为参考光301的振幅，ω为参考光301的振动角频率，φ_R(t)为被调制的相位。

信号光302的电场强度E_S可表示如下：

$E_S=A_S{e}^{i[(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Δ\ω})t+{\mathrm{\φ}}_s]}---\left(2\right)$

其中，A_S为信号光302的振幅，ω为信号光302的振动角频率，Δω为信号光302被样品153反射后产生的频移，φ_S为信号光302经过的相位。

太赫兹脉冲分振幅干涉信号的电场强度E可表示如下：

E＝E_R+E_S                        (3)

E^*＝E_R ^*+E_S ^*                     (4)

其中，E^*、E_R ^*、E_S ^*分别为E、E_R、E_S的共轭电场强度。

按照物理学中的理论，光强仅与电磁波中的电场分量有关，因而根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，可以将的太赫兹脉冲分振幅干涉信号的光强表示为：

I＝(E_R+E_S)(E_R ^*+E_S ^*)             (5)

将公式(5)展开得：

$I=\frac{1}{2}{\left|A_R\right|}^2+\frac{1}{2}{\left|A_S\right|}^2+2A_R{A}_S\cos [\mathrm{\Δ\ωt}+{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_R\left(t\right)]---\left(6\right)$

在公式(6)中，前面两项 

和 

分别为调制后的参考光301和信号光302的直流分量，而最后一项2A_RA_Scos[Δωt+φ_S-φ_R(t)]是实干涉信号，其主要与信号光302经过样品后产生的频移Δω、信号光302经过的相位φ_S和参考光301 被调制的相位φ_R(t)相关。该实干涉信号包含了样品153的三维结构信息和内部重要分子分布的功能信息(光谱信息)。

电光探测器171是利用电光晶体的双折射效应来探测太赫兹脉冲分振幅干涉信号。太赫兹脉冲分振幅干涉信号通过电光探测器171时，会引发电光探测器171产生瞬态双折射现象，此时飞秒探测光202通过电光探测器171后偏振状态发生改变，即由线偏振变为椭圆偏振。通过测量飞秒探测光202的椭圆偏振度即可获得太赫兹脉冲分振幅干涉信号的电场强度。也就是说，电光探测器171的作用是将包含有样品信息的光信号转变为包含有样品信息的电信号。

此外，还可以在分振幅干涉装置15的第二分束器151和样品153之间设置菲涅尔透镜304(数值孔径大于或等于0.7)，从而使太赫兹成像装置100具有亚毫米量级的横向分辨率。

太赫兹成像装置100还可以包括信号处理电路19，信号处理电路19对电光探测器171输出的电信号进行处理，得到太赫兹脉冲分振幅干涉信号的振幅和相位信息。信号处理过程包括放大、滤波、解调等。

信号解调的具体方法如下：

令信号为实函数f(t)，其希尔伯特变换定义为：

$\tilde{f}\left(t\right)=H\left[f\left(t\right)\right]=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\frac{f\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}=f\left(t\right)*\frac{1}{\mathrm{\πt}}---\left(7\right)$

其中H表示希尔伯特变换，*表示卷积。f(t)与其希尔伯特变换 

正交(当两个信号在一段时间内的积分为零，则称两者在这段时间内正交)。

定义复信号z(t)＝f(t)+jf(t)，当f(t)＝a(t)cosθ(t)时，则若得到其正交分量f(t)＝a(t)sinθ(t)，可以得到z(t)＝a(t)cosθ(t)+ja(t)sinθ(t)＝a(t)e^jθ(t)。这样信号f(t)中，振幅a(t)可以表示为：

$a\left(t\right)=\sqrt{f^2\left(t\right)+{\tilde{f}}^2\left(t\right)}---\left(8\right)$

相位θ(t)可以表示为：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\arctan \left\{\frac{\mathrm{Im}\left[z\left(t\right)\right]}{\mathrm{Re}\left[z\left(t\right)\right]}\right\}=\arctan \left\{\frac{f\left(t\right)}{\tilde{f}\left(t\right)}\right\}---\left(9\right)$

信号处理电路输出的信号再经过重采样、量化、伪彩色染色等数字化处理 (可通过计算机实现)，最后得到可视化图像。

在上述太赫兹成像装置100中，通过调整参考光301的光程，可以实现参考镜152的轴向扫描，获取样品153的深度层析图像。通过调制参考光301，使得有用的信息集中在调制频率周围，然后再进行解调，就可以探测微弱的信号光302，大大提高系统的信噪比。横向扫描由一系列相邻的轴向扫描构成。横向扫描与轴向扫描相结合即得到样品153的三维断层图像。

分振幅干涉装置15除了上文描述的结构外，还可以是迈克尔逊干涉仪或者能实现分振幅干涉的其它光学仪器。

太赫兹脉冲发射装置13除了上文描述的光整流发射器外，还可以是光电导发射器。

探测器17除了上文描述的电光探测器外，还可以是光电导探测器。

原子辐射的光不是无限长的简谐波，而是一系列断续的波列，各波列间无固定的相位关系。只有属于同一波列的两个分波列在叠加点相遇才能实现干涉，但如果光程差太大，超过了波列长度，则在叠加点相遇的是不同波列的两个分波列，就不能干涉。由于太赫兹光源的宽带性，波列短，只有当参考光301和信号光302的光程差小于一个波列长度的时候，才会发生干涉。因此上述太赫兹成像装置100具有良好的空间定位特性。

分振幅干涉装置15可看作是一台迈克尔逊干涉仪，因此分振幅干涉装置15具有迈克尔逊干涉仪的优点，即具有很高的分辨率。上述太赫兹成像装置100巧妙的利用了迈克尔逊干涉仪的分振幅干涉原理，并采用特殊的信号调制技术来提取干涉信号，能够对样品进行无损、无接触、远程探测，获得微米量级的纵向分辨率和亚毫米量级的横向分辨率，实现实时、无损、原位成像。

上述太赫兹成像装置100可以应用在很多技术领域中，例如医学检测、安检、玉石鉴别、采矿、考古鉴定等等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。

Claims (20)

1.一种太赫兹成像装置，其特征在于：包括太赫兹脉冲发射装置、分振幅干涉装置、探测器；所述太赫兹脉冲发射装置用于发射太赫兹脉冲；所述分振幅干涉装置用于接收太赫兹脉冲，将太赫兹脉冲分为参考光和信号光，所述信号光用于扫描样品；所述分振幅干涉装置还用于使参考光和信号光的光程差小于一个波列长度，此时，参考光和信号光发生分振幅干涉，产生包含有样品信息的太赫兹脉冲分振幅干涉信号；所述探测器用于接收太赫兹脉冲分振幅干涉信号，产生包含有样品信息的电信号。

2.根据权利要求1所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述分振幅干涉装置由迈克尔逊干涉仪实现。

3.根据权利要求1所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述太赫兹脉冲发射装置是光电导发射器或光整流发射器，所述探测器是光电导探测器或电光探测器。

4.根据权利要求3所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述电光探测器是电光晶体。

5.根据权利要求4所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述电光晶体是碲化锌电光晶体或磷化镓电光晶体。

6.根据权利要求3所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述光整流发射器包括激光产生装置、延时装置、发射器；所述激光产生装置用于产生泵浦光和探测光；泵浦光通过延时装置后入射至发射器，探测光入射至探测器；所述延时装置用于改变泵浦光和探测光的相对延迟时间；所述发射器用于发射太赫兹脉冲。

7.根据权利要求3所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述光整流发射器包括激光产生装置、延时装置、发射器；所述激光产生装置用于产生泵浦光和探测光；泵浦光入射至发射器，探测光通过延时装置后入射至探测器；所述延时装置用于改变探测光和泵浦光的相对延迟时间；所述发射器用于发射太赫兹脉冲。

8.根据权利要求6或7所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述激光产生装置包括飞秒激光器和分束器，所述飞秒激光器发射的飞秒激光通过分束器后分为两束，即泵浦光和探测光。

9.根据权利要求1所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述分振幅干涉装置包括分束器、参考镜和样品平台，所述样品平台用于放置样品；所述分束器用于将太赫兹脉冲分为参考光和信号光，参考光入射至参考镜并经参考镜反射后再次到达分束器，然后透过分束器向探测器传播；信号光入射至样品并经样品反射后再次到达分束器，然后被分束器反射后向探测器传播。

10.根据权利要求9所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述参考镜可沿参考光传播方向移动。

11.根据权利要求10所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述参考镜是由电动马达控制的可沿参考光传播方向移动的平面反射镜。

12.根据权利要求9所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述分振幅干涉装置还包括相位调制器，所述相位调制器设置在分束器和参考镜之间。

13.根据权利要求9所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述分振幅干涉装置还包括菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜设置在分束器和样品之间。

14.根据权利要求13所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述菲涅尔透镜的数值孔径大于或等于0.7。

15.根据权利要求1所述的太赫兹成像装置，其特征在于：所述样品信息包含样品的三维结构信息和光谱信息。

16.根据权利要求1所述的太赫兹成像装置，其特征在于：还包括信号处理电路，所述信号处理电路对包含有样品信息的电信号进行处理，得到太赫兹脉冲分振幅干涉信号的振幅和相位信息。

17.根据权利要求16所述的太赫兹成像装置，其特征在于：还包括计算机，所述计算机对信号处理电路输出的信号进行数字化处理，得到可视化图像。

18.一种太赫兹成像方法，其特征在于：包括：

发射太赫兹脉冲；

将太赫兹脉冲分为参考光和信号光，并使参考光和信号光的光程差小于一个波列长度；

产生包含有样品信息的太赫兹脉冲分振幅干涉信号；

接收太赫兹脉冲分振幅干涉信号；

输出包含有样品信息的电信号。

19.根据权利要求18所述的太赫兹成像方法，其特征在于：还包括对包含有样品信息的电信号进行处理，得到包含有样品的三维结构信息和光谱信息的可视化图像。

20.根据权利要求18所述的太赫兹成像方法，其特征在于：还包括对参考光进行相位调制。

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