CN101832940B

CN101832940B - 太赫兹偏振实时成像的方法

Info

Publication number: CN101832940B
Application number: CN2010101264155A
Authority: CN
Inventors: 张岩
Original assignee: Capital Normal University
Current assignee: Shanghai Weitaibaochi Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: CN101832940A

Abstract

一种太赫兹偏振实时成像的方法，包括如下步骤：(1)将待测样品放入太赫兹偏振实时成像装置中；(2)连续改变泵浦光和探测光的光程差，测量经过样品的太赫兹脉冲的一个偏振分量Ex；(3)改变探测光的偏振态，再次连续改变泵浦光和探测光的光程差，测量太赫兹脉冲的另一偏振分量Ey；(4)将样品的两组太赫兹偏振分量进行处理，并形成相对强度图像。本发明可快速准确的测量太赫兹光波的不同偏振分量，对于目标物体高精度识别，应用范围广阔。

Description

太赫兹偏振实时成像的方法

技术领域

本发明有关一种成像的方法，特别是一种太赫兹偏振实时成像的方法。

背景技术

光波的基本信息量主要包括四个部分，分别是振幅、频率、相位和偏振。人类最先能探测到的是可见光的振幅信息，获得的图像是黑白图像；随着探测材料的发展可以探测到光波的频率信息，振幅和频率信息的结合可以显示彩色的图像；利用全息技术，人类现在可能够探测光波的相位信息。偏振作为光的一个本性，对其探测可以获得非常丰富的光学信息，对于偏振成像的研究在近年迅速成为国内外成像技术的研究重点。

红外偏振成像技术作为偏振成像的一个重要分支，相比于传统的红外成像技术具有以下优势：

1)偏振测量无需准确的辐射量校准就可以达到相当高的精度，这是由于偏振度是振幅之比，偏振成像不受成像设备老化或周围环境变化的影响；

2)根据国外文献的报道，自然环境中地物背景的红外偏振度很小，而金属目标的红外偏振度相对较大，因此利用红外偏振技术进行军事识别具有明显的优势；

3)红外偏振成像系统在获得偏振测量结果的同时，还能提供辐射量的数据。

红外偏振成像技术具有广泛的军用和民用前景。目前主要应用于：探测隐藏或伪装的目标、探测物体温度的细微变化、对海面和水下的目标进行识别和探测、在烟尘环境下的导航、辨识金属和绝缘体、医学成像、物体特征识别、检测材料的物理特性等。

太赫兹辐射是一种远红外辐射，其波长范围为30um-3mm，这是人类最后一个没有开发的电磁波段。近十几年来，随着超快激光技术的发展，为太赫兹辐射提供了稳定的光源和探测器，太赫兹光谱与成像技术逐渐引起人们的广泛关注。相对于其他电磁波段，太赫兹辐射具有以下优势：

1)瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，而且通过电光采样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰；

2)宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从几个GHz至几十THz的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质；

3)相干性：太赫兹时域光谱技术的相干测量技术能够直接测量太赫兹电场的振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数；

4)低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，与X射线相比，不会因为电离而破坏被测物质，从而可以安全地进行生物医学方面的检测和诊断；

5)穿透性：太赫兹辐射对于很多非极性绝缘物质，例如硬纸板、塑料、纺织物等包装材料都有很高的穿透特性，可以与X射线技术形成互补，用于对藏匿物体进行探测；

6)惧水性：大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱，研究物质含水量或者进行产品质量控制；

7)光谱的特征吸收：由于许多极性大分子的振动和转动能级正好处于太赫兹频带范围，使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有着广阔的应用前景。

目前，太赫兹脉冲实时成像技术在太赫兹的研究中是最具有应用前景的技术之一，它有效地融合太赫兹成像技术与时域光谱技术的优势，不但可以快速地获取物体大阵列图像信息，并且还可以对物质的物理化学特性进行光谱分析，从而对物体整体的光学性质进行精确的测定。

但是，当前已经报道过的太赫兹实时成像系统主要是针对太赫兹辐射的单一偏振分量进行探测，如果可以获取太赫兹辐射的不同偏振分量，将大大丰富太赫兹实时成像系统的应用范围，使得太赫兹成像技术在军事目标识别、安全检查、医学成像、生物研究以及众多基础研究领域具有更强的应用空间。

发明内容

本发明提供一种太赫兹偏振实时成像的方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题：只能对太赫兹辐射的单一偏振分量进行探测，应用范围窄，探测精度不够高。

一种太赫兹偏振实时成像的方法，包括如下步骤：

(1)将待测样品放入太赫兹偏振实时成像装置中；

(2)连续改变泵浦光和探测光的光程差，测量经过样品的太赫兹脉冲的一个偏振分量Ex；

(3)改变探测光的偏振态，再次连续改变泵浦光和探测光的光程差，测量太赫兹脉冲的另一偏振分量Ey；

(4)将样品的两组太赫兹偏振分量进行处理，并形成相对强度图像。

其中，步骤(2)(3)中所述的测量太赫兹脉冲的两个偏振分量为：测量太赫兹脉冲的水平偏振分量和竖直偏振分量。

其中，测量太赫兹脉冲的水平偏振分量和竖直偏振分量的方法为：测量被太赫兹脉冲的电场调制后的探测光在0度偏振时的偏振分量，得到太赫兹脉冲的水平偏振分量；测量被太赫兹脉冲的电场调制后的探测光在45度或-45度偏振时的偏振分量，得到太赫兹脉冲的竖直偏振分量。

其中，所述步骤(4)中相对强度图像的计算公式是(|Ex|-|Ey|)/(|Ex|+|Ey|)。

其中，所述步骤(1)中该待测样品紧贴实时成像装置中的探测晶体。

其中，所述泵浦光和探测光为同源激光。

其中，所述激光功率0.80W，脉冲宽度小于100fs。

其中，所述太赫兹偏振实时成像装置的光谱范围为0.2-2.5THz，信噪比＞1000，动态范围大于5000∶1，光谱分辨率为16GHz。

本发明可以快速准确的测量太赫兹光波的不同偏振分量，进而实现对于目标物体的高精度识别，不但具有太赫兹成像的诸多优势，还拥有了红外偏振成像的特性，使其应用范围更为广阔，达到了有益的技术效果。

附图说明

图1为太赫兹偏振实时成像装置的示意图；

图2为第一组样品的示意图，包括空气、玻璃和磁板三部分；

图3为第一组样品中空气、玻璃和磁板部分在太赫兹脉冲两个偏振态上的分量，其中深色实线表示水平偏振分量，浅色点划线表示竖直偏振分量；

图4a和4b为第一组样品在两个偏振方向上的太赫兹图像，其中图4a为水平偏振太赫兹图像Ex，图4b为竖直偏振太赫兹图像Ey；

图5为第一组样品的相对强度(|Ex|-|Ey|)/(|Ex|+|Ey|)太赫兹图像；

图6为第二组样品的示意图，包括空气、玻璃、石英玻璃和石英晶体四部分；

图7为第二组样品中空气、石英玻璃、石英晶体和玻璃部分在太赫兹脉冲两个偏振态上的分量，其中深色实线表示水平偏振分量，浅色点划线表示竖直偏振分量；

图8a和8b为第二组样品在两个偏振方向上的太赫兹图像，图8a为水平偏振太赫兹图像Ex，图8b为竖直偏振太赫兹图像Ey；

图9为第二组样品的相对强度(|Ex|-|Ey|)/(|Ex|+|Ey|)太赫兹图像。

附图标记说明：

1-二分之一波片；2-偏振分束器；3-电动平移台；4-机械斩波器；5-太赫兹产生晶体；6-样品放置处；7-太赫兹探测晶体；8-偏振片；9-二分之一波片；10-半反半透镜；11-四分之一波片；12-沃拉斯顿棱镜；13-CCD摄像头；M1-M7-反射镜；PM-离轴抛物面反射镜；L1、L2-凹透镜；L3-L5-凸透镜；I-泵浦光；II-探测光。

具体实施方式

为了使本发明的特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。

本发明的理论原理如下：

根据国外文献的报道，由传统的电光采样方法所获取的太赫兹时域信号，其表达式可表示为：

其中，I_p是探测光的初始光强，ω是探测光的角频率，n是探测晶体相对于探测光的折射率，r₄₁是探测晶体非线性极化张量中的非零分量，L是探测晶体厚度，c是真空光速。变量

定义为探测光初始偏振态与探测晶体<001>方向的夹角，变量α定义为太赫兹偏振态与探测晶体<001>方向的夹角，E_THz为太赫兹电场。

当探测光为竖直偏振即

时，由公式可以看出，有

此为太赫兹水平偏振分量；当探测光为45度偏振即

时，有

此为太赫兹竖直偏振分量。

因此可以推论，通过改变探测光的偏振态可以分别对太赫兹不同的偏振分量进行测量。

本发明用以实现太赫兹偏振实时成像方法的太赫兹偏振实时成像装置，其示意图如图1所示，具体如下：

激光器产生的飞秒脉冲经过偏振分束器2分成两束光，即泵浦光I和探测光II，分别用来产生太赫兹脉冲和探测太赫兹脉冲。激光器与偏振分束器2之间设置一个二分之一波片1，用以调整该泵浦光I和探测光II的光强比例。

分束后的泵浦光I的光路上设有电动平移台3，泵浦光I经过可上下移动的电动平移台3来控制泵浦光I与探测光II的光程差，电动平移台3主要包括反射镜M1和M2。然后泵浦光I经过一系列反射镜M3、M4调整光路，由凹透镜L1扩束并照射到产生晶体5上。在偏振分束器2之后凹透镜L1之前的泵浦光I的光路上，放置一个机械斩波器4，机械斩波器4用以调制泵浦光I的输出脉冲。

该产生晶体5可以选用锑化锌晶体或砷化钾晶体等，在产生晶体5上泵浦光I通过非线性光整流效应产生太赫兹脉冲，即相近频率的飞秒光在非线性晶体内相差频，产生太赫兹脉冲。产生的太赫兹脉冲经过离轴抛物面反射镜PM照射到探测晶体7。在离轴抛物面反射镜PM与探测晶体7之间为样品放置架6，样品放置于该样品放置架6上，以确保样品的太赫兹近场信息可以被获取。较佳的，该样品放置架6应尽量贴近探测晶体，以获得较高的太赫兹图像分辨率。

探测光II经过一系列反射镜M5-M7调整光路后，由凹透镜L2和凸透镜L 3扩束，通过偏振片8进行保偏。保偏后的探测光II由二分之一波片9来控制探测光II的偏振方向，以便分别测量不同偏振态的太赫兹脉冲分量。然后探测光II经由半反半透镜10，与太赫兹脉冲共线的反射到探测晶体7上。

在探测晶体7内部，太赫兹电场改变探测晶体7的折射率椭球，从而使出射的探测光束的偏振态发生改变。被太赫兹电场调制后的探测光II，通过电光采样的方法探测，即可间接检测出透过样品的太赫兹脉冲的偏振分量。

具体的，被探测晶体7反射出来的探测光II，通过凸透镜L4聚焦，然后通过沃拉斯顿棱镜12分束，将探测光II分成偏振方向相互垂直的两束光。分开后的两束偏振光由凸透镜L5会聚后，通过CCD摄像头13进行图像采集。CCD摄像头13将采集到的两个图像相减，作为太赫兹偏振分量的一个探测结果Ex或Ey。在凸透镜L4和沃拉斯顿棱镜12之间设有四分之一波片11，通过四分之一波片11调整分开后的偏振方向相互垂直的两束光的光强，以使两束光的光强相等。

CCD摄像头13连接计算机，将记录的光信号传送到计算机中。计算机利用软件对CCD摄像头13采集的图像进行计算，以生成相对强度图像。机械斩波器4与CCD摄像头13电连接并同步控制，利用动态相减的方法提取太赫兹信号。

本装置的实验参数为：激光功率0.80W，脉冲宽度小于100fs，实验在室温下进行，空气湿度约为30％，温度在22℃。

太赫兹偏振实时成像装置中的激光器可以选用美国光谱物理公司制造的钛宝石飞秒激光放大器，该太赫兹偏振实时成像装置的光谱范围为0.2-2.5THz，信噪比＞1000，动态范围大于5000∶1，光谱分辨率为16GHz。

采用上述实时成像装置完成的本发明的太赫兹偏振实时成像方法，包括以下步骤：

1)将待测样品放入太赫兹偏振实时成像装置中。较佳的，该待测样品应尽量紧贴实时成像装置中的探测晶体，以确保样品的太赫兹近场信息可以被获取并保证较高的太赫兹图像分辨率。

2)产生同源的泵浦光和探测光，该泵浦光用来产生太赫兹脉冲，该探测光与太赫兹脉冲共线到达探测晶体，在探测晶体内被太赫兹电场调制后，用来探测太赫兹脉冲。

3)连续改变泵浦光和探测光的光程差，记录调制后的探测光的偏振分量，从而间接测量出经过样品的太赫兹脉冲的一个偏振分量Ex。

连续改变泵浦光和探测光的光程差可以通过电动平移台来连续改变泵浦光的光程，也可以选择通过电动平移台连续改变探测光的光程，或采用其他改变光程的方式，并非以此为限。

4)改变探测光的偏振态，再次连续改变泵浦光和探测光的光程差，记录被太赫兹电场调制后的探测光的偏振分量，从而测量出太赫兹脉冲的另一偏振分量Ey。

优选的，我们选择当探测光偏振态为竖直偏振即0度偏振时，测量太赫兹脉冲的水平偏振分量；当探测光偏振态为45度或一45度偏振时，测量太赫兹脉冲的竖直偏振分量，偏振分量测量的先后顺序不限。

5)将所获取的样品的两组太赫兹偏振图像进行处理，计算出它们的相对强度图像，进而识别出对太赫兹偏振态有影响的样品，相对强度的计算公式为(|Ex|-|Ey|)/(|Ex|+|Ey|)。

本发明的实验参数为：激光功率0.80W，脉冲宽度小于100fs，实验在室温下进行，空气湿度约为30％，温度在22℃。

本发明采用的太赫兹偏振实时成像装置的激光器可以选用美国光谱物理公司制造的钛宝石飞秒激光放大器，该太赫兹偏振实时成像装置的光谱范围为0.2-2.5THz，信噪比＞1000，动态范围大于5000∶1，光谱分辨率为16GHz。

本发明应用太赫兹偏振实时成像装置对两组样品进行了偏振成像，一组为磁板、普通玻璃和空气，另一组为石英晶体、石英玻璃、普通玻璃和空气。其中磁板对太赫兹光波具有旋光特性，石英晶体对于太赫兹光波具有双折射特性，具体实施例如下。

实施例1

选取一块磁板(厚度约为2mm)和一块玻璃(厚度约为2mm)组成一个样品，样品中包括磁板部分、玻璃部分和空气部分(如图2所示)。将样品放入成像装置中，通过调整二分之一波片9调整探测光的偏振角度，分别测量出太赫兹脉冲的水平和竖直偏振分量，得到样品的两组时域图像数据集合。

从每一个像素点上提取出相应的时域信号。如图3所示，从上到下依次为空气、玻璃和磁板的谱线图。其中深色实线表示水平偏振分量，浅色点划线表示竖直偏振分量。横轴为泵浦光和探测光的光程差除以光速，所得到的时间差；纵轴为信号的相对强度。

图4a和4b中得到样品的太赫兹脉冲在两个偏振态Ex和Ey上的图像，其中图4a为水平偏振太赫兹图像Ex，图4b为竖直偏振太赫兹图像Ey。为方便成像，可选取太赫兹偏振分量Ex和Ey的信号最大值或最小值成像。

横轴为位置坐标，纵轴为位置坐标。通过公式(|Ex|-|Ey|)/(|Ex|+|Ey|)，计算出样品的相对强度成像，如图5所示，其中横轴为位置坐标，纵轴为位置坐标。从图5中可以看出磁板部分可以和玻璃与空气部分明显区分开来。

实施例2

选取一块石英晶体(厚度约为1.7mm)和一块石英玻璃(厚度约为1mm)，与实施例1中的玻璃组成一个样品，样品包括石英晶体、石英玻璃、玻璃和空气部分(如图6所示)。将其放入成像装置，分别测量太赫兹脉冲的水平和竖直偏振分量，图7中深色实线表示水平偏振分量，浅色点划线表示竖直偏振分量。其中横轴为泵浦光和探测光的时间差，纵轴为信号的相对强度。

图8a和图8b中所示分别为水平偏振太赫兹图像Ex和竖直偏振太赫兹图像Ey。横轴为位置坐标，纵轴为位置坐标。由(|Ex|-|Ey|)/(|Ex|+|Ey|)计算得出样品的相对强度图像，如图9所示，横轴为位置坐标，纵轴为位置坐标。从图9中可以看出，尽管石英晶体、石英玻璃和玻璃三者都是透明无色固体，在可见光下较难分辨，但从太赫兹偏振图像中可以清晰地辨识出它们的不同。

通过上述实施例证明利用本发明的太赫兹偏振实施成像装置和实时成像方法，能够获得待测样品的相对强度图像，从该相对强度图像中可以清楚地识别出样品中不同部分的位置，并可以根据图像和谱线对它们的偏振特性进行深入的分析，从而本发明为太赫兹成像技术开拓了一个新的应用空间。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种太赫兹偏振实时成像的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将待测样品放入太赫兹偏振实时成像装置中；

(2)激光器产生的飞秒脉冲分成两束光，即泵浦光和探测光，其中泵浦光用以产生太赫兹脉冲，探测光用以探测太赫兹脉冲，连续改变泵浦光和探测光的光程差，测量经过样品的太赫兹脉冲的一个偏振分量Ex；

(3)通过二分之一波片改变探测光的偏振态，再次连续改变泵浦光和探测光的光程差，测量太赫兹脉冲的另一偏振分量Ey；从而测量出太赫兹脉冲的水平偏振分量Ex和竖直偏振分量Ey；

测量太赫兹脉冲的水平偏振分量和竖直偏振分量的方法为：测量被太赫兹脉冲的电场调制后的探测光在0度偏振时的偏振分量，得到太赫兹脉冲的水平偏振分量；测量被太赫兹脉冲的电场调制后的探测光在45度或-45度偏振时的偏振分量，得到太赫兹脉冲的竖直偏振分量，所述0度、45度或-45度均为探测光初始偏振态与探测晶体<001>方向的夹角；

2.如权利要求1所述的太赫兹偏振实时成像的方法，其特征在于，所述步骤(4)中相对强度图像的计算公式是(|Ex|-|Ey|)/(|Ex|+|Ey|)。

3.如权利要求1所述的太赫兹偏振实时成像的方法，其特征在于，所述步骤(1)中该待测样品紧贴实时成像装置中的探测晶体。

4.如权利要求1所述的太赫兹偏振实时成像的方法，其特征在于，所述泵浦光和探测光为同源激光。

5.如权利要求4所述的太赫兹偏振实时成像的方法，其特征在于，所述激光功率0.80W，脉冲宽度小于100fs。

6.如权利要求1所述的太赫兹偏振实时成像的方法，其特征在于，所述太赫兹偏振实时成像装置的光谱范围为0.2-2.5THz，信噪比＞1000，动态范围大于5000∶1，光谱分辨率为16GHz。