CN102749341A

CN102749341A - 基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统及方法

Info

Publication number: CN102749341A
Application number: CN2012102396979A
Authority: CN
Inventors: 曹俊诚; 周涛; 谭智勇; 张戎; 郭旭光
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明涉及一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统和方法，系统包括太赫兹源部分、传输汇聚光路系统、旋转平行扫描台以及太赫兹信号检测部分，太赫兹源部分包括太赫兹量子级联激光器、驱动电源以及斩波扇；传输汇聚光路系统包括第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组；太赫兹信号检测部分包括太赫兹量子阱探测器、信号处理模块以及锁相放大器。方法为太赫兹量子级联激光器出射连续太赫兹波由斩波扇调制，被离轴抛面镜组汇聚于样品上，太赫兹波透过样品通过另一组抛面镜汇聚到太赫兹量子阱探测器上，产生响应光电流，将光电流信号转换成电压信号，通过低噪声放大器放大，由锁相放大器读出数据。本发明可以有效的获取了样品断层的图像信息。

Description

基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹应用技术领域，特别是涉及一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统及方法。

背景技术

目前断层扫描技术主要采用X射线等高能量穿透性强的射线，技术固然成熟，但是由于射线能量高，所以对人体和环境的损害很大，使用具有较大副作用和危险性，而太赫兹波（简称“THz波”）频率比X射线低很多，能量不足以电离生物分子，所以在医学应用领域具有很好的应用前景，同时THz波还能够穿透高强度聚乙烯/聚丙烯等非极性材料。基于以上特性，THz波的断层扫描技术就可以广泛应用于医学和隐藏物体安检等领域，具有很高的实际应用价值。

太赫兹量子级联激光器（简称“THz QCL”）作为THz源具有功率高（～10mW），体积小，易集成等突出特点，如果选择脉冲工作模式则工作温度可提高至100K以上，完全达到了实际应用的标准。太赫兹量子阱探测器（简称“THz QWP”）是一种与THz QCL工作频率范围非常匹配的低维半导体探测器，器件对可探测范围内的THz光的响应速率可达GHz量级（ns量级），非常适合在脉冲激射型THz QCL为辐射源的成像系统中作为THz光的检测器，同时在高灵敏度和高分辨率探测尤其是在焦平面阵列制备方面具有独特的优势。此外THz QWP是一种重要的窄带探测器，与其他宽带探测器相比具有很好的光谱分辨能力，无论是在连续THz辐射源还是脉冲THz辐射源情况下，器件均具有很好的滤光功能，可有效消除噪声信号的干扰，提高成像质量。目前，基于GaAs/AlGaAs材料体系的量子阱探测器主要有光电导型和光伏型两种，已报道的THz波段的量子阱探测器多属于光电导型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统及方法，能够有效获取样品断层的图像信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，包括太赫兹源部分、传输汇聚光路系统、旋转平行扫描台以及太赫兹信号检测部分，所述太赫兹源部分包括太赫兹量子级联激光器、与所述太赫兹量子级联激光器相连的驱动电源、以及斩波扇；所述传输汇聚光路系统包括第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组；所述太赫兹信号检测部分包括太赫兹量子阱探测器、与太赫兹量子阱探测器相连的信号处理模块以及锁相放大器，所述信号处理模块和锁相放大器分别与计算机相连；所述太赫兹量子级联激光器发出的太赫兹波经过聚乙烯窗片射出；所述斩波扇直接位于聚乙烯窗片外对出射的太赫兹波进行调制；所述第一离轴抛面镜组将经过斩波扇发散的太赫兹波汇聚成平行光束传输至位于旋转平行扫描台上的样品，经过样品透射后的太赫兹波经过第二离轴抛面镜组收集汇聚，再经过聚乙烯窗片到所述太赫兹量子阱探测器；所述太赫兹量子阱探测器收到太赫兹波后产生相应的电流信号；所述信号处理模块将所述电流信号提取为电压信号，并进行放大；所述锁相放大器对电路输入的电压信号进行读取和显示；所述计算机用于记录所述锁相放大器的电压信号值，并将其与被测样品的位置信息一一对应，得到被测样品的太赫兹信号透射强度数据。

所述旋转平行扫描台上的样品中心位于第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组焦点处。

所述太赫兹量子级联激光器发出的太赫兹波的频率为2.9THz。

所述太赫兹量子阱探测器的探测频率范围为2.0-6.0THz。

所述太赫兹量子阱探测器的峰值探测频率为3.22THz。

所述太赫兹量子阱探测器的有源区包括23个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al_0.015Ga_0.985As层各一层。

所述信号处理模块包括依次连接的信号处理电路、低噪声放大器及锁相放大器；所述信号处理电路包括电压放大器，供电电池和分压电阻，所述供电电池、分压电阻与太赫兹量子阱探测器串联为闭合回路，并采用电压放大器提取所述分压电阻两端的电压。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统的扫描成像方法，包括以下步骤：

（1）太赫兹量子级联激光器发射出太赫兹信号，然后将信号采用斩波扇调制，并将调制后的信号由一组离轴抛面镜汇聚，然后传输至样品；

（2）所述传输汇聚光路系统将透射的太赫兹信号汇聚并传输至所述太赫兹量子阱探测器；

（3）所述太赫兹量子阱探测器将接收到的透射中的太赫兹波转换为电信号并发送至所述信号处理模块进行处理；

（4）同步控制所述旋转平行扫描台、信号处理模块，并且采用Hough变换数据处理方法对收到的电信号进行处理，再将处理后的数据利用断层还原算法还原得到断层图像信息。

所述步骤（1）中样品至于旋转平行扫描台上，采用10°、20°、30°、或45°的角度间隔，平行扫描步长为1mm。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明主要是利用电压驱动的THz QCL作为发射源，光电导型THz QWP作为探测器进行物体的断层扫描：THz QCL发射出的THz波经调制后汇聚到样品上，QWP提取透射的THz信号，然后经过放大，利用同步控制系统进行数据采集，最后还原被测物体的断层图像。

（1）本发明采用了工作频率范围与太赫兹量子级联激光器激射频率范围相匹配的太赫兹量子阱探测器作为探测器，该探测器具备快速响应、高探测率的特点，非常适合对太赫兹量子级联激光器所发射的太赫兹信号的检测。

（2）本发明采用的太赫兹量子阱探测器为半导体窄谱探测器，响应峰与激光器激射频率相近，响应效果好，在成像过程中具有很好的滤光功能，可以有效减少THz频段外的噪声信号对成像结果的影响，使太赫兹透射成像的效果更好。

（3）本发明所述的基于太赫兹量子器件的断层扫描成像装置采用了在太赫兹频段有很好的反射(或透射)特性的光学附件，如高强度聚乙烯，可以使测量装置达到尽可能大的太赫兹波收集效率。

（4）本发明基于太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的断层扫描系统及方法实现了THz波断层扫描成像技术的实际应用，对THz成像应用技术的发展和推广有重要意义。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明中太赫兹量子阱探测器的光响应谱与太赫兹量子级联激光器激光发射谱线图；

图3是本发明中采用为厚度分别为1.8mm和5.0mm高密度聚乙烯（HDPE）材料和2.2mm高密度聚丙烯（HDPP）材料在1.5-10.0THz光频段的透射谱测量结果图；

图4是本发明中采用局域太赫兹量子器件的断层扫描系统获得的样品截面结果示意图，图4A为圆形聚乙烯外罩形状及厚度截面还原结果为缺陷的聚丙烯截面还原结果，图4B为缺陷的聚丙烯截面还原结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，如图1所示，包括太赫兹源部分、传输汇聚光路系统、旋转平行扫描台以及太赫兹信号检测部分，所述太赫兹源部分包括太赫兹量子级联激光器2、与所述太赫兹量子级联激光器2相连的驱动电源1、以及斩波扇3；所述传输汇聚光路系统包括第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组；所述太赫兹信号检测部分包括太赫兹量子阱探测器10、与太赫兹量子阱探测器10相连的信号处理模块以及锁相放大器11，所述信号处理模块和锁相放大器11分别与计算机9相连；所述太赫兹量子级联激光器2发出的连续太赫兹波经过聚乙烯窗片射出；所述斩波扇3直接位于聚乙烯窗片外对出射的太赫兹信号进行调制；所述第一离轴抛面镜组将经过斩波扇3发散的太赫兹光汇聚至位于旋转平行扫描台8上的样品，经过样品透射后的太赫兹信号经过第二离轴抛面镜组收集汇聚，再经过聚乙烯窗片到所述太赫兹量子阱探测器10；所述太赫兹量子阱探测器10收到太赫兹光后产生相应的光电流信号；所述信号处理电路将所述电流信号提取为电压信号，并进行放大；所述锁相放大器11对电路输入的电压信号进行读取和显示；所述计算机9用于记录所述锁相放大器11的电压信号值，并将其与被测样品的断层信息一一对应，得到被测样品的太赫兹信号透射强度数据。其中，所述信号处理模块包括依次连接的信号处理电路、低噪声放大器及锁相放大器，并由电源提供稳定偏压。所述信号处理电路包括电压放大器一个，供电电池一节，分压电阻一个，电路连接线若干，其中，供电电池、分压电阻与太赫兹量子阱探测器串联为闭合回路，并采用电压放大器提取分压电阻两端的电压。

如图1所示，本发明提出的基于太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的断层扫描系统，包括：A.THz源部分、B.传输汇聚光路和旋转平行扫描台、C.THz信号检测部分。

A.THz源部分，包括驱动电源1、太赫兹量子级联激光器2、斩波扇3；THz QCL安装于冷头内的热沉之上，在发射THz信号的窗口处装有高强度聚乙烯窗片，主要起到密封冷头环境和得到高的THz波透过率。其中所述的驱动电源为电压源，选择方波电压信号驱动，占空比为50%，频率为0.5Hz，驱动电压幅度为13V-14.67V。所述激光器工作温度为17K，发射的连续THz频点为2.9THz，由图2右上方的曲线所示对于厚度为1.8mm的高强度聚乙烯窗片的透过率约90%，由图3所示。由聚乙烯窗口发射出的THz信号被斩波扇3所调制，调制频率为20Hz。

B.传输汇聚光路和旋转平行扫描台，该部分包括第一离轴抛面镜4、第二离轴抛面镜5、第三离轴抛面镜6、第四离轴抛面镜7、旋转平行扫描台8；所述的量子级联激光器发射出THz信号之后由第一离轴抛面镜4接收，第一离轴抛面镜4将THz波汇聚成平行光束传输给第二离轴抛面镜5，第二离轴抛面镜5和第三离轴抛面镜6为共焦点，样品置于焦点处，旋转平行扫描台位于焦点的正下方，控制样品断层的扫描；第三离轴抛面镜6接收到透射过样品的THz信号，然后将信号汇聚成平行光传输至第四离轴抛面镜7，第四离轴抛面镜7再将THz信号聚焦至THz信号检测部分。其中，所述传输汇聚光路系统包含第一组的第一个离轴抛面镜将发散的THz波汇聚成平行光束传输至第二个抛面镜汇聚；采用两组离轴抛面镜，离轴抛面镜规格为2〞f/2（底面直径为50.8mm，焦距为10.16mm），太赫兹信号通过第一组离轴抛物面镜汇聚到样品上，透射之后的THz波由第二组离轴抛面镜收集汇聚到探测器THz QWP，其中位于样品两端的两只离轴抛面镜共焦点，旋转平行扫描台上的样品中心就位于焦点处。

其中，第一离轴抛面镜4、第二离轴抛面镜5、第三离轴抛面镜6、第四离轴抛面镜7均为90度离轴抛物镜，其反射的有效焦距均为101.6mm，反射面均为镀金抛物面，其对2.9THz电磁波的反射率均为99%。

C.THz信号检测部分，包括电脑9、太赫兹量子阱探测器10（THz QWP）、锁相放大器11以及未标记出的信号转换电路和低噪声放大器；所述的离轴抛面镜7传输透射的THz信号，然后透过QWP冷头的聚乙烯窗片，并汇聚于QWP的感光面上，并产生相应的电流信号；所述信号处理电路将所述电流信号提取为电压信号，并利用低噪声放大器放大，放大倍数设定为100；电脑9用以获取锁相放大器所记录的电压信号值，并控制所述的旋转平行扫描台8的位移，使获得的信号与样品断层一一对应，得到被测样品的断层太赫兹透射信号图。

所述太赫兹量子阱探测器为光电导型低维半导体探测器，其有源区采用分子束外延方法在半绝缘的GaAs衬底上交替生长GaAs层和Al_0.015Ga_0.985As层而形成，有源区总共有23个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al_0.015Ga_0.985As层各一层，器件尺寸为800μm×800μm（长×宽），器件的峰值探测频率为3.22THz，其在2.9THz处的响应幅度为归一化光响应幅度的40%，如图2所示，器件的工作温度为3.15K，外加偏压为30.9mV。

其中，所述太赫兹量子阱探测器为光电导型太赫兹量子阱探测器。进一步优选地，THzQWP工作温度为3.15K，在3.22THz处的峰值响应率为0.5A/W，探测率达10¹¹cm.Hz^1/2/W，相应的NEP为8×10^-13W/Hz^1/2。THz源量子级联激光器发射的连续THz波频率为2.9THz，采用的量子阱探测器探测频率范围可覆盖2.0-6.0THz。

本装置用于对样品断层的进行成像，具体为基于太赫兹量子器件，测量装置中采用了工作频率范围与太赫兹量子级联激光器激射频率范围相匹配、且具有快速响应能力和窄谱特性的太赫兹量子阱探测器作为成像装置的检测器，采用了对2.9THz太赫兹光吸收弱的聚乙烯材料作为窗片，采用了对太赫兹光反射率较高的镀金离轴抛物镜作为太赫兹光的收集和反射装置进行光路的搭建。

本实施例提供一种基于太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的断层扫描方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤一，将被测样品（横截面有缺陷的聚乙烯材料，横截面为20mm×20mm）安装于旋转平行扫描台上，并将其放置于光路部分的第二离轴抛物镜5和第三离轴抛物镜6的共同焦点处，使样品表面垂直于太赫兹光的传播方向；电脑控制旋转平移台按照设定的扫描轨迹运动，使被测样品一定高度的横截面的角度扫描覆盖180°，同时记录下特定角度下扫描的位置信息，平移台在X方向的移动步长为1.0mm，移动的总长度为30mm，在Z方向的旋转角度增量为30°或45°，在180°内共计6次和4次。需要说明的是，Z方向的旋转角度增量采用20°、10°或更小的角度间隔，平移步长可以更短，如0.5mm，在为满足衍射极限情况下可以提高断层图像的分辨率。

步骤二，采用可编程电压源给安装于光源部分热沉上的太赫兹量子级联激光器施加幅度为14.67V，激光器工作于连续模式之下，太赫兹光频率为2.9THz，信号经过第一聚乙烯窗片后被斩波扇调制到达4.第一离轴抛面镜上，调制频率为20Hz；

步骤三，所述4.第一离轴抛面镜接到被调制的太赫兹信号，并使该信号反射至5.第二离轴抛面镜；所述5.第二离轴抛面镜使调制信号反射汇聚至被测样品上，太赫兹信号透过被测样品后到达6.第三离轴抛面镜；所述6.第三离轴抛面镜接收从被测样品透射过来的太赫兹信号，并被其反射至所述7.第四离轴抛面镜；所述7.第四离轴抛物镜使透射的太赫兹信号反射汇聚至太赫兹量子阱探测器的敏感面上（透过QWP的聚乙烯窗口）；

步骤四，所述检测部分的太赫兹量子阱探测器对所述7.第四离轴抛物镜反射过来的透射太赫兹信号进行快速响应后产生相应的电流信号，采用所述信号处理电路将所述电流信号提取为电压信号（频率与调制频率相同，为20Hz），电压信号经过低噪声放大器放大之后由锁相放大器提取出来，所述检测部分的电脑对锁放提取出的信号强度进行记录，并将获取的电压信号强度与被测样品的位置信息进行一一对应，得到被测样品断层扫描的太赫兹信号强度数据，该数据经过Hough变换，再由断层还原程序处理，最终完成基于太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的断层扫描成像，最终结果如图4所示。

Claims

1.一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，包括太赫兹源部分、传输汇聚光路系统、旋转平行扫描台以及太赫兹信号检测部分，其特征在于，所述太赫兹源部分包括太赫兹量子级联激光器（2）、与所述太赫兹量子级联激光器（2）相连的驱动电源（1）、以及斩波扇（3）；所述传输汇聚光路系统包括第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组；所述太赫兹信号检测部分包括太赫兹量子阱探测器（10）、与太赫兹量子阱探测器相连的信号处理模块以及锁相放大器（11），所述信号处理模块和锁相放大器（11）分别与计算机（9）相连；所述太赫兹量子级联激光器（2）发出的连续太赫兹波经过聚乙烯窗片射出；所述斩波扇（3）直接位于聚乙烯窗片外对出射的太赫兹波进行调制；所述第一离轴抛面镜组将经过斩波扇（3）调制的发散的太赫兹波至位于旋转平行扫描台（8）上的样品，经过样品透射后的太赫兹波经过第二离轴抛面镜组收集汇聚，再经过聚乙烯窗片到所述太赫兹量子阱探测器（10）；所述太赫兹量子阱探测器（10）接收到透射太赫兹波后产生相应的光电流信号；所述信号处理模块将所述光电流信号提取为电压信号，并进行放大；所述锁相放大器（11）对电路输入的电压信号进行读取和显示；所述计算机（9）用于记录所述锁相放大器（11）的电压信号值，并将其与被测样品的断层信息一一对应，得到被测样品的太赫兹信号透射强度数据。

2.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，其特征在于，所述旋转平行扫描台（8）上的样品中心位于第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组焦点处。

3.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，其特征在于，所述第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组均由两块90度离轴抛物镜组成。

4.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器（2）发出的连续太赫兹波的频率为2.9THz。

5.根据权利要求4所述的基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，其特征在于，所述太赫兹量子阱探测器（10）的探测频率范围为2.0-6.0THz。

6.根据权利要求5所述的基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，其特征在于，所述太赫兹量子阱探测器（10）的峰值探测频率为3.22THz。

7.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，其特征在于，所述太赫兹量子阱探测器（10）的有源区包括23个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al_0.015Ga_0.985As层各一层。

8.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，其特征在于，所述信号处理模块包括依次连接的信号处理电路、低噪声放大器及锁相放大器；所述信号处理电路包括电压放大器，供电电池和分压电阻，所述供电电池、分压电阻与太赫兹量子阱探测器串联为闭合回路，并采用电压放大器提取所述分压电阻两端的电压。

9.一种如权利要求1所述基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统的扫描成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）所述太赫兹量子阱探测器将接收到的透射太赫兹波转换为电信号并发送至所述信号处理模块进行处理；

10.根据权利要求9所述的扫描成像方法，其特征在于，所述步骤（1）中样品至于旋转平行扫描台上，采用10°、20°、30°、或45°的角度间隔，平行扫描步长为1mm。