CN110954498A - 一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，属于太赫兹波光电子领域，包括激光光源、宽光谱激光产生器件、非线性频率变换器件、样品、波长转换器件、非线性太赫兹变换器件、近红外光谱分光成像器件和近红外光成像器件；非线性频率变换器件将宽谱近红外激光转换为宽谱太赫兹波照射在样品上，并携带样品的太赫兹波光谱信息和一维空间信息，与单一波长的近红外光进行非线性频率变换，新产生的近红外光信号包含了样品的太赫兹波的光谱信息和一维空间信息，经过近红外光谱分光成像器、近红外光成像器件实现高光谱成像。本发明实现了室温下太赫兹波段高速高光谱成像，弥补了当前太赫兹高光谱成像的技术空白。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，属于太赫兹波光电子技术领域。
背景技术
太赫兹波是一种频率单位为太赫兹的电磁波。太赫兹波的定义相对较为广泛，广义上来说，0.01THz至100THz都可以称为太赫兹波，但是太赫兹波的频率在0.1THz以下可以用电子学的方法来测量在30THz(10微米)以上可以使用远红外探测器直接测量而0.1-30THz波段范围的太赫兹波，相对来说探测技术仍未成熟。
高光谱成像是一种对信号进行测量的较新的技术方式。高光谱成像将成像技术和光谱技术相结合，可以同时获得待测样品的光谱信息和空间信息，在多种领域有着重要的应用。目前0.1-30THz波段范围的太赫兹波，尚未有对太赫兹波进行高光谱成像的方法提出。在单纯的空间成像方面，目前太赫兹波的成像方式主要以点扫描为主，并非严格意义上的成像。基于微测辐射热计的太赫兹相机，可以对太赫兹实现二维成像，但是这种太赫兹相机灵敏度低，像素数小，且对太赫兹光谱不敏感，太赫兹分光器件的缺乏也限制了这种相机应用于高光谱成像的可能。采用非线性频率变化技术可以实现对太赫兹波的二维成像，但其太赫兹频率受限于单一频率，也并非高光谱成像。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，通过利用非线性频率变换将太赫兹高光谱信息转换为近红外高光谱信息，并利用成熟的近红外高光谱成像技术实现太赫兹波的高光谱成像。本系统能够实现在室温下对太赫兹进行高光谱成像，可适用于0.1-30THz波段宽谱波长，在太赫兹波应用方面有着广泛的应用前景。
本发明采用以下技术方案：
一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，包括激光光源、宽光谱激光产生器件、非线性频率变换器件、样品、波长转换器件、非线性太赫兹变换器件、近红外光谱分光成像器件和近红外光成像器件；
激光光源作为系统的能量供应，为宽谱近红外激光的产生和频率变换提供能量来源，宽光谱激光产生器件在激光光源的作用下产生宽谱近红外激光，非线性频率变换器件将宽谱近红外激光转换为宽谱太赫兹波，然后通过光束整形(一维聚焦等)，形成长条状，照射在样品上，通过透射或反射的方式携带样品的太赫兹波光谱信息和一维空间信息，太赫兹波光谱信息在非线性太赫兹变换器件上，与产生自波长转换器件的单一波长的近红外光进行非线性频率变换，重新转换至近红外光信号，新产生的近红外光信号包含了样品的太赫兹波的光谱信息和一维空间信息，经过近红外光谱分光成像器件产生二维空间分布的近红外高光谱信号，实现光谱的空间分离和成像并由近红外光成像器件进行数据采集和记录成数字信号，从而实现太赫兹波的高光谱成像。
本发明中，激光光源作为系统的能量供应，用来产生宽谱激光和一个窄带激光，用于产生具有相干特性的宽谱太赫兹波及其频率上转换，宽谱太赫兹波经过一维聚焦成长条状照射在样品上并携带样品光谱和空间信息，即产生太赫兹波段高光谱信号，窄带激光与太赫兹波高光谱信号在非线性太赫兹变换器件的非线性作用下产生近红外光高光谱信号，通过近红外光谱分光成像器件实现光谱的空间分离和成像，由近红外光成像器件记录成数字信号，从而实现太赫兹波的高光谱成像。
本发明通过对近红外激光部分和太赫兹波部分在非线性太赫兹变换器件的非线性晶体中进行基于光学非线性的能量的相互转换，并使用基于近红外光学的光谱分光成像设计，实现对太赫兹波的高光谱成像。对近红外激光部分和太赫兹波部分进行能量的相互转换，是指通过光学非线性效应将近红外激光的能量转化至太赫兹波段，作为系统的太赫兹波光源照射到样品上，并在携带样品光谱和空间信息后，再次通过光学非线性效应将能量和信息转化至近红外波段，所述能量变换过程包括但不限于光学参量变换、差频、和频和拉曼变换。
宽谱太赫兹波具有较宽的光谱范围，光谱范围宽度根据光谱测量需求确定，可选的范围从零点几太赫兹到几十太赫兹可变。
本发明的高光谱成像是现有的一种信息采集技术，高光谱成像数据包含二维空间成像信息和光谱信息共三维信息，可以获得目标或样品的不同位置的光谱信息，相比于常见的照相也就是可见光成像，能够获取更多的信息，用于对研究目标中不同成分的空间分布研究与分析。
优选的，激光光源为宽光谱激光产生器件和波长转换器提供激光能量，应具有较高的峰值功率，能够满足通过非线性效应产生宽谱激光和窄带激光的要求，包括但不限于纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器和飞秒脉冲激光器等，所需能量能够满足非线性频率变换。
激光光源的宽光谱激光的光谱宽度需根据太赫兹波高光谱成像系统的太赫兹波光谱范围进行计算，从而对宽光谱激光产生器件进行参数设计，根据所选择的太赫兹波产生的方式不同，能够覆盖的最大的太赫兹波宽度也会有所变化，常见的范围比如0.1-3THz，1-20THz等。为提高光谱分辨率，根据实际应用需求，也可以是更小的范围，如1-5THz。因此宽光谱激光的光谱范围也需要根据太赫兹波段的光谱范围及产生方式来进行相应的计算获得，属于现有技术，可参照现有技术进行。
优选的，所述宽光谱激光产生器件的光学非线性频率变化方式包括但不限于光学参量变换、差频、和频和拉曼变换。
宽光谱激光产生器件主要是产生宽光谱激光的器件或装置，包括但不限于非共线相位匹配非线性光参量振荡产生、周期性极化(翻转畴)非线性光参量振荡产生、发散光束非线性光参量振荡产生、光纤高非线性宽谱产生等。
优选的，非线性频率变换器件主要为产生宽谱太赫兹波，主要核心为太赫兹波段非线性晶体，需能够满足近共线的太赫兹波宽谱相位匹配，所述非线性频率变换器件和非线性太赫兹变换器件的非线性频率变换方式包括但不限于光学参量变换、差频和倍频。
优选的，样品为需要检测的样品，根据应用需求选择即可，太赫兹波照射到样品的方式可以是反射和透射，经照射后，太赫兹波携带样品的待测光谱和空间信息。
优选的，波长转换器件是用于产生窄带宽的激光的器件或装置，作为非线性太赫兹变换器件中进行频率变换的激光源，波长转换器件所产生的激光波长由非线性太赫兹变换器件进行波长变换对激光源的物理需求决定，产生原理包括但不限于光学非线性参量变换、拉曼变换、倍频等，如果所需要的波长同激光光源一致，则波长转换器件可被省略。
优选的，非线性太赫兹变换器件核心为太赫兹波段非线性晶体，主要作用是将宽谱太赫兹波转换到近红外波段，与非线性频率变换器件可以相同，也可以不同，需与满足近共线的太赫兹波宽谱相位匹配。
优选的，近红外光谱分光成像器件主要为经过光学设计的近红外波段光路和系统，光学设计根据近红外光成像器件的物理特性，如分辨率、像元大小、光敏面大小、光敏面位置及接口定义等，进行对应设计，设计时主要保证近红外光能够在近红外光成像器件上形成光谱分布的同时，重现样品的一维空间分布；
所述近红外光谱分光成像器件获得在空间上分离的对应太赫兹光谱的近红外光谱，同时保留信号所携带的一维空间信息；
近红外光谱分光成像器件包括但不限于光栅、声光可调谐滤光分光器件、棱镜分光器件、由光束控制器件和近红外焦平面阵列所组成的分光成像系统，以及由非共线相位匹配加光束控制器件和近红外焦平面阵列形成的分光成像系统。
优选的，近红外光成像器件对携带太赫兹光谱和一维空间信息的近红外光进行高光谱成像，同时记录下光谱信息和一维空间信息；
近红外光成像器件包括但不限于硅基焦平面阵列(CCD、CMOS、sCMOS、EMCCD、PIN阵列、APD阵列)、InGaAs基焦平面阵列(FPA、PIN阵列、APD阵列、单光子探测器阵列等)和近红外至可见光波长变换器等，可通过一维线性移动样品，实现对样品的高光谱成像。
进一步优选的，激光光源采用532nm波长纳秒脉冲的全固态激光光源，重复频率100Hz，脉冲宽度6ns，激光单脉冲能量为50mJ；宽光谱激光产生器件采用BBO晶体非共线相位匹配OPO架构，通过光束变换将部分来自于激光光源的激光以大发散角方式入射到BBO晶体中，产生的宽光谱激光范围为900-1000nm，单脉冲能量为20uJ，波长转换器件为BBO晶体共线相位匹配OPO(共线和非共线相位匹配OPO是一种光学领域比较成熟的技术，根据需求设计结果来购买对应加工参数的BBO晶体即可，此处不再赘述)；自于激光光源的部分激光直接入射到共线相位匹配OPO中产生单一波长近红外激光，单脉冲能量为5uJ，波长为900nm，宽光谱激光产生器件产生的激光照射到非线性频率变换器件上，作为太赫兹波产生的光源；非线性频率变换器件的非线性晶体采用BNA有机晶体，在晶体中通过共线差频的方式进行宽谱太赫兹波的产生，并通过太赫兹光学系统扩束准直后，照射在样品上；样品为压成圆形的空间上分离的葡萄糖粉末和蔗糖粉末，并使用两片聚乙烯薄膜固定于样品夹上，样品安置于一维电控平移台上，通过程序控制进行一维移动。移动的时机和步长由系统控制程序统一控制，可根据需要灵活选择，样品系统整体采用透射型设计，即对穿透样品的太赫兹波进行高光谱成像测量，透过的太赫兹信号携带了样品的太赫兹光谱信息和一维空间信息，经过太赫兹光学系统变换光束后，照射到非线性太赫兹变换器件上，来自于波长转换器件的激光同样照射于非线性太赫兹变换器件上。非线性太赫兹变换器件的非线性晶体采用BNA晶体，非线性频率变换方式采用共线差频的方式，通过非线性太赫兹变换器件后，太赫兹波所携带的样品光谱信号及空间信号被转至近红外波段，并通过近红外光学系统传输至近红外光谱分光成像器件处；近红外光谱分光成像器件为闪耀光栅，与经过成像光学设计的透镜组合合成近红外分光成像器件，将上述产生的近红外高光谱信号实现光谱的空间分离，同时保证空间信息的保持；因信号较弱，近红外光成像器件采用EMCCD作为成像器件，实现高光谱信号的采集。
进一步优选的，激光光源采用532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量50mJ；宽光谱激光产生器件采用周期性极化LN晶体(可定制为宽光谱进行周期性参数优化设计的周期性极化LN晶体，购买即可，厂家会根据具体需求进行设计和生产，属于现有技术)，产生的单脉冲能量100uJ，光谱宽度范围1360-1420nm，波长转换器件为采用共线相位匹配设计的KTP晶体，通过OPO光学参量振荡产生单一波长1357nm近红外激光，单脉冲能量为20uJ；非线性频率变换器件的非线性晶体采用DAST晶体，在来自于宽光谱激光产生器件中的宽谱激光作用下，产生宽谱的太赫兹波，光谱范围0.5-9.3THz，经太赫兹波段光路聚焦到样品上，并形成一条1mm×2cm的光斑；样品为使用葡萄糖粉末压制成0.5mm厚，边长2.5mm的正方形薄片，用PE薄膜夹持安置于一维电控平移台上，透过样品的太赫兹信号携带了样品的太赫兹光谱信息和一维空间信息，与来自于波长转换器件的单频近红外激光一起，照射到非线性太赫兹变换器件上；非线性太赫兹变换器件的非线性晶体采用DAST晶体，采用闪耀光栅作为近红外分光器件将上述产生的近红外高光谱信号实现光谱的空间分离，通过光学成像光路保证空间信息的保持，并将近红外光成像到近红外光成像器件上；近红外光成像器件采用InGaAs近红外焦平面阵列作为成像器件，通过一维电控平移台移动样品，可以实现高光谱信号的采集。
进一步优选的，激光光源采用532nm/1064nm双波长固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，532nm激光单脉冲能量30mJ，1064nm激光和532nm激光同源，能量为50mJ；
宽光谱激光产生器件采用BBO晶体非共线相位匹配OPO架构，通过光束变换将来自于激光光源的532nm激光以0.1°的发散角方式入射到BBO晶体中，产生的光谱激光范围约为1069-1075nm，单脉冲能量为0.5mJ，因OPO特性，不同波长激光输出角度有不同的空间角度特性，通过光学光路照射到非线性频率变换器件上；非线性频率变换器件采用MgO:LiNbO3晶体耦合三棱柱高阻硅阵列，即非线性频率变换器件采用MgO:LiNbO3晶体，并在其侧面叠加高阻硅三棱柱阵列作为太赫兹波耦合输出，太赫兹波出射方向为侧前方向，不同波长太赫兹波方向相同，来自于宽光谱激光产生器件的宽谱激光和部分来自于激光光源中的1064nm激光在非线性频率变换器件中进行非线性频率变换，产生1.2-2.8THz范围的太赫兹波，通过光学系统压缩成长条状照射到样品上；样品采用麦芽糖粉末压成的薄片，由薄PE膜固定在一维平移台上，太赫兹波再次经过光学系统后，照射到非线性太赫兹变换器件上；非线性太赫兹变换器件同样采用MgO:LiNbO3晶体耦合三棱柱高阻硅阵列，波长转换器件在本例中不需要，来自于激光光源的部分1064nm激光与太赫兹波在非线性太赫兹变换器件中产生非线性频率变换，产生波长范围1069-1075nm的携带有样品光谱和空间信息的近红外激光，由于本结构中产生的近红外激光自身具有光谱和空间角度对应的分布，因此近红外光谱分光成像器件仅需要通过光学成像光路保证空间信息的保持，照射到近红外光成像器件上，不再需要光谱分光器件；近红外光成像器件采用EMCCD作为高灵敏的成像器件，通过对样品的一维平移台进行控制，实现获得样品的高光谱信息。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
1)现有的太赫兹成像技术都是普通二维空间成像，本发明首次提出了技术上能够实现的太赫兹波高光谱成像，可在太赫兹波段的二位空间信息上叠加获得光谱信息，得到三维高光谱成像数据，所采集的数据为空间数据和光谱数据本身，无需进行数据计算及变换。现有报道的太赫兹波段的所谓的高光谱成像技术，大部分基于时域光谱学加点扫描方式，采集速度极慢，频率范围一般低于7THz；采用幻影成像技术替代点扫描可以提高采集速度，但速度和分辨率不可兼得；还有基于频率梳的高光谱成像技术，但频率范围极窄。相比于以上技术，本发明具有采集速度快，光谱范围广的特点，最大光谱范围可覆盖1-30THz范围。本发明的近红外光谱分光成像器件、近红外光成像器件等器件的工作温度都是室温或半导体简单制冷就可以获得的温度范围，实现了室温下太赫兹波段高速高光谱成像，弥补了当前太赫兹高光谱成像的技术空白。
2)本发明可以根据需求，通过调节近红外光谱分光成像器件的分辨率、焦距、成像尺寸等参数，来实现太赫兹波高光谱成像的光谱成像范围和分辨率调整，在满足不同应用需求的情况下，整体设计不会出现大的变动，适应性强。
3)本发明可以充分利用EMCCD等近红外光成像器件成熟的高灵敏度、高分辨率特性，实现太赫兹波的高光谱成像的高灵敏度和高光谱、空间分辨率。
附图说明
图1为本发明的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统的结构示意图；
图中，1-激光光源，2-宽光谱激光产生器件，3-非线性频率变换器件，4-样品，5-波长转换器件，6-非线性太赫兹变换器件，7-近红外光谱分光成像器件，8-近红外光成像器件。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，如图1所示，包括激光光源1、宽光谱激光产生器件2、非线性频率变换器件3、样品4、波长转换器件5、非线性太赫兹变换器件6、近红外光谱分光成像器件7和近红外光成像器件8；
激光光源1作为系统的能量供应，为宽谱近红外激光的产生和频率变换提供能量来源，宽光谱激光产生器件2在激光光源1的作用下产生宽谱近红外激光，非线性频率变换器件3将宽谱近红外激光转换为宽谱太赫兹波，然后通过光束整形(一维聚焦等)，形成长条状，照射在样品4上，通过透射或反射的方式携带样品4的太赫兹波光谱信息和一维空间信息，太赫兹波光谱信息在非线性太赫兹变换器件6上，与产生自波长转换器件5的单一波长的近红外光进行非线性频率变换，重新转换至近红外光信号，新产生的近红外光信号包含了样品4的太赫兹波的光谱信息和一维空间信息，经过近红外光谱分光成像器件7产生二维空间分布的近红外高光谱信号，实现光谱的空间分离和成像并由近红外光成像器件8进行数据采集和记录成数字信号，从而实现太赫兹波的高光谱成像。
本发明中，激光光源1作为系统的能量供应，用来产生宽谱激光和一个窄带激光，用于产生具有相干特性的宽谱太赫兹波及其频率上转换，宽谱太赫兹波经过一维聚焦成长条状照射在样品4上并携带样品光谱和空间信息，即产生太赫兹波段高光谱信号，窄带激光与太赫兹波高光谱信号在非线性太赫兹变换器件的非线性作用下产生近红外光高光谱信号，通过近红外光谱分光成像器件7实现光谱的空间分离和成像，由近红外光成像器件8记录成数字信号，从而实现太赫兹波的高光谱成像。
实施例2：
一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1为宽光谱激光产生器件和波长转换器提供激光能量，应具有较高的峰值功率，能够满足通过非线性效应产生宽谱激光和窄带激光的要求，包括但不限于纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器和飞秒脉冲激光器。
实施例3：
一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，宽光谱激光产生器件2的光学非线性频率变化方式包括但不限于光学参量变换、差频、和频和拉曼变换。
实施例4：
一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，非线性频率变换器件3和非线性太赫兹变换器件6的非线性频率变换方式包括但不限于光学参量变换、差频和倍频。
实施例5：
一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，近红外光成像器件8包括但不限于硅基焦平面阵列(CCD、CMOS、sCMOS、EMCCD、PIN阵列、APD阵列)、InGaAs基焦平面阵列(FPA、PIN阵列、APD阵列、单光子探测器阵列等)和近红外至可见光波长变换器等，可通过一维线性移动样品4，实现对样品的高光谱成像。
实施例6：
一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1采用532nm波长纳秒脉冲的全固态激光光源，重复频率100Hz，脉冲宽度6ns，激光单脉冲能量为50mJ；宽光谱激光产生器件2采用BBO晶体非共线相位匹配OPO架构，通过光束变换将部分来自于激光光源1的激光以大发散角方式入射到BBO晶体中，产生的宽光谱激光范围为900-1000nm，单脉冲能量为20uJ，波长转换器件5为BBO晶体共线相位匹配OPO(共线和非共线相位匹配OPO是一种光学领域比较成熟的技术，根据需求设计结果来购买对应加工参数的BBO晶体即可，此处不再赘述)；自于激光光源1的部分激光直接入射到共线相位匹配OPO中产生单一波长近红外激光，单脉冲能量为5uJ，波长为900nm，宽光谱激光产生器件2产生的激光照射到非线性频率变换器件3上，作为太赫兹波产生的光源；非线性频率变换器件3的非线性晶体采用BNA有机晶体，在晶体中通过共线差频的方式进行宽谱太赫兹波的产生，并通过太赫兹光学系统扩束准直后，照射在样品4上；样品4为压成圆形的空间上分离的葡萄糖粉末和蔗糖粉末，并使用两片聚乙烯薄膜固定于样品夹上，样品安置于一维电控平移台(现有设备，可从商业途径获得)上，通过程序控制进行一维移动。移动的时机和步长由系统控制程序统一控制，可根据需要灵活选择，样品系统整体采用透射型设计，即对穿透样品的太赫兹波进行高光谱成像测量，透过的太赫兹信号携带了样品的太赫兹光谱信息和一维空间信息，经过太赫兹光学系统变换光束后，照射到非线性太赫兹变换器件6上，来自于波长转换器件5的激光同样照射于非线性太赫兹变换器件6上。非线性太赫兹变换器件6的非线性晶体采用BNA晶体，非线性频率变换方式采用共线差频的方式，通过非线性太赫兹变换器件6后，太赫兹波所携带的样品光谱信号及空间信号被转至近红外波段，并通过近红外光学系统传输至近红外光谱分光成像器件7处；近红外光谱分光成像器件7为闪耀光栅，与经过成像光学设计的透镜组合合成近红外分光成像器件，将上述产生的近红外高光谱信号实现光谱的空间分离，同时保证空间信息的保持；因信号较弱，近红外光成像器件8采用EMCCD作为成像器件，实现高光谱信号的采集。
实施例7：
一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1采用532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量50mJ；宽光谱激光产生器件2采用周期性极化LN晶体(可定制为宽光谱进行周期性参数优化设计的周期性极化LN晶体，购买即可，厂家会根据具体需求进行设计和生产，属于现有技术)，产生的单脉冲能量100uJ，光谱宽度范围1360-1420nm，波长转换器件5为采用共线相位匹配设计的KTP晶体，通过OPO光学参量振荡产生单一波长1357nm近红外激光，单脉冲能量为20uJ；非线性频率变换器件3的非线性晶体采用DAST晶体，在来自于宽光谱激光产生器件2中的宽谱激光作用下，产生宽谱的太赫兹波，光谱范围0.5-9.3THz，经太赫兹波段光路聚焦到样品4上，并形成一条1mm×2cm的光斑；样品4为使用葡萄糖粉末压制成0.5mm厚，边长2.5mm的正方形薄片，用PE薄膜夹持安置于一维电控平移台上，透过样品4的太赫兹信号携带了样品的太赫兹光谱信息和一维空间信息，与来自于波长转换器件5的单频近红外激光一起，照射到非线性太赫兹变换器件6上；非线性太赫兹变换器件6的非线性晶体采用DAST晶体，采用闪耀光栅作为近红外分光器件7将上述产生的近红外高光谱信号实现光谱的空间分离，通过光学成像光路保证空间信息的保持，并将近红外光成像到近红外光成像器件8上；近红外光成像器件8采用InGaAs近红外焦平面阵列作为成像器件，通过一维电控平移台移动样品4，可以实现高光谱信号的采集。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，包括激光光源、宽光谱激光产生器件、非线性频率变换器件、样品、波长转换器件、非线性太赫兹变换器件、近红外光谱分光成像器件和近红外光成像器件；
激光光源作为系统的能量供应，为宽谱近红外激光的产生和频率变换提供能量来源，宽光谱激光产生器件在激光光源的作用下产生宽谱近红外激光，非线性频率变换器件将宽谱近红外激光转换为宽谱太赫兹波，然后通过光束整形，形成长条状，照射在样品上，通过透射或反射的方式携带样品的太赫兹波光谱信息和一维空间信息，太赫兹波光谱信息在非线性太赫兹变换器件上，与产生自波长转换器件的单一波长的近红外光进行非线性频率变换，重新转换至近红外光信号，新产生的近红外光信号包含了样品的太赫兹波的光谱信息和一维空间信息，经过近红外光谱分光成像器件产生二维空间分布的近红外高光谱信号，并由近红外光成像器件进行数据采集和记录成数字信号，从而实现太赫兹波的高光谱成像。
2.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，激光光源包括但不限于纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器和飞秒脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，所述宽光谱激光产生器件的光学非线性频率变化方式包括但不限于光学参量变换、差频、和频和拉曼变换。
4.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，所述非线性频率变换器件和非线性太赫兹变换器件的非线性频率变换方式包括但不限于光学参量变换、差频和倍频。
5.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，所述近红外光谱分光成像器件获得在空间上分离的对应太赫兹光谱的近红外光谱，同时保留信号所携带的一维空间信息；
近红外光谱分光成像器件包括但不限于光栅、声光可调谐滤光分光器件、棱镜分光器件、由光束控制器件和近红外焦平面阵列所组成的分光成像系统，以及由非共线相位匹配加光束控制器件和近红外焦平面阵列形成的分光成像系统。
6.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，近红外光成像器件对携带太赫兹光谱和一维空间信息的近红外光进行高光谱成像，同时记录下光谱信息和一维空间信息；
近红外光成像器件包括但不限于硅基焦平面阵列、InGaAs基焦平面阵列和近红外至可见光波长变换器。
7.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，激光光源采用532nm波长纳秒脉冲的全固态激光光源，重复频率100Hz，脉冲宽度6ns，激光单脉冲能量为50mJ；宽光谱激光产生器件采用BBO晶体非共线相位匹配OPO架构，通过光束变换将部分来自于激光光源的激光以发散角方式入射到BBO晶体中，产生的宽光谱激光范围为900-1000nm，单脉冲能量为20uJ，波长转换器件为BBO晶体共线相位匹配OPO；非线性频率变换器件的非线性晶体采用BNA有机晶体，样品为压成圆形的空间上分离的葡萄糖粉末和蔗糖粉末，非线性太赫兹变换器件的非线性晶体采用BNA晶体，非线性频率变换方式采用共线差频的方式，近红外光谱分光成像器件为闪耀光栅，近红外光成像器件采用EMCCD。
8.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，激光光源采用532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量50mJ；宽光谱激光产生器件采用周期性极化LN晶体，产生的单脉冲能量100uJ，光谱宽度范围1360-1420nm，波长转换器件为采用共线相位匹配设计的KTP晶体，通过OPO光学参量振荡产生单一波长1357nm近红外激光，单脉冲能量为20uJ；非线性频率变换器件的非线性晶体采用DAST晶体，样品为使用葡萄糖粉末压制成0.5mm厚，边长2.5mm的正方形薄片，非线性太赫兹变换器件的非线性晶体采用DAST晶体，近红外光谱分光成像器为闪耀光栅，近红外光成像器件采用InGaAs近红外焦平面阵列。
9.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统，其特征在于，激光光源采用532nm/1064nm双波长固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，532nm激光单脉冲能量30mJ，1064nm激光和532nm激光同源，能量为50mJ；
宽光谱激光产生器件采用BBO晶体非共线相位匹配OPO架构，通过光束变换将来自于激光光源的532nm激光以0.1°的发散角方式入射到BBO晶体中，产生的光谱激光范围约为1069-1075nm，单脉冲能量为0.5mJ，非线性频率变换器件采用MgO:LiNbO3晶体耦合三棱柱高阻硅阵列，样品采用麦芽糖粉末压成的薄片，非线性太赫兹变换器件采用MgO:LiNbO3晶体耦合三棱柱高阻硅阵列，近红外光成像器件采用EMCCD。
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