太赫兹技术在成像探测中的应用研究进展

1）太赫兹成像

太赫兹成像中一个很重要的研究内容就是探究太赫兹图像的获取及发展，从而进行成像探测。将太赫兹源与相干层析结合起来，可制作太赫兹焦平面成像系统。扫描以后就可以把每一个点的时域信号进行傅里叶变化，进而获取不同的太赫兹频率，每个频率得到的图像不一样，就可以根据成像进行相应的识别。但还需要有三维的扫描，即物体的二维空间扫描和时间维度的扫描。如果使用一个CCD作为探测器，就可以省略平面上的二维扫描，只有时间上的一维扫描，才可极大节省探测时间。

在成像之后，可以使用差分探测。差分探测是一种直接的、性价比高的探测方式。电光探测中晶体加上太赫兹信号后，太赫兹信号会影响晶体的有效折射率，进而使两个光束在不同的偏振方向上强度变化不一样，信号差就会增大。将差分探测技术运用到焦平面成像系统中，同时探测S偏振光和P偏振光，将两个信号相减获得太赫兹信号。激光器有波动的话，这两个信号会同时波动，差分探测使这个噪声在相减的过程中被消除从而提高信噪比（信噪比可以提高至少4倍），最终可以得到质量比较高的太赫兹信号。对石英晶体来讲，太赫兹有一个双折射效应，利用偏振光成像，由于偏振比强度更敏感，所以可以极大地提高图像的分辨率。

这个成像系统还有一个应用是STP波的探测。在光学波段，一般是用近场扫描显微镜去探测。近场扫描显微镜得到的只是强度分布，得不到相位信息。在太赫兹波段，探测会相对容易一点。若太赫兹可以测量Ez方向的分量，就直接进行相位的测量，这时，把探测晶体由原来的〈110〉晶向晶体换成〈100〉晶向晶体就可以直接测量表面波的Ez分量，从而对STP波进行相位和振幅表征。

焦平面成像系统可以进行频率、相位、振幅及传播方向的测量。

2）太赫兹超结构元件

超构表面是由人工设计的具有亚波长尺度的天线阵列，可实现对电磁波精细的操控。基于微结构的谐振效应，超构表面在谐振频率附近存在强烈的散射效应，可以实现对电磁波振幅、相位及偏振的调控，不仅可以用来产生特殊形状的光束，也可以用来作为微型成像元件。(www.xing528.com)

由于光栅本身的衍射效应，高阶衍射的存在导致光利用率下降。因为太赫兹波段的波长较长，再加上实验室中太赫兹光束的直径大概在厘米量级，使得像素数比较小，所以得到的图像分辨率较低。

而超构表面的一个好处是可以合理设计亚波长天线的形状来进行多功能的调控，比如偏振选择成像等。利用偏振分开的两束光（左旋光和右旋光）的焦点是不一样的，焦点分开的距离与器件的设计相关。以正弦光为例设计器件，左、右旋光对同一个物体的照明成像在不同的位置。利用这个技术可以进行偏振选择成像，也可以识别照到物体上的光的偏振态。利用这种现象可以进行精确的方向定位，可测量太阳光照射到物体上偏振态的改变以获取方向进行导航。

此外，该结构可以用于波长选择的全息，使用红、绿、蓝三种光照明形成三种模式，三种模式成像在不同的位置。这三种模式在空间上可以重叠，也可以不重叠。因此三基色照明以后，可以利用简单的超构表面存储一个彩色的图案，这是要在可见光波段做的。我们将这项技术应用到太赫兹，做了一个单频光的测试。首先将0.5 THz的光打进去形成一个图案，再将0.65 THz的光打进去形成另一个图案。该器件对不同的波长相位响应是不一样的，利用色散效应作为波长选择的原理，得到的实验结果与理论、仿真结果吻合度较高。

超构表面还可以进行相位和振幅的调控，从而产生一些自控光束。这里介绍一种二维光束的产生。首先仿真得到我们需要的振幅和相位分布，根据我们的需求设计相应的超构表面来进行相位和振幅的调控，最后测试经过片子之后得到的光强和相位分布是否与理论结果相符。本实验中，我们得到了较为一致的结果。

该结构也可进行振幅和偏振的联合调控。利用十字形的天线，通过调节x方向和y方向来调控其偏振变化，可实现将圆偏光变为线偏光。也可通过调节结构的共振点来实现对光振幅的调控，进而调节焦点的距离，利用这个技术，可产生一些不同偏振和不同振幅的太赫兹光。

对金属超构表面来说，最大的问题就是效率不高，因为有一个偏振转换的过程，经计算，其振幅效率不会超过50％。目前有两个提高效率的途径，一是利用介质替换金属做偏振调控，但是在太赫兹波段做电子束调控有一定的难度，硅的高度要做到300～400 μm，而这个制作耗费时间太长；二是可以做一个双层的结构，下层是波导，上层是超构表面的结构，上下表面形成一个载波腔产生共振，使得整个结构的效率提高。使用第二种结构进行模拟之后，振幅的效率达到了90％，光强的利用率达到了80％以上，这就与光学可见波段下的性能相当了。我们利用此结构设计了一个透镜，该透镜可以很好地聚焦，也可以对一些物体进行成像。随后，我们利用此结构做了一种特殊的层析图，在一个平面上产生字符“A”，在另一个平面上产生字符“C”，实验上也获得了相应的结果，实现了特殊层析图的分析。