太赫兹波成像系统及其生物医学应用

随着太赫兹波谱检测技术的飞速发展,各种原理和结构的太赫兹波成像技术被不断提出和研究。太赫兹波成像技术的分类有多种,本节分别按成像系统中太赫兹源的不同和成像模式不同分析了太赫兹波成像技术的发展现状。

1.连续太赫兹波成像和脉冲太赫兹波成像

根据成像系统采用太赫兹源的不同,太赫兹波成像系统可以分为连续太赫兹波成像系统和脉冲太赫兹波成像系统。

连续太赫兹波成像技术的研究早期主要是对远红外光的成像研究,其中覆盖了太赫兹波段。最早的连续太赫兹波成像系统中辐射源采用具有高输出功率的远红外气体激光器,探测器采用辐射热计[36]。其基本的成像原理是：在对检测目标进行太赫兹波成像时,检测目标内部的结构对入射的太赫兹波具有吸收、反射和散射等效应,从而会影响太赫兹波传输过程中电磁场的强度,探测到的太赫兹波强度会发生变化,不同位置探测到的强度构成的数据阵列即构成了检测目标的太赫兹图像,其实质是一种强度成像。通常,研究人员会将图像的数据阵列以一定的颜色模型显示,早期用灰度显示模型较多,当前常用的有各种伪彩色模型和三维显示模型。

典型的透射式连续太赫兹波成像系统结构如图7-3(a)所示,该系统光谱范围覆盖50~1 000μm,属于太赫兹波段。当时的研究人员称其为远红外成像,并未提出太赫兹波成像的概念。系统中,成像辐射源采用气体远红外激光器,探测采用辐射热计,并利用二维移动平台实现了扫描成像。

脉冲太赫兹波成像系统的基本原理是：在太赫兹时域光谱系统中,太赫兹脉冲经过检测目标后,探测脉冲的时域光谱并进行傅里叶变换,从而可以实现检测目标在太赫兹波段频域光谱的测量,进一步可以分析太赫兹波与检测目标作用后的强度和相位信息。在太赫兹时域光谱系统中设置一个移动平台,利用移动平台对检测目标进行扫描控制,同时对透射或反射的太赫兹时域波形进行同步数据采集,每个位置采集获得的时域波形即为脉冲太赫兹波成像的像素信息,后期对其进行频谱分析可以获得强度和相位信息,并重构对应强度或者相位图像。

典型的透射式脉冲太赫兹波成像系统的结构示意图如图7-3(b)所示。系统中,激光脉冲被一个分束镜分成两路,其中一路作为参考波束,另一路用于样品探测。将探测路的激光脉冲通过一个透镜聚焦到光电导天线上,从而实现太赫兹波的激发。被激发的太赫兹波透过样品,使其携带样品的信息。将透过样品的太赫兹波和参考波束同时经过实现电光探测的晶体(Zn Te),从而可以实现太赫兹波强度的测量。最后,利用改变延迟实现整个太赫兹时域光谱的扫描探测。

图7-3　太赫兹波成像系统

2.太赫兹波成像模式的研究现状

随着太赫兹源与探测技术的发展,多种不同模式的太赫兹波成像系统逐渐被提出和研究。其主要包括快速太赫兹波成像技术、三维太赫兹波成像技术、基于衰减全反射的太赫兹波成像技术、太赫兹波近场显微成像技术和太赫兹内窥镜。在各种成像模式中,太赫兹波透射式成像检测技术最早被实现和研究,与其他太赫兹波成像模式相比,其作用机理相对简单,外部实验条件容易控制,是当前应用最广泛的成像模式之一。根据成像模式不同,太赫兹波成像技术的首次报道和发展趋势如图7-4所示。

图7-4　不同模式的太赫兹波成像系统首次报道和发展趋势(www.xing528.com)

快速太赫兹波成像技术方面,其发展趋势为由点扫描向线阵扫描和面阵扫描发展,后又衍生了基于面阵扫描的快速重构技术。线阵和面阵太赫兹波成像技术的发展依赖于太赫兹波线阵探测器和太赫兹相机的研制[38]。在各种快速太赫兹波成像技术中,最近几年重要研究热点之一是基于压缩感知的太赫兹波成像技术,也称为单像素太赫兹波成像技术。压缩感知成像的提出和发展是基于信号的稀疏表示理论[39],最大优势是突破了采样定理的限制,实现了高速太赫兹波成像与重构。2008年,Chan等先后分别在Optics Letters[40]和Applied Physics Letters[41]上报道了两项基于压缩感知的太赫兹波成像的工作,采用透射式的太赫兹波压缩感知成像,其结构如图7-5(a)所示。自此,太赫兹波成像速度得到极大的提高。2014年,Nature Photonics分别以News[42]和Letter[43]形式报道了太赫兹单像素相机和利用超材料实现太赫兹压缩感知成像的两项工作,其结构如图7-5(b)所示。但由于一般太赫兹源输出非平面波,受限于光束质量,当前该技术重构后图像的质量仍然有待提高,因此,太赫兹压缩感知成像结果的恢复算法和图像矫正技术也是当前该领域的重要研究内容。

图7-5　太赫兹压缩感知成像

三维太赫兹波成像方面,发展趋势为扩展太赫兹波成像的维度,其主要技术包括太赫兹波层析成像和全息成像。目前,较为成熟的太赫兹透射式层析成像技术是计算机体层成像(Computed Tomography,CT),其可以看作X射线层析在电磁波段上的扩展。2002年,B.Ferguson等[44]首次实现了太赫兹波的计算机辅助层析成像(THz-CT),研究人员使用太赫兹时域光谱系统对聚乙烯材料实现了太赫兹波段的层析成像,其实验系统结构如图7-6(a)所示。当飞秒激光脉冲入射到光电导天线时产生脉冲太赫兹波,探测器端使用CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)相机来恢复太赫兹波的信号。当前,太赫兹三维成像技术飞速发展,各种太赫兹层析系统被研究和报道。太赫兹层析成像根据系统结构和实现方法的不同主要采用的技术有太赫兹飞行时间层析[45]、太赫兹光学相干层析[46]、太赫兹调频连续波雷达成像[47]等。最近几年,研究人员还报道了太赫兹全息成像技术[48],其实验系统结构如图7-6(b)所示。

图7-6　太赫兹成像实验系统

基于衰减全反射的太赫兹波(THz-ATR)成像技术是基于太赫兹波与物质相互作用时的衰减全反射原理提出,其目的是提高成像的灵敏度。2004年,Hirori等[49]首次报道了基于ATR的太赫兹时域光谱系统。2010年,Gerasimov等[50]首次报道了基于ATR的太赫兹波成像系统。2013年,Wojdyla等[51]报道了基于硅棱镜的衰减全反射太赫兹波成像系统,其基本结构如图7-7所示,利用高阻硅棱镜实现太赫兹波在待检测物质表面发生衰减全反射。这种成像方式非常适合液体样本的测量,如液相环境的活细胞或者细菌等。

图7-7　基于衰减全反射的太赫兹波成像系统结构示意图[51]

在太赫兹波近场显微技术方面,由于太赫兹波长较长,受衍射极限限制,采用传统的成像方法无法获得较高的空间分辨率,为了优化探测尺度,实现超衍射极限的太赫兹波成像,研究人员于2000年首次报道了太赫兹波近场显微技术[20],并于2009年发展了其波导模式探测技术[53]。在当前文献报道的工作中,基于原子力显微镜的太赫兹波成像系统实现了当前报道最高分辨率成像,达到了,其在1 THz处分辨率达到90 nm[54]。

太赫兹内窥镜研究方面,基于体内探测的应用需求,Lu等55于2008年首次报道了基于亚波长塑料光纤的太赫兹内窥镜系统,并且2009年,Y.B.Ji等[56]成功将太赫兹内窥镜系统应用于人嘴和舌头组织的成像,其成像系统典型结构如图7-8所示,探测端采用亚波长塑料光纤进行反射式探测。[]