单像素太赫兹成像综述
【加拿大INRS-EMT】

 

在过去的三十年中,太赫兹(Terahertz,THz)技术引起了科学界的广泛关注。太赫兹波是频率在0.1-10 THz范围内的电磁波,太赫兹辐射介于电子学和光子学的过渡区域,在探测材料特性方面具有特殊的优势,能够获取红外、可见光或微波探测技术以外的信息,是现有探测技术的有力补充。

太赫兹技术领域中,最引人注目的是其在成像方面的应用潜力。太赫兹波光子的高穿透性,能够“穿透”对于可见光来说不透明的多种化合物,而其低光子能量特性,可以安全地用于敏感材料和生物材料的探测。此外,与微波辐射相比,太赫兹波具有更短的波长,能够在衍射极限(λ= 300 µm,在1 THz)内达到更高的(100 µm)的分辨率。这些独特的特性为太赫兹技术应用开辟了道路,包括工业中的安全监控、质量和安全控制、生物医学以及文物保护。90年代末,科研人员便开始对THz成像系统开展了广泛的研究。
从那时起,图像采集时间长一直限制着太赫兹成像系统的进一步发展。造成这一困境的原因是缺乏价格实惠、灵敏度高的多像素THz探测器,致使实际应用中需要通过探测器自身或成像系统的机械移动来实现对物体的逐像素扫描,从而耗费大量时间,阻碍了THz成像技术的进一步普及。
近年来,为了克服这一限制,科研人员付出了巨大的努力,找到了一种最有希望实现快速图像采集的方法——“单像素”成像。这种成像方案将一系列的光图案照射在物体上,这些照明光图案中的像素部分打开,部分关闭。随后,利用单像素探测器(无空间分辨率)收集全部照明光。通过将每个模式与相应的探测器输出相关联,就可以间接地重建图像。
除了可避免用位移的方式进行逐像素光栅扫描外,这种成像技术还具有能够实现所谓的压缩传感(CS)理论这一极大优势。理论上,为了采集图像,照明图案的数量需要等于像素的数量。但CS表明,即使在不完整的测量集中,使用数量明显小于像素数目的照明图案的情况下,选择适当的照明图案,同样能够对图像进行重构。
总体而言,单像素成像方案可以实现快速的THz成像,明显减少图像采集时间,且没有笨重的机械移动部件。单像素成像技术目前已经在除THz之外的其他波段进行了广泛的研究,并且依然是研究热点。近年来,有许多研究团队致力于该课题的研究。

图1 太赫兹单像素成像实例,展示了结构状的塑料样品局部厚度

 

加拿大国立科学研究院(魁北克)材料、能源研究所(INRS-EMT)的Luca Razzari教授团队多年来一直致力于太赫兹技术的研究。除了研究太赫兹波与物质的相互作用以及新型太赫兹源的表征外,近年来,该团队也开始关注太赫兹成像技术。

该团队以“Single-pixel terahertz imaging: a review”为题撰写了综述文章,刊出在英文刊Opto-Electronic Advances 2020年第9期。
在这篇综述中,研究人员介绍了在太赫兹频段实现单像素成像技术的实验解决方案,以及一些典型的太赫兹应用,并且回顾了单像素成像在THz系统中的不同实现方式,为读者提供这一热点领域的最新技术概述。

研究团队简介

Luca Razzari教授的团队来自加拿大国立科学研究院(魁北克)材料、能源研究所(INRS-EMT),这是一所位于蒙特利尔都会区(加拿大魁北克省)为硕士和博士提供培训的研究院。他们致力于研究辐射-物质相互作用在不同时间和空间尺度上的基本原理,以期为光子应用创建新的技术。其中,包括对电磁波与纳米物体相互作用的纳米光子学在超高速(低至几飞秒)和超宽带(从紫外线到太赫兹)方面进行了探索,通过纳米光子工具将光局域在纳米尺度,极大地增强了局部电场,为光子器件的小型化以及利用最先进的电子电路实现线性和非线性光学功能的芯片集成带来了广阔的前景。

该研究团队还利用超快太赫兹脉冲(1 THz对应时间1 ps,波长300 μm)实现了光谱探测和成像应用。相关研究包括将电磁辐射与低能量激励源耦合,以及工业相关的传感和材料特性探测。通过太赫兹波为电子学与光子学领域间架起了桥梁。

相关论文

Zanotto L, Piccoli R, Dong J L, Morandotti R, Razzari L. Single-pixel terahertz imaging: a review. Opto-Electron Adv 3, 200012 (2020).

DOI: 10.29026/oea.2020.200012