CN103411891A

CN103411891A - 太赫兹超分辨率成像方法和系统

Info

Publication number: CN103411891A
Application number: CN2013103217044A
Authority: CN
Inventors: 刘伟伟; 郭兰军; 赵佳宇
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2013-11-27
Also published as: WO2015014129A1

Abstract

本发明涉及一种太赫兹超分辨率成像方法和系统。所述系统是飞秒激光成丝辐射前向的THz光波，在成丝处经截断光丝，投过的THz光波与物品相互作用，收集并采集携带物品信息的THz光波，经数据处理后恢复出物品图像。实验表明成丝产生的THz光斑比传统用透镜聚焦THz所得的光斑要小一个数量级，在光丝处焦点足够小，突破了衍射极限，可实现超分辨率成像。太赫兹超分辨率二维成像在金属器件瑕疵检测，生物医学成像、无损检测等方面获得超高分辨率的图像具有重大意义。

Description

太赫兹超分辨率成像方法和系统

技术领域

本发明属于超分辨率太赫兹成像（Terahertz Imaging）系统，涉及通过使用飞秒激光成丝产生太赫兹对亚波长物件成像的方法，对THz超分辨率成像具有重大意义。

背景技术

THz波通常是指频率介于0.1-10THz范围内的电磁波，波长为30μm-3mm其波段在微波和红外之间，属于远红外波和亚毫米波范畴。THz具有很多突出优点：一、THz与X射线相比频率低，THz光子所携带的能量仅为X射线所携带能量的百万分之一，可对人体和物品进行无损成像；二、THz对绝大多数的非极性材料（Teflon、单晶硅、陶瓷片、布料、纸）具有高透性，对金属具有强反射性；三、THz可以穿透超声波所不能穿透的泡沫材料，与超声波相比具有更高的分辨率。这些特点使THz在公共安全领域，武器检测、毒品等危害物品方面与传统检测方法相比，不会产生电离辐射，可以高灵敏度、远距离检测。

激光成丝是飞秒激光电离空气产生等离子体通道的现象。激光成丝动力学机制是光克尔效应引起的自聚焦与等离子体引起的散焦或高阶克尔效应间的动态平衡。达到阈值功率的飞秒激光在传播过程中因自聚焦效应，将空气电离，电离过程中产生等离子体的折射率为负值，使得光束产生自散焦，二者互相作用产生等离子体通道。飞秒激光形成的等离子体通道会辐射出前向的THz光波。

每一个成像点对应一个时域波形,灰度可以从时域信号或它的傅立叶变换谱中选择任意一个数据点的振幅或位相中获得,这为THz提供了一种辨别物品结构的方法。现在的THz成像主要分为实时成像和扫描成像。对于实时成像具有如下限制：首先是目前所产生的脉冲THz波的平均功率在纳瓦到微瓦数量级,实时二维成像的信噪比很低，成像要获得高的信噪比,需要有更高的辐射源,通常用光导天线辐射的THz电磁波能量尽管较强,但也仅有几个微瓦；其次，实时成像需要制作像素足够高的探测器，但是这种探测阵列不但对THz敏感度低，而且造价昂贵。所以现在大多数的THz成像采用扫描成像方法来获得二维图像。然而单点扫描成像的分辨率由THz射线聚焦光斑大小决定,传统的THz聚焦光斑为毫米量级，由于分辨率低，在很大程度上影响THz的成像质量，限制了THz在成像方面的应用。

发明内容

本发明的目的是解决单点扫描成像分辨率低的问题，提出一种结构简单、携带方便，并且能够稳定产生超分辨率的THz的成像方法和系统。

本发明首先提供了一种太赫兹超分辨率二维成像方法，该方法采用飞秒激光成丝产生THz（可参阅文献Zhang Y, Chen Y, Xu S, et al. Portraying polarization state of terahertz pulse generated by a two-color laser field in air[J]. Optics letters, 2009, 34(18): 2841-2843.），步骤包括：

第1步、用飞秒激光生成光丝产生前向THz光波，在聚焦透镜后放置一块BBO晶体，BBO晶体距聚焦透镜50mm，准直后的飞秒激光经聚焦透镜聚焦，生成光丝并辐射出前向THz光波；

第2步、用陶瓷板截丝；成像物品置于陶瓷板之后，透过陶瓷板的的THz与成像物品相互作用，根据成像物品材料的不同，不同的成像方式，对于透THz的材料选择透射式成像，对于不透THz的材料选择反射式成像；

第3步、收集携带成像物品信息的THz光波并采集波形数据；

第4步、二维成像平移台以相同的步长移动，按照“Z”字形或者“弓”字形移动并扫描成像物品；

第5步、根据采集波形数据恢复出成像物品的超分辨率图像，恢复的图像包括：

根据THz时域波形计算各扫描点的峰峰值，根据峰峰值分布构建出成像物品的振幅图像；

根据THz时域波形经傅里叶变换之后获得频谱，选定频谱中某一区分度最好的频率成像，根据其频率所在的幅值构建出物品的相位图像。

本发明产生与探测THz的具体步骤如下：

1）、由800nm激光器产生的飞秒激光通过准直光阑后，经高反镜分成两路光，一路较强的光为泵浦光，另一路较弱的光为探测光；

2）、探测光依次经过延迟线装置，反射镜，在偏振薄膜合束镜处与泵浦光产生的THz光波合束，合束光波共同进入锑化锌晶体，THz光波在锑化锌晶体处汇聚；

3）、通过THz电场强度的变化改变锑化锌晶体的折射率，折射率的变化引起探测光由线性偏振变为椭圆偏振，然后探测光经过四分之一波片，再经沃拉斯顿棱镜分为偏振方向互相垂直的线偏光，线偏光入射进与锁相放大器相连的光电探测器；

4）、泵浦光依次经过反射镜，斩波器，300mm 焦距的聚焦透镜，BBO晶体，Teflon板，第一离轴抛物面反射镜1，第二离轴抛物面反射镜2，THz光波经第二离轴抛物面反射镜2汇聚于锑化锌晶体。

泵浦光一路的光路特性说明如下：

A：由于飞秒激光经过300mm焦距的聚焦透镜之后将在大约300mm处产生光丝，离轴抛物面反射镜的焦距为100mm，所以聚焦透镜与第一离轴抛物面反射镜1的距离要大于400mm 。

B: 光丝长度与入射的飞秒光光功率和啁啾有关，光功率与啁啾的改变也将引起THz辐射量的变化。

C: 飞秒光入射进BBO晶体之后将会产生倍频光，产生倍频光的效率与飞秒光的偏振态和BBO晶体光轴夹角有关，THz辐射量与倍频光和基频光的的成分有关。

D： THz成像区域在成丝处。光丝前端处的THz光斑半径比较小， THz发散角可以忽略，THz分辨率在几十微米。将陶瓷板置于光丝前端，陶瓷板后面紧贴将要成像的物品，通过二维图像采集平台对要成像的物与陶瓷板一起移动进行二维单点扫描。

本发明同时提供了一种太赫兹超分辨率二维成像系统，该系统包括：

第1部分、超分辨率THz辐射发射装置，产生和辐射超分辨率的THz波；

第2部分、二维成像装置，成像物品固定在二维成像装置上，二维成像装置在垂直于光路的平面内移动；

第3部分、THz信号收集装置，收集携带成像物品信息的THz光波；

第4部分、THz信号接收器，接收携带成像物品信息的THz光波；

第5部分、数据处理系统，用于处理携带成像物品信息的THz光波，恢复出成像物品的超分辨率图像。

该系统各装置主要组成器件说明如下：

A. 超分辨率THz辐射发射装置，主要包括聚焦透镜和BBO晶体。采用飞秒激光成丝的方法辐射THz，此系统结构简单，成本低，辐射的THz光波光斑半径为亚波长量级。

B. 二维成像装置，主要包括二维平移台、陶瓷板。成像扫描方式分为主动式和被动式：主动式扫描为二维平移台按照“Z”字形或者“弓”字形轨迹扫描成像物品；被动式扫描是二维平移台固定不动，超分辨率THz辐射发射器辐射出来的THz光波按照“Z”字形或者“弓”字形扫描成像物品。

C. THz光波收集装置，主要包括第一、第二离轴抛物面反射镜。采用离轴抛物面反射镜，也可采用硅透镜或者Teflon透镜，收集包含成像物品信息的THz光波。

D. THz信号接收装置，主要有薄膜偏振合束器、锑化锌晶体、1/4波片、沃拉斯顿棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、锁相放大器。用于记录携带成像物品的THz光波的时域信息，时域信息包括完整的THz波形，以便于数据处理。

E. 数据处理系统，主要为计算机，用于将采集到的THz时域信息按照振幅、相位或者区分度较好的频率恢复出成像物品的超分辨率图像

本发明的优点和有益效果是：

1. 本发明采用双色场激光在空气中产生THz，可实现脉冲THz光波稳定输出，输出的THz光波功率较高，信噪比好。

2. 与传统的THz聚焦透镜所得的聚焦光斑分辨率相比，激光成丝产生的THz光波半径较小，成像分辨率高，对THz光波入射功率要求较小。

3. 本发明产生的THz光斑具有一定的发散角，不同光丝处的THz分辨率不同，适用于不同分辨率要求的二维成像。

4. 本发明采用离轴抛物面反射镜对THz光波准直与聚焦，极大降低了THz光波在传输过程中的损失。

5. THz光波在光丝内部传播，发散角小，分辨率在10μm -100μm。经陶瓷板之后的THz分辨率在百微米量级，极大的提高了THz成像的质量，可进行超分辨率成像，在生命科学、国防、安检、反恐等方面应用潜力巨大。

附图说明

图1为太赫兹超分辨率成像系统原理示意图；

图2为图1中箭头处装置局部放大示意图。

1、高反镜，2-7、第一至第六反射镜，8、斩波器，9、300mm焦距的聚焦透镜，10、BBO晶体，11、Teflon挡板，12、第一离轴抛物面反射镜，13、第二离轴抛物面反射镜,14、薄膜偏振合束器，15、锑化锌晶体，16、1/4波片，17、沃拉斯顿棱镜，18、第一光电探测器，19、第二光电探测器，20、锁相放大器，21、延时装置，22、0.8mm陶瓷板，23、成像物品，24、二维成像装置。

具体实施方式

实施例1、太赫兹超分辨率二维成像系统

如图1所示，太赫兹超分辨率二维成像系统。系统中聚焦透镜和BBO晶体组成THz脉冲发射装置；二维平移台和陶瓷板组成二维成像装置（见图2）；第一、第二离轴抛物面反射镜组成THz信号收集装置；薄膜偏振合束器、锑化锌晶体、1/4波片、沃拉斯顿棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、锁相放大器组成THz信号探测器；数据处理部分为计算机。

800nm的飞秒激光经准直光阑（图中略）后被高反镜1分为两束，较强的一路为泵浦光，较弱的一路为探测光。

探测光经延迟线装置21后，再经过第三、第四反射镜在薄膜偏振合束镜14处于THz光波合束。

泵浦光经平凸透镜9聚焦，在焦点与透镜中间，靠近透镜50mm位置处放置BBO晶体10，经过BBO晶体10的800nm飞秒激光产生400nm的飞秒激光，此时在BBO晶体10之后将会有两种不同波长的飞秒光，称为双色场（单色场只需将BBO晶体10拆除即可）。在正透镜9焦点处形成等离子体通道，同时也伴随着THz的产生,THz通过Teflon板11之后，由第一离轴抛物面反射镜12准直并经第二离轴抛物面反射镜13通过薄膜偏振合束镜14汇聚于一点，在此点位置处设置锑化锌晶体15。探测光在薄膜偏振合束镜14处与THz光波合束，探测光与THz光波共同入射进锑化锌晶体15。由于THz为宽频带的电磁波，变化的电场改变锑化锌晶体15的折射率，随着折射率的变化，探测光的偏振态将会改变。之后的探测光经过1/4波片16，经沃拉斯顿棱镜17，被分为两束偏振方向互相垂直的线偏光，这两束光同时入射进光电探测器18、19，在锁相放大器20中探测到THz时域波形。

在对成像物品成像之前，确定最佳采样位置是明智的选择。最佳采样位置主要考虑两个方面，一是成像位置的分辨率，二是成像位置的信噪比。

选取最佳采样位置说明如下：首先，将图2中成像物品23换成不透THz的薄片，此薄片须紧贴在0.8mm陶瓷板24的后面，且薄片的上边缘高度须低于光丝的高度0.5mm；其次，采集一个完整波形；再次，二维平移台向上移动0.01mm。重复以上步骤直至薄片的上边缘高于光丝0.5mm，将采集到的数据波形取峰峰值，得到一条前端平滑，中间陡降末端平滑的“Z”字形曲线。沿着光丝方向改变二维平移台的位置，获得多条“Z”字形曲线，选取最佳成像位置。

在最佳位置处，将薄片换成成像物品，成像物品固定在0.8mm陶瓷片之后。为提高分辨率，成像物品与陶瓷片的距离越小越好。采样时用二维成像平移台同时移动陶瓷板与成像物品，每次移动的间隔相同。可按照“Z”字形采样，也可按照“弓”字形采样，最终采集的数据为一个点阵，在采集每个点数据时，延迟线装置21都要走一段至少包括THz时域波形峰峰值的行程，亦可采集延迟线装置21的全程数据。处理数据，获得成像物品图像。处理数据时可以采用取峰峰值的方法成像，也可采用取相位的方法成像，也可将数据先经过傅里叶变换，选取区分度最好的频率处进行成像。

本发明现在所遇到的的瓶颈是成像速度低，但是当2DTHz探测矩阵实现后，THz成像扫描速度低的问题将会迎刃而解。

Claims

1.一种太赫兹超分辨率成像方法，步骤包括：

第1步、用飞秒激光生成光丝产生前向THz光波；

第2步、使用耐光丝烧蚀且透THz的材料将光丝截断，成像物品置于此材料之后，透过的THz与成像物品相互作用；

第3步、收集携带物品信息的THz光波并采集波形数据；

第5步、根据采集波形数据恢复出成像物品的超分辨率图像。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于第1步所述的用飞秒激光生成光丝产生前向THz光波的步骤包括：

准直飞秒激光；

在聚焦透镜后放置一块BBO晶体，BBO晶体距聚焦透镜50mm；

准直后的飞秒激光经聚焦透镜聚焦于一点，生成光丝产生前向THz光波。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，THz与成像物品相互作用的方式包括：

对于透THz的材料选择透射式成像；

对于不透THz的材料选择反射式成像。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的耐光丝烧蚀且透THz的材料是陶瓷板。

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第4步所述的根据采集波形数据恢复出成像物品的超分辨率图像的步骤包括：

根据采集到的THz时域波形数据计算出垂直于入射平面内各扫描点的峰峰值；

根据峰峰值分布构建出物品的振幅图像。

6. 根据权利要求1所述的方法，其中，根据采集波形数据恢复出成像物品的超分辨率图像的方法还包括：

7. 一种太赫兹超分辨率二维成像系统,包括：

超分辨率THz辐射发射装置，用于发射THz脉冲，与物品相互作用；

二维成像装置，以规定方式移动物品，使物品与THz光波相互作用，针对不同位置，THz光波所携带的信息不同；

THz信号收集装置，收集携带成像物品信息的THz光波；

THz信号探测器，接收携带物品信息的THz信号；

数据处理系统，根据THz信号接收装置获得的信号，恢复出可视化的物品图像。

8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的二维成像装置能够沿着光丝移动，以便充分利用不同光丝处的分辨率和信噪比。

9. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的二维成像装置有主动式扫描，是在垂直于光丝的平面内移动成像物品成像。

10. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的二维成像装置有被动式扫描，是将二维成像装置固定不动，通过控制THz扫描成像物品的不同位置成像。