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CN114421129A - 一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列 - Google Patents

一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，包括固定在衬底上的M个天线阵列单元，这M个天线阵列单元均匀的排列成一个圆形，且连续的第1至第M/2个天线阵列单元是水平排列，第（M+1）/2至第M个天线阵列单元的排列方式是垂直于第1天线阵列单元的排列方式；本发明还公开了另一种结构，包括固定在衬底上的第1至第N半圆形天线阵列，第1至第N半圆形天线阵列的圆心是相同的，第1至第N半圆形天线阵列的半径是递增的。本发明通过改变圆形轨迹光电导天线阵列上天线阵列单元的排列结构，结合非偏振成像系统，即可获取不同偏振态下被测物体的偏振信息和光强度信息，有利于提高成像系统对目标物体的检测和识别能力。

Description

一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列
技术领域
本发明涉及成像领域，特别是一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围的电磁波，对应波长为0.03-3mm，在电磁波谱中位于红外和微波之间。太赫兹波具有许多独特的优点，例如，与X射线相比，太赫兹光子能量很低，不会产生电离辐射对待测样品造成损坏；与红外光相比，太赫兹波能够穿透很多非极性材料；另外，大多数极性分子和生物大分子等有机分子的振动和转动能级位于太赫兹波段,利用宽带太赫兹光谱可以检测这些分子的指纹特征谱。基于上述特性，太赫兹在食品安全、生物医学、安全检查等许多领域具有重要的作用。
偏振成像是探测物体光波偏振态的成像技术，可以获取被测物体的偏振信息和光强度信息，提高了成像系统对目标物体的检测和识别能力，在抑制背景噪声、提高探测距离、细节特征获取以及目标伪装识别等方面具有很大优势。太赫兹偏振成像能提供更丰富的样品结构和光学信息，并且对亚波长微观结构变化十分敏感。其既发挥了太赫兹波无损成像的优势，又能有效提高目标的识别效率，可以应用于探测隐藏或伪装的目标、从引诱物中区分目标物体等。
目前的太赫兹偏振成像大多基于ZnTe晶体方式而非光电导天线方式，因为基于光电导天线的时域太赫兹系统中作为探测器的光电导天线一般只有一个电极单元，电极单元的方向固定且单一，无法获取有关待测物体偏振信息的数据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，通过改变光电导天线上偶极电极的排列结构，可以获取不同偏振态下被测物体的光学信息，通过这些偏振信息可以得到被测目标的相关信息。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，包括衬底，还包括固定在衬底上的M个天线阵列单元，M为大于5的整数且为偶数，这M个天线阵列单元均匀的排列成一个圆形，且连续的第1至第M/2个天线阵列单元是水平排列，第(M+1)/2至第M个天线阵列单元的排列方式是垂直于第1天线阵列单元的排列方式。
作为本发明所述的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列进一步优化方案，天线阵列单元是偶极结构。
作为本发明所述的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列进一步优化方案，天线阵列单元是H型电极。
一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，包括衬底，包括固定在衬底上的第1至第N半圆形天线阵列，每个半圆形天线阵列是由多个天线阵列单元均匀组成的，N为大于等于2的偶数，第1至第N半圆形天线阵列的圆心是相同的，第1至第N半圆形天线阵列的半径是递增的，第i半圆形天线阵列分布在同侧，第j半圆形天线阵列分布在同侧，第i半圆形天线阵列与第j半圆形天线阵列分布在不同侧，i为奇数、j为偶数，0<i<N、1<j<N，半圆形天线阵列中的天线阵列单元排列方式有两种方式：第一种方式：第i半圆形天线阵列中的天线阵列单元为水平排列，第j半圆形天线阵列中的天线阵列单元的排列方式垂直于第1天线阵列单元的排列方式；第二种方式：第j半圆形天线阵列中的天线阵列单元为水平排列，第i半圆形天线阵列中的天线阵列单元的排列方式是垂直于第2天线阵列单元的排列方式。
作为本发明所述的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列进一步优化方案，天线阵列单元是偶极结构。
作为本发明所述的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列进一步优化方案，天线阵列单元是H型电极。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)通过改变圆形轨迹光电导天线阵列上偶极电极的排列结构，结合非偏振成像系统，即可获取不同偏振态下被测物体的偏振信息和光强度信息，可以使成像系统提供更丰富的样品结构和光学信息，有利于提高成像系统对目标物体的检测和识别能力；
(2)因为圆形轨迹的光电导天线阵列具有对称性，所以只需对其中的半圆轨迹进行采样，减少了采样数量，有利于提高成像速度；
(3)利用本发明所提出的圆形轨迹光电导天线阵列作为太赫兹探测器，并通过解码宽带探测波光谱携带的样品空间信息来替代机械扫描，单次激发即可实现傅立叶空间全采样，提高了系统的成像速度；
(4)本发明所提供的技术可以实现快速太赫兹偏振成像，因此具有非常广泛的应用，例如：探测隐藏或伪装的目标；有效区分金属和绝缘体或是从引诱物中区分真实目标；对物体特征(如指纹等)进行识别。
附图说明
图1是两半圆半径相同的圆形轨迹光电导天线阵列示意图；
图2是两半圆半径不同的圆形轨迹光电导天线阵列示意图；
图3是多层半径不同的圆形轨迹电导天线阵列示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
将偏振成像部分，即特殊结构的圆形轨迹光电导天线阵列，与太赫兹时域光谱系统相结合，构成太赫兹偏振成像系统。飞秒激光器产生的脉冲经过分束镜后被分为两路，一路是泵浦光，另一路是探测光，这两个路径最终终止在探测阵列上。泵浦光经过光学延迟线后入射到太赫兹发射天线，最常见的天线是偶极结构，这种偶极结构由两个被小间隙隔开的长金属电极组成。泵浦光聚焦在电极之间的小间隙上，在光电导天线的光吸收区产生的光生载流子(电子空穴对)被偏置电场加速产生太赫兹脉冲，该脉冲通过一对抛物面镜后聚焦至待测样品。探测光由空间光调制器分束、调制并分别聚焦至未加偏置电压的圆形轨迹光电导天线阵列单元间隙，并选通该单元，从而激发产生自由载流子。此时，太赫兹脉冲通过待测样品后入射至圆形轨迹探测阵列，作为施加在天线电极上的偏置电场，驱动自由载流子运动，在探测阵列单元中形成光电流。圆形轨迹光电导天线阵列采集的瞬态电场信号通过低噪声电流放大器后，由多通道锁相放大器并行采集，可以加快数据采集的速度，最后再通过一种逆变换算法重建样品图像。
用于偏振成像的圆形轨迹光电导天线阵列上的电极(以H型电极为例)在不同的半圆上以不同的方向排列。图1为两半圆半径相同的圆形轨迹光电导天线阵列，在两个半圆上电极分别以竖直和水平两种方式排列。图2为两半圆半径不同的圆形轨迹光电导天线阵列，其中一个半圆轨迹上的电极以竖直方向排列，另一个半圆轨迹上的电极以水平方向排列。图3为多层半径不同的圆形轨迹光电导天线阵列，半圆轨迹的半径是从内向外递增的，竖直对称轴一侧的电极以竖直方向排列，另一侧的电极以水平方向排列。
通过解码携带样品空间信息的宽带太赫兹波，将二维的光栅扫描采样简化为沿圆形轨迹的宽带信号采样，由于圆形轨迹上的偶极电极以不同方向排列，可以获得不同偏振态下被测物体的偏振信息和光强度信息。因为圆形轨迹的光电导天线阵列具有对称性，所以只需对其中的半圆轨迹进行采样。以图2的光电导天线阵列为例，由于其关于水平对称轴上下对称，实践中只需要对上半部分进行采样，从而减少采样数量，提高成像速度。通过改变和控制圆形轨迹的半径，可以为不同的颜色生成所需的偏振分布，将颜色和强度信息同时编码到光束的波长相关偏振分布中，有望实现待测物体的彩色图像成像，再配合光强度信息，还可以获取图像的细节。
根据傅立叶光学理论，物体在其傅立叶域的光场分布U(ξ,η,ν)进行傅立叶逆变换后可以得到其在透镜前焦平面的光场分布S(x,y,v)，如式(1)所示。其中，v是入射光频率，F是透镜焦距，c是光速。
Figure BDA0003443397640000041
傅立叶域的空间频率kξ、kη与坐标位置(ξ,η)有如下关系：
Figure BDA0003443397640000042
利用宽带光源(v∈[vmin,vmax])照射待测样品并记录某一特定位置(ξ0,η0)的信号，然后通过改变k空间比率η0/ξ0，即可实现k空间采样，如式(3)所示：
Figure BDA0003443397640000043
改变k空间比率η0/ξ0最简单的方法是测量沿着某一圆形轨迹的特定数据点，在极坐标下，式(1)可改写为式(4)。其中，
Figure BDA0003443397640000044
为极坐标系下透镜前焦平面(即待测物体)的光场分布，
Figure BDA0003443397640000045
为极坐标系下透镜傅立叶面的光场分布。
Figure BDA0003443397640000046
式(4)中的积分含有探测脉冲的频率v和探测单元位置ρ，因此，在固定频率v0下，对傅立叶面
Figure BDA0003443397640000047
空间的积分可以由固定半径ρ0对频率的积分来代替。也就是说，可以通过解码宽带太赫兹波信号代替在固定频率下对傅立叶面进行二维光栅扫描，这样只需对k空间进行圆形轨迹采样，又因为圆形轨迹的光电导天线阵列具有对称性，所以只需对其中的半圆轨迹进行采样，最后通过一种逆变换算法重建样品图像。因此，式(4)中的傅立叶空间的二维积分可以替换为对一维圆形轨迹和光谱频率的积分，即：
Figure BDA0003443397640000048
将太赫兹偏振成像技术与非偏振成像系统相结合，可以实现快速太赫兹偏振成像，成像系统可以提供更丰富的样品结构和光学信息，此方法既能发挥太赫兹波无损成像的优势，又能有效提高目标的识别效率。本发明通过改变圆形轨迹光电导天线阵列上偶极电极的排列结构，可以获取不同偏振态下被测物体的偏振信息和光强度信息，有利于提高成像系统对目标物体的检测和识别能力；因为圆形轨迹的光电导天线阵列具有对称性，所以只需对其中的半圆轨迹进行采样，减少了采样数量，有利于提高成像速度；通过解码宽带探测波光谱携带的样品空间信息来替代机械扫描，单次激发即可实现傅立叶空间全采样，提高了系统的成像速度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，包括衬底，其特征在于，包括固定在衬底上的M个天线阵列单元，M为大于5的整数且为偶数，这M个天线阵列单元均匀的排列成一个圆形，且连续的第1至第M/2个天线阵列单元是水平排列，第（M+1）/2至第M个天线阵列单元的排列方式是垂直于第1天线阵列单元的排列方式。
2.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，其特征在于，天线阵列单元是偶极结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，其特征在于，天线阵列单元是H型电极。
4.一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，包括衬底，其特征在于，包括固定在衬底上的第1至第N半圆形天线阵列，每个半圆形天线阵列是由多个天线阵列单元均匀组成的，N为大于等于2的偶数，第1至第N半圆形天线阵列的圆心是相同的，第1至第N半圆形天线阵列的半径是递增的，第i半圆形天线阵列分布在同侧，第j半圆形天线阵列分布在同侧，第i半圆形天线阵列与第j半圆形天线阵列分布在不同侧，i为奇数、j为偶数，0<i<N、1<j<N，半圆形天线阵列中的天线阵列单元排列方式有两种方式：第一种方式：第i半圆形天线阵列中的天线阵列单元为水平排列，第j半圆形天线阵列中的天线阵列单元的排列方式垂直于第1天线阵列单元的排列方式；第二种方式：第j半圆形天线阵列中的天线阵列单元为水平排列，第i半圆形天线阵列中的天线阵列单元的排列方式是垂直于第2天线阵列单元的排列方式。
5.根据权利要求4所述的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，其特征在于，天线阵列单元是偶极结构。
6.根据权利要求4所述的一种用于太赫兹偏振成像系统的圆形轨迹光电导天线阵列，其特征在于，天线阵列单元是H型电极。
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