作者:Mona Jarrahi 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2023/12/4 17:28:36
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太赫兹高速成像:机遇与挑战

 

太赫兹波是波长范围在红外光与毫米波之间的电磁波,因其特殊的性质,太赫兹技术在许多应用方面有着非常大的潜力,例如无损探测、安全检查、医疗成像、艺术品保护、材料鉴定和天体研究。然而由于缺少高速成像设备、需要非常长的成像时间,极大阻碍了太赫兹成像的相关实际应用。

近期,来自美国加州大学洛杉矶分校的研究团队以“High-throughput terahertz imaging: progress and challenges”为题在Light: Science & Applications发表综述文章,对高速太赫兹成像技术进行了全面的总结与展望。

在该综述中,作者详细介绍了各种太赫兹成像探测器阵列,分别应用于太赫兹频域成像和太赫兹时域成像。然后作者讨论了三种主要太赫兹计算成像技术:太赫兹数字全息成像,太赫兹单像素成像,以及基于衍射深度神经网络的太赫兹成像。最后作者对太赫兹成像的未来前景进行了展望。

太赫兹成像系统的硬件发展

太赫兹成像的探测器阵列一共有两种,一种是频域探测器阵列,另一种是时域探测器阵列。频域探测器阵列能响应太赫兹的光强信号并产生图像,主流的探测器有四种,分别是微测热辐射计探测器阵列,场效应晶体管探测器阵列,光子探测器阵列,以及超导探测器阵列。微测热辐射计探测器阵列是目前应用最广的太赫兹室温成像阵列之一,已有不少商业化产品,并且有极高的像素和优良的灵敏度。场效应晶体管探测器阵列是微测热辐射计探测器阵列的主要竞争者,虽然灵敏度稍逊微测热辐射计探测器阵列,但由于其芯片制程与现有的芯片代工技术兼容,它具有规模化以及成本优势。光子探测器阵列有着非常高的灵敏度,但由于其对热噪声非常敏感,只能在极低温的环境下工作,此外,材料的限制使得光子探测器阵列只能响应高于1.5 THz的信号,并且很难实现高像素的探测器阵列。超导探测器阵列相比于光子探测器阵列有着更高的灵敏度,它能响应更宽频谱的太赫兹信号,并且能够实现相对高像素的芯片。

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图1. 太赫兹频域探测器阵列性能对比。

太赫兹时域探测器阵列通过探测成像物对太赫兹脉冲的时域响应,能够产生光强、相位、时域以及频谱信息。其中一种主要的成像技术通过非线性晶体的电光取样将太赫兹信息转化到近红外光,并用商用的红外相机进行成像,该技术不仅适用于远场成像,也可用于近场成像,但系统的信噪比相比于光电导成像技术较低,且所需的高脉冲能量飞秒激光器限制了许多实际应用。另一种成像技术通过太赫兹光电导天线阵列来实现时域成像,该系统具有高信噪比的优势,近期的一项工作首次实现了视频速率的太赫兹时域光谱成像。

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图2. 太赫兹时域探测器成像示意图。(a)太赫兹光电导天线阵列成像。(b)太赫兹电光取样成像。

作者对各太赫兹时域和频域探测器成像系统的功能和局限进行了详细的对比和分析,并且讨论了如何对现有的成像系统进行局部的修改来实现新的功能,例如,如何利用频域探测器阵列实现太赫兹光谱成像。

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图3. 各太赫兹探测器成像阵列的优缺点分析。

太赫兹计算成像技术

在太赫兹硬件技术蓬勃发展的同时,太赫兹计算成像也在迅猛发展,它能放宽对高速太赫兹成像硬件的要求,同时能够为太赫兹成像实现更多的功能。该综述主要总结了三种主流的太赫兹计算成像技术:太赫兹数字全息成像,太赫兹单像素成像,以及基于衍射深度神经网络的太赫兹成像。太赫兹频域探测器阵列本来只能探测光强信号,不能探测相位信息,而通过数字全息技术可以实现太赫兹相位成像。太赫兹单像素成像,顾名思义,是利用单像素的太赫兹探测器来实现二维的成像,其原理是对太赫兹波进行空间上的编码,对同一个物体采集许多组数据,再利用算法进行太赫兹图像重构。太赫兹衍射成像技术将许多原本在数字图像处理的过程放在了太赫兹光路中处理,通过对太赫兹波进行衍射编码来实现不同的成像任务,近年来,衍射深度神经网络技术在太赫兹成像有着非常广泛的应用,例如图像分类,抗干扰成像,以及相位成像。

总结与展望

未来的太赫兹高速成像技术依然会在硬件与计算成像两条道路上共同发展。微测热辐射计探测器阵列和场效应晶体管探测器阵列仍将主导室温太赫兹光强成像,更大的面积,更高的像素,以及更低的噪声是今后发展的目标。场效应晶体管探测器阵列有可能将太赫兹源进行片上集成,从而实现外差阵列相干成像。对于需要非常高灵敏度的应用场景,例如太空天体物理学研究,超导探测器阵列会是今后的主力军,特别是动态电感探测器和量子电容探测器,由于其高集成度和高灵敏度,有可能应用在之后的起源空间望远镜(Origins Space Telescope)上。对于太赫兹时域成像,太赫兹光电导天线阵列和基于红外相机的太赫兹电光取样技术也会齐头并进,特别是太赫兹光电导天线阵列,它能与许多现有技术相结合,有望实现大面积、高像素、宽频谱及高信噪比的高速太赫兹成像。太赫兹计算成像有望与量子探测、压缩成像、深度学习等技术相结合,为太赫兹成像提供更多的功能及更广泛的应用。(来源:LightScienceApplications微信公众号)

该成果发表在《Light: Science & Applications》,题为“High-throughput terahertz imaging: progress and challenges”。

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41377‍-023-01278-0

 
 
 
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