基于一维光谱编码和线列探测器的太赫兹图像重构装置

摘要

本实用新型公开了一种基于一维光谱编码和线列探测器的太赫兹图像重构装置。其特征在于，所述太赫兹图像重构装置包括激光器、分光组件、太赫兹波生成组件、准直透镜、样品摆放平台、柱面透镜、太赫兹接收天线阵列、探测光路组件、反射式空间光调制器和信号采集单元。本实用新型通过将宽带太赫兹波各频率成分经过柱面透镜在空间展开，与样品空间位置形成一一对应关系，再通过太赫兹接收天线阵列(线列探测器)采集数据，无需机械扫描采样，单次激发即可实现傅立叶空间全采样，从而极大程度地提高了系统的成像速度，有效地避免了常规的傅立叶面二维光栅扫描系统复杂、采样时间长的弊端。

说明书

技术领域

本实用新型属于太赫兹成像技术领域，具体涉及一种基于一维光谱编码和线列探测器的太赫兹图像重构装置。

背景技术

太赫兹探测器是一种能够将太赫兹信号转换成电信号的装置，太赫兹探测技术在雷达探测、医学成像、安全检查、质量控制等方面有着广阔的应用，是太赫兹领域的关键技术。

现有太赫兹成像技术存在数据采集速度慢、信噪比低等问题，例如，基于单像素探测器的时域太赫兹成像系统信噪比较高，但缺点是需要机械扫描采集数据，耗时长，系统复杂；基于电光晶体和CCD阵列的时分电光取样技术无需机械扫描，成像时间短，空间分辨率较高。然而，由于无法采用锁相放大技术降噪，系统的信噪比受到了极大的限制；基于微测辐射热计和热释电探测的焦平面探测技术具有响应波段宽、成本低等优点，但是响应时间和探测性能方面相对较差，而且这种探测技术只能测量强度，无法检测相位；基于压缩传感的成像方法虽然可以大幅降低采样需求，但成像速度依然受限于机械扫描或切换掩膜版的速度。同时，图像的空间分辨率和一致性也得不到保证。因此，理想的太赫兹成像系统必须做到：数据采集速度快，无机械扫描；具有较高的信噪比和空间分辨率；支持幅度和相位成像；具有对物体进行光谱分析的能力。

实用新型内容

解决的技术问题：常规的傅立叶面二维光栅扫描系统存在复杂、采样时间长的弊端。

技术方案：

本实用新型提及一种基于一维光谱编码和线列探测器的太赫兹图像重构装置，所述太赫兹图像重构装置包括激光器、分光组件、太赫兹波生成组件、准直透镜、样品摆放平台、柱面透镜、太赫兹接收天线阵列、探测光路组件、反射式空间光调制器和信号采集单元；

所述激光器发出的激光脉冲经分光组件分成泵浦脉冲和探测脉冲；其中，探测脉冲经探测光路组件传输至反射式空间光调制器，由反射式空间光调制器分束、调制并分别聚焦至未加偏置电压的太赫兹接收天线阵列上，激发产生自由载流子；泵浦脉冲经太赫兹波生成组件处理后生成太赫兹波；

所述准直透镜、样品摆放平台、柱面透镜、太赫兹接收天线阵列依次平行放置，太赫兹波生成组件将生成的太赫兹波经准直透镜准直处理后传输至样品摆放平台上的样品表面以收集样品空间信息；携带有样品空间信息的太赫兹波继续传输至柱面透镜表面，经柱面透镜聚焦至太赫兹接收天线阵列，作为加在太赫兹接收天线阵列上的偏置电场驱动自由载流子运动，形成相应的光电流；

所述信号采集单元与太赫兹接收天线阵列连接，对产生的光电流进行放大和采集。

进一步地，所述分光组件包括平行放置的二分之一波片和分束器；

所述二分之一波片用于调节分光比例，所述分束器用于将激光器发出的激光脉冲分成泵浦脉冲和探测脉冲。

进一步地，所述太赫兹波生成组件包括泵浦光路单元、第一聚焦透镜和太赫兹发射天线；

所述第一聚焦透镜、太赫兹发射天线和准直透镜依次平行放置；

所述泵浦光路单元用于将分光组件发出的泵浦脉冲改变光程和传输方向后发送至第一聚焦透镜表面，第一聚焦透镜将泵浦脉冲汇聚至太赫兹发射天线上以产生太赫兹波。

进一步地，所述太赫兹发射天线采用光电导天线。

进一步地，所述泵浦光路单元包括依次放置的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜；第一反射镜将分光组件发出的泵浦脉冲折转至第二反射镜表面，泵浦脉冲依次经第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜折转后，平行入射至第一聚焦透镜表面；

其中，所述第二反射镜和第三反射镜用于调整第一反射镜和第四反射镜之间的延迟光路距离，使泵浦脉冲和携带有样品空间信息的太赫兹波同时入射至太赫兹接收天线阵列表面。

进一步地，所述探测光路组件包括第六反射镜、第七反射镜和扩束器；

所述第六反射镜将分光组件发出的探测脉冲折转至第七反射镜表面，探测脉冲再经第七反射镜折转后入射至扩束器，经扩束器扩大成直径更大的平行输出光束。

进一步地，所述反射式空间光调制器的分辨率为1920x1080，像素尺寸为6.4μm，反光率大于90％。

进一步地，所述太赫兹接收天线阵列由等间距并排设置的多个天线像素组成，每个天线像素由若干个等离子体纳米天线组成；

每个等离子体增强光导天线均包括光电导体、蝴蝶结型天线和金属纳米电极；蝴蝶结型天线位于光电导体的上表面，纳米电极位于蝴蝶结型天线的间隙，呈对立的梳状结构。

进一步地，所述准直透镜和柱面透镜的透镜焦距均为15cm。

进一步地，所述信号采集单元包括依次连接的低噪声放大器、多通道锁相放大器和数据采集卡。

有益效果：

第一，本实用新型通过将宽带太赫兹波各频率成分经过柱面透镜在空间展开，与样品空间位置形成一一对应关系，再通过太赫兹接收天线阵列(线列探测器)采集数据，无需机械扫描采样，单次激发即可实现傅立叶空间全采样，从而极大程度地提高了系统的成像速度，有效地避免了常规的傅立叶面二维光栅扫描系统复杂、采样时间长的弊端。

第二，本实用新型通过在天线单元设计等离子体微纳电极结构，显著提高了光电导天线的光电转换效率，缩短了光生载流子到达电极的时间，从而优化其探测性能。

第三，本实用新型利用基于空间光调制器的高效、灵活的阵列式门控激发技术，并结合多通道锁相放大器并行采集阵列数据，可以显著提高成像速度；本实用新型支持多种模式的成像，可以进行强度、相位和光谱成像。

附图说明

图1为基于一维光谱编码和线列探测器的太赫兹图像重构装置的结构示意图；

图2为太赫兹接收天线阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。

参见图1，本实用新型提及基于一维光谱编码和线列探测器的太赫兹图像重构装置，所述太赫兹图像重构装置包括激光器1、分光组件、太赫兹波生成组件、准直透镜8、样品摆放平台、柱面透镜10、太赫兹接收天线阵列11、探测光路组件、反射式空间光调制器12和信号采集单元。

激光器1发出的激光脉冲经分光组件分成泵浦脉冲和探测脉冲；其中，探测脉冲经探测光路组件传输至反射式空间光调制器12，由反射式空间光调制器分束12、调制并分别聚焦至未加偏置电压的太赫兹接收天线阵列11上，激发产生自由载流子；泵浦脉冲经太赫兹波生成组件处理后生成太赫兹波。

准直透镜8、样品摆放平台、柱面透镜10、太赫兹接收天线阵列11依次平行放置，太赫兹波生成组件将生成的太赫兹波经准直透镜8准直处理后传输至样品摆放平台上的样品表面以收集样品空间信息；携带有样品空间信息的太赫兹波继续传输至柱面透镜10表面，经柱面透镜10聚焦至太赫兹接收天线阵列11，作为加在太赫兹接收天线阵列11上的偏置电场驱动自由载流子运动，形成相应的光电流。

信号采集单元与太赫兹接收天线阵列11连接，对产生的光电流进行放大和采集。

本实用新型通过将宽带太赫兹波各频率成分经过柱面透镜10在空间展开，与样品空间位置形成一一对应关系，再通过太赫兹接收天线阵列11(线列探测器)采集数据，无需机械扫描采样，单次激发即可实现傅立叶空间全采样，从而极大程度地提高了系统的成像速度，有效地避免了常规的傅立叶面二维光栅扫描系统复杂、采样时间长的弊端。

(一)分光组件

分光组件包括平行放置的二分之一波片2和分束器3。二分之一波片用于调节分光比例，所述分束器3用于将激光器1发出的激光脉冲分成泵浦脉冲和探测脉冲。

(一)太赫兹波生成组件

太赫兹波生成组件包括泵浦光路单元、第一聚焦透镜6和太赫兹发射天线7；第一聚焦透镜6、太赫兹发射天线7和准直透镜8依次平行放置；泵浦光路单元用于将分光组件发出的泵浦脉冲改变光程和传输方向后发送至第一聚焦透镜6表面，第一聚焦透镜6将泵浦脉冲汇聚至太赫兹发射天线7上以产生太赫兹波。优选的，太赫兹发射天线7采用光电导天线。

如图1所示，泵浦光路单元包括依次放置的第一反射镜41、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜4和第五反射镜45；第一反射镜41将分光组件发出的泵浦脉冲折转至第二反射镜表面，泵浦脉冲依次经第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜4和第五反射镜45折转后，平行入射至第一聚焦透镜6表面；其中，第二反射镜和第三反射镜构成光学延迟线5，用于调整第一反射镜41和第四反射镜44之间的延迟光路距离，使泵浦脉冲和携带有样品空间信息的太赫兹波同时入射至太赫兹接收天线线列11表面。应当理解，泵浦光路单元的主要作用包括两个：延迟光路和改变泵浦脉冲的入射方向，只要能达成这两个目的，反射镜的具体的摆放方式或者反射镜的数量可以根据实际情况自由调整。

(三)探测光路组件

探测光路组件探测光路组件包括第六反射镜46、第七反射镜47和扩束器13；第六反射镜46将分光组件发出的探测脉冲折转至第七反射镜47表面，探测脉冲再经第七反射镜47折转后入射至扩束器13，经扩束器13扩大成直径更大的平行输出光束。同样的，探测光路组件的主要作用是改变探测脉冲的入射方向，只要能达成该目的，反射镜的具体的摆放方式或者反射镜的数量可以根据实际情况自由调整。

(四)反射式空间光调制器12

反射式空间光调制器12用于对扩束后的探测脉冲进行分束、调制和聚焦。在本实施例中，反射式空间光调制器12的分辨率为1920x1080，像素尺寸为6.4μm，反光率超过90％。

(五)太赫兹接收天线线列11

太赫兹接收天线线列11(线性探测器)由等间距并排设置的多个天线像素组成，每个天线像素由若干个等离子体纳米天线组成；

每个等离子体增强光导天线均包括光电导体、蝴蝶结型天线和金属纳米电极；蝴蝶结型天线位于光电导体的上表面，纳米电极位于蝴蝶结型天线的间隙，呈对立的梳状结构。图2 提供了其中一种太赫兹接收天线线列的结构方式。如图2所示，等离子体增强光电导天线线列由1×8像素组成，总面积为2.43×1.68m

(六)信号采集单元

信号采集单元包括依次连接的低噪声放大器14、多通道锁相放大器15和数据采集卡16。低噪声放大器14用于放大光信号中的微弱信号并提高输出的信噪比；多通道锁相放大器15 用于检测在杂噪信号中被埋没的微弱信号。数据采集卡16用于采集放大处理后的光信号。

(七)控制器

本实施例涉及到的控制器主要是偏压源，用于为太赫兹发射天线7提供偏压。在一些例子中，可以将数据采集卡16和偏压源整合在一起构成综合控制器。

由于数据采集卡16采集到的光电流中携带有样品空间信息，因此，只需要对数据采集卡 16采集到的光电流信息进行解析，即可得到样品空间信息。具体的解析方法可以参考专利号为CN109490241A的发明，或者专利号为CN114002160A的发明等等。由于这部分技术方案不属于本身用新型的保护重点，在此不再做赘述。本实用新型只需要将数据采集卡16采集到的数据发送至PC端17即可。本实用新型请求保护的是用于成像的光路结构，不涉及对成像数据的处理方法的改进。

整体工作原理：如图1所示，样品为刻有镂空字母“R”的薄铝板，铝板长、宽均为4cm，厚度为1mm。成像系统以钛蓝宝石激光器1为激发光源，输出波长为780nm的飞秒激光，飞秒激光脉冲经过二分之一波片2和分束器3后分为泵浦脉冲和探测脉冲。泵浦脉冲经过光学延迟线5后由聚焦透镜6汇聚至太赫兹发射天线7的电极中央，产生太赫兹脉冲。太赫兹脉冲由一个准直透镜8准直后经过待测样品9，携带样品空间信息的太赫兹脉冲经过一枚定制的柱面透镜10，并聚焦至等离子体增强光电导天线线列11。其中，待测样品9置于柱面透镜10的前焦平面，等离子体增强光电导天线线列11置于柱面透镜10的后焦平面。另外一路的探测脉冲经过反射镜4和扩束器13后，由反射式空间光调制器12分束、调制并分别聚焦至未加偏置电压的等离子体增强光电导天线线列11的单元间隙，从而激发产生自由载流子。与此同时，同步到达的太赫兹脉冲作为加在天线单元上的偏置电场，驱动自由载流子运动，并在天线中形成光电流。该电流信号经过低噪声放大器14后被多通道锁相放大器15采集并传输到数据采集卡16，最后由电脑17对数据进行处理，利用开发的逆变换算法重建样品图像。