一种近场太赫兹波光谱成像系统技术方案

本申请提出一种近场太赫兹波光谱成像系统，利用衰减全反射模块的全反射原理，在衰减全反射模块的表面形成太赫兹波倏逝场，如此待测样品紧贴上述表面就能达到近场探测的目的。衰减全反射模块的使用能够直接承载待测样品而不需要设计单独的夹具，因而在检测样品，甚至是在体检测时使用都更加方便。此外，采用光控法实现太赫兹波段的单像素成像，由于调制掩膜是投影在体材料衰减全反射模块上，因而对投影面位置的精确度要求也不需要很高。进一步结合太赫兹时域光谱测量原理，通过重构不同时刻的太赫兹光场信号，从而使用更短的时间达到了高分辨率太赫兹多光谱成像的目的。

A Near-field Terahertz Wave Spectral Imaging System

【技术实现步骤摘要】
一种近场太赫兹波光谱成像系统
本申请涉及太赫兹
，特别是涉及太赫兹近场成像系统。
技术介绍
太赫兹波是指(频率0.1THz-10THz或波长30μm-3000μm)位于微波波段与光学波段之间的相干电磁辐射。它处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置而具有独特的性质。例如，许多重要生物分子(如蛋白质、DNA)和生物细胞的低频振动(如分子的骨架集体振动、转动以及分子之间的弱作用力)特征模式均处于太赫兹频谱范围内(光谱指纹性)。基于太赫兹光谱分析，可以解析生物分子的空间构象、反应动力学、水化作用及生物功能等相关信息。此外，太赫兹能够穿透多种非极性材料(纸张，塑料，陶瓷等)，实现隐藏目标成像。特别地，相比于应用广泛的X射线，太赫兹波的光子能量较低(0.41-41meV)，使得太赫兹波对生物分子无损伤，对生物细胞无电离，可作为一种理想的生物医学无损检测手段。近年来，太赫兹技术在基础物理、工业应用、生物医学和国防安全等领域展现了重大的科学价值和应用前景，被美国、欧盟、日本和我国列为改变未来世界的前瞻技术。太赫兹光谱及成像被视为最为重要的应用技术之一，其通过分析太赫兹波与待测样品相互作用而获得待测样品丰富的物理和化学信息。太赫兹波长处于毫米/亚毫米量级，对于一般的大目标检测，太赫兹成像可以获得较为满意的结果。然而，随着太赫兹技术及其在物质表征和生物医学等众多领域的深入研究与发展，人们对太赫兹图像分辨率和精细度的要求也日益提高。由于衍射极限的限制，太赫兹远场的光谱成像系统及方法难以满足这些需求。因此突破衍射极限是太赫兹成像亟待解决的问题。于是，太赫兹近场技术应运而生。近场技术能够采集并利用被测信号中的倏逝波(亚波长量级)，从而实现亚波长尺度的图像分辨率，因而由此得到的近场图像能够显示更为精细的结构。目前，突破太赫兹波段衍射极限的近场成像主要是近场探针扫描成像法(参见“刘宏翔等，太赫兹波近场成像综述，红外与毫米波学报，2016”)。由于探针探测的是距离样品表面一个波长以内的倏逝波信号，所以探测扫描时探针必须置于非常靠近样品表面的位置。这就要求探针及其相关光路必须满足这种空间需求，无疑增加了成像系统的复杂度和难度。一般成像时采用对样品的光栅扫描，通常获取图像的耗时较长，且对样品扫描的精确控制要求也较高。最近，为了克服近场探针的不足，国外RAYKOI.STANTCHEV等人(参见“Compressedsensingwithnear-fieldTHzradiation,Vol.4,No.8,Optica,2017”)利用光控超薄硅片的近场照明方案，实现了9μm成像分辨率的近场太赫兹成像。但是薄硅片的使用使得对投影焦面控制要求较高，而且薄硅片不利于承载样品。其成像方式为透射式，无法实现在体的近场生物医学成像。
技术实现思路
有鉴于此，针对上述现有技术存在的技术问题，本申请提出一种近场太赫兹光谱成像系统，利用太赫兹近场条件，结合光控法和太赫兹时域光谱系统，无需任何的机械扫描就能实现单像素近场太赫兹光谱检测，进而实现高分辨的亚波长太赫兹多光谱成像。具体地，一种近场太赫兹波光谱成像系统，其基础光路为：飞秒激光器输出的激光被分成两路；一路经过延迟线后汇聚于太赫兹发射天线；另一路聚焦于太赫兹探测天线；所述太赫兹发射天线产生的太赫兹波信号与待测样品发生相互作用后被聚焦到接收端的太赫兹探测天线；进一步，所述系统还包括衰减全反射模块，所述太赫兹发射天线产生的太赫兹波在所述衰减全反射模块中发生全反射，进而在所述衰减全反射模块的全反射面形成太赫兹倏逝场，所述待测样品直接承载在所述衰减全反射模块的所述全反射面上进行成像。优选地，所述衰减全反射模块整体为三角棱柱，截面为等腰三角形；所述太赫兹发射天线产生的太赫兹波从三角棱柱的入射面射入，经过所述全反射面发生全反射，然后从出射面射出，全反射过程中在所述全反射面形成倏逝场。进一步，所述衰减全反射模块截面等腰三角形的底角在20°-60°的范围内，优选上述底角的大小为30°。进一步，所述系统还包括光源以产生准直的泵浦光，所述泵浦光照射在数字微镜阵列上从而利用所述数字微镜阵列形成掩膜；或者，系统通过液晶空间光调制器或者投影仪形成掩膜。随后将所述掩膜投影到所述衰减全反射模块的所述入射面上，从而所述衰减全反射模块在所述泵浦光掩膜的照射下形成光生载流子，在所述入射面上对入射的太赫兹波产生调控。基于上述光控法调制太赫兹波，所述衰减全反射模块的材料优选为本征硅，砷化镓或者本征锗。所述泵浦光的波长，可以在紫外光、可见光或是近红外光，例如小于1100nm，优选为808nm。系统还包括单像素探测器，使用单像素探测器结合压缩感知算法重建太赫兹光场。为了使系统更加紧凑，使用更加方便，所述飞秒激光器、所述延迟线可以集成在一个固定端；所述太赫兹发射天线、所述衰减全反射模块、所述太赫兹探测天线可以集成在一个移动端。所述固定端和所述移动端之间的光路通过第一光纤和第二光纤耦合；所述飞秒激光器发出的光被分为两路，其中所述第一光纤中的光经过延迟线被耦合到所述太赫兹发射天线，所述第二光纤中的光被耦合到所述太赫兹探测天线。优选所述移动端还包括数字微镜阵列或者液晶空间光调制器或者投影仪，以向所述衰减全反射模块投影掩膜。此外，为了方便放置样品，在所述衰减全反射模块上还直接设有样品池，所述样品池包括样品池底部，所述样品池底部的材质与所述衰减全反射模块的材质相同。根据本申请提出的近场太赫兹波光谱成像系统，利用衰减全反射模块的全反射原理，在衰减全反射模块的表面形成太赫兹波倏逝场，待测样品紧贴上述表面就能达到近场探测的目的，如此的衰减全反射模块能够直接承载待测样品而不需要设计单独的夹具，因此使用更加简便。利用光控法实现太赫兹波段的单像素成像，调制掩膜投影在衰减全反射模块的侧面，由于衰减全反射模块为体材料，因而不需要将调制掩膜精确地投影在调制器上，即便投影焦平面向衰减全反射模块内部偏移，也能够实现对太赫兹波的调制。最后利用太赫兹时域光谱测量原理，通过重构不同时刻的太赫兹光场信号，继而相对光栅扫描成像法可以使用更短的时间达到太赫兹多光谱成像目的，结合近场探测原理，实现了太赫兹波成像分辨率的提高。上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1示出了本申请的近场太赫兹波光谱成像系统结构图；图2示出了本申请的衰减全反射模块结构图；图3示出了全反射不同设计角度之间的关系；图4示出了本申请的太赫兹波时域光谱成像示意图；图5示出了本申请的THz-TDS近场高光谱成像结果示意图；图6示出了本申请的光纤耦合式近场太赫兹波光谱成像系统结构图；图7示出了本申请的近场太赫兹波光谱成像系统的样品池结构图。具体实施方式为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近场太赫兹波光谱成像系统，所述系统的基础光路为：飞秒激光器(1)输出的激光被分成两路；一路经过延迟线(3)后汇聚于太赫兹发射天线(4)；另一路聚焦于太赫兹探测天线(6)；所述太赫兹发射天线(4)产生的太赫兹波信号与待测样品(9)发生相互作用后被聚焦到接收端的太赫兹探测天线(6)；其特征在于：所述系统还包括衰减全反射模块(8)，所述太赫兹发射天线(4)产生的太赫兹波在所述衰减全反射模块(8)中发生全反射，进而在所述衰减全反射模块(8)的全反射面(82)形成太赫兹倏逝场，所述待测样品(9)直接承载在所述衰减全反射模块(8)的所述全反射面(82)上。

【技术特征摘要】
1.一种近场太赫兹波光谱成像系统，所述系统的基础光路为：飞秒激光器(1)输出的激光被分成两路；一路经过延迟线(3)后汇聚于太赫兹发射天线(4)；另一路聚焦于太赫兹探测天线(6)；所述太赫兹发射天线(4)产生的太赫兹波信号与待测样品(9)发生相互作用后被聚焦到接收端的太赫兹探测天线(6)；其特征在于：所述系统还包括衰减全反射模块(8)，所述太赫兹发射天线(4)产生的太赫兹波在所述衰减全反射模块(8)中发生全反射，进而在所述衰减全反射模块(8)的全反射面(82)形成太赫兹倏逝场，所述待测样品(9)直接承载在所述衰减全反射模块(8)的所述全反射面(82)上。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述衰减全反射模块(8)整体为三角棱柱，截面为等腰三角形；所述太赫兹发射天线(4)产生的太赫兹波从三角棱柱的入射面(81)射入，经过所述全反射面(82)发生全反射，然后从出射面(83)射出，全反射过程中在所述全反射面(82)形成倏逝场。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述衰减全反射模块(8)截面等腰三角形的底角为20°-60°。4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：还包括光源(11)以产生准直的泵浦光，所述泵浦光照射在数字微镜阵列(12)上从而利用所述数字微镜阵列(12)形成掩膜；或者，通过液晶空间光调制器或者投影仪形成掩膜；所述掩膜被投影到所述衰减全反射模块(8)的所述入射面(81)上，从而所述衰减全反射模块(8)在所述掩膜的投影照射下形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁远甫，佘荣斌，刘文权，李光元，焦国华，吕建成，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：新型
国别省市：广东,44