一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法技术

一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法，包括以下步骤；选择太赫兹光源；搭建合适的太赫兹成像系统；准备待测样品；制备具有不同相对大小和折射率分布的核壳微球；将核壳微球放置在太赫兹波的传播路径上，放到待测样品的前方以产生的“太喷射”效应调控亚波长尺寸太赫兹光场；将太赫兹光束聚焦到样品表面，并使用光学元件控制光束的方向、聚焦和收集；改变核壳微球光学性质对太喷射射流性质进行调控，实现变焦功能；太赫兹信号检测；数据采集与处理；图像显示和分析；对重建的太赫兹图像信息进行显示和分析，利用图像处理和分析技术提取和解释样品的特征和结构信息。本发明专利技术能够降低实验操作难度、提高成像分辨率并增加系统调节功能。统调节功能。统调节功能。

【技术实现步骤摘要】
一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法


[0001]本专利技术属于太赫兹高分辨变焦成像
，具体涉及一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法。

技术介绍

[0002]目前，太赫兹成像技术凭借其能量低、穿透性强、频带宽等特点，在生物医学、安全检查、航空航天等领域展现出巨大的优势和潜在应用前景。在医学领域，太赫兹成像技术可用于皮肤癌早期诊断，被认为有望发展成新型无损诊断技术。此外，由于太赫兹波能穿透许多常见材料且对人体组织无伤害性，已成为重要的安全检查技术。例如，机场安检中的太赫兹成像技术可用于扫描乘客身上隐藏的爆炸物或武器。然而，由于太赫兹波长较长，常规的远场太赫兹成像技术的分辨率受到瑞利准则所描述的衍射极限的限制(0.61λ/NA，其中λ为入射光的波长，NA为物镜的数值孔径)，难以满足当前日益提高的应用需求。
[0003]在过去的几十年中，一些技术已被提出用来提高太赫兹成像的分辨率，如THz近场成像、THz共焦扫描成像、THz图像复原处理以及超材料超透镜等，已经发展到实现高分辨成像。然而，这些方法由于具有设备和操作复杂，能量和光谱带宽损失大，信息提取困难等缺陷极大地限制了高分辨率太赫兹成像技术的发展。近年来，基于结构所产生的太喷射效应能够突破衍射极限的方法已被提出，这种技术以其非倏逝波、高通量特性、设备成本低、操作简便等优势被应用于THz高分辨成像技术中，有效提高了目前常规的THz远场成像分辨率。目前已被提出的典型的产生太喷射效应的结构主要有单个微球、半球、立方体、圆锥、圆台等，一些研究已经证明了这些结构确实能够有助于实现太赫兹高分辨成像。
[0004]然而，THz近场成像、THz共焦扫描成像、THz图像复原处理以及超材料超透镜等方法由于具有设备和操作复杂，能量和光谱带宽损失大，信息提取困难等缺陷极大地限制了高分辨率太赫兹成像技术的发展。其次，对于现有的用于产生太喷射效应实现太赫兹高分辨成像的结构，如单个微球、半球、立方体、圆锥和圆台等，由它们所产生的太喷射射流的焦点通常在结构附近，这导致若要获得高质量的太赫兹成像效果，待测样品必须与这些结构紧挨放置，这显然会增加待测样品被污染的概率。此外，这种待测样品与结构紧挨放置的要求对实验操作和设备灵敏度的要求很高，极大限制了基于喷射效应的太赫兹高分辨成像技术的应用范围。再者，现有结构所产生的太喷射射流的半高宽多数都在0.4λ
‑
0.5λ的范围内，这虽然已经突破了衍射极限，但若要获得更高的成像分辨率，半高宽仍需进一步降低。最后，现有结构在被加工出来之后，用它们所产生的太喷射射流的性质就固定了，不具有可被大幅调控的可能。现有结构很难再通过调整或改变一些参数让太喷射射流的强度、焦距、工作距离和半高宽在一个较大的范围内变化，无法实现变焦功能。

技术实现思路

[0005]为了克服以上现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法，能够降低实验操作难度、提高成像分辨率并增加系统调
节功能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法，包括以下步骤；
[0008]步骤1：选择太赫兹光源；常见的光源包括太赫兹激光器、太赫兹脉冲发生器。光源的特性对成像质量和分辨率具有重要影响。
[0009]步骤2：搭建太赫兹成像系统；太赫兹成像系统包括光学元件(例如透镜、光栅等)、检测器(例如太赫兹检测器、红外检测器等)和数据采集设备；
[0010]步骤3：准备待测样品；所述是固体、液体或气体等不同类型的物体。待测样品的特性决定了成像过程中所观察到的信号响应。
[0011]步骤4：制备具有不同相对大小和折射率分布的核壳微球；
[0012]步骤5：将已制备的核壳微球放置在太赫兹波的传播路径上，放到待测样品的前方以产生的“太喷射”效应调控亚波长尺寸太赫兹光场，突破衍射极限对系统空间分辨率的限制。
[0013]步骤6：将太赫兹光束聚焦到待测样品表面，并使用光学元件控制光束的方向、聚焦和收集；
[0014]步骤7：改变核壳微球光学性质对太喷射射流性质进行调控，实现变焦功能；
[0015]所述调控包括以下3种方式：
[0016](1).改变核壳微球的相对大小，调节太喷射射流的性质，实现变焦功能；
[0017](2).改变核壳微球的相对折射率分布，调节太喷射射流的性质，实现变焦功能；
[0018](3).改变核壳微球的相对位置，对太喷射射流性质进行调控，实现变焦功能。
[0019]步骤8：使用检测器(如太赫兹检测器)来检测由待测样品表面反射或透射的太赫兹信号；检测到的信号为幅度、相位或时间域信息；
[0020]步骤9：通过数据采集设备记录检测到的太赫兹信号，并进行后续的信号处理和图像重建，以获取待测样品的重建的太赫兹图像信息；
[0021]步骤10：对重建的太赫兹图像信息进行显示和分析，利用图像处理和分析技术提取和解释待测样品的特征和结构信息。
[0022]所述步骤4中的核壳微球为三维结构，包括外壳和内核，外壳和内核由两种不同介质组成，其中r1代表外壳半径，r2代表内核的半径，n1表示外壳的折射率，n2表示内核的折射率，n
s
表示周围环境的折射率；
[0023]这3个折射率数值是需要人为设定或者根据实际环境而定的，没有特殊的需要说明的关系，在本申请仿真设置中，n1为1.33或1.46，n2也为1.33或1.46，根据它们的数值大小关系分为“核高壳低”和“核低壳高”两种情况，而n
s
的数值在后期的仿真设置中一直为1(空气中)。当n2>n1的情况为“核高壳低”，当n2<n1的情况为“核低壳高”。
[0024]所述待测样品限定如下：
[0025]1.尺寸特征：待测样品的尺寸应大于由具有不同光学特性的核壳微球所产生的太喷射射流的半高全宽，以确保太赫兹成像系统能够准确分辨样品。此外，待测样品的厚度应小于由具有不同光学特性的核壳微球所产生的太喷射射流的工作距离，以保证聚焦的太赫兹波能够通过样品并被检测器接收到。具体的待测样品的尺寸特征需要根据所选核壳微球的光学特性来确定。
[0026]2.材料特性：待测样品的材料特性受核壳微球的材料特性的限定。选择与核壳微球相对应的待测样品材料，可以匹配或对比样品的折射率、吸收特性等。这样做可以实现对待测样品的特性分析和表征。例如，核壳微球的局域场增强效应可以增强样品对太赫兹波的吸收、散射或透射等特性。这可以应用于太赫兹波的成像对比增强等方面，提供更多关于样品的光学信息。
[0027]所述步骤5中，核壳微球的边缘与z光轴上太喷射射流的最大强度所处位置之间的距离为焦距，焦点位置取决于核壳微球的折射率的选择，有效长度是指从焦斑的最大光强位置到该值下降到最大值的1/e2的两个位置之间的距离，半高宽指的是焦点的半峰全宽，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤1：选择太赫兹光源；步骤2：搭建太赫兹成像系统；太赫兹成像系统包括光学元件、检测器和数据采集设备；步骤3：准备待测样品；步骤4：制备具有不同相对大小和折射率分布的核壳微球；步骤5：将已制备的核壳微球放置在太赫兹波的传播路径上，放到待测样品的前方以产生的“太喷射”效应调控亚波长尺寸太赫兹光场，突破衍射极限对系统空间分辨率的限制；步骤6：将太赫兹光束聚焦到待测样品表面，并使用光学元件控制光束的方向、聚焦和收集；步骤7：改变核壳微球光学性质对太喷射射流性质进行调控，实现变焦功能；步骤8：使用检测器来检测由待测样品表面反射或透射的太赫兹信号；检测到的信号为幅度、相位或时间域信息；步骤9：通过数据采集设备记录检测到的太赫兹信号，并进行后续的信号处理和图像重建，以获取待测样品的重建的太赫兹图像信息；步骤10：对重建的太赫兹图像信息进行显示和分析，利用图像处理和分析技术提取和解释待测样品的特征和结构信息。2.根据权利要求1所述的一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法，其特征在于，所述步骤4中的核壳微球为三维结构，包括外壳和内核，外壳和内核由两种不同介质组成，其中r1代表外壳半径，r2代表内核的半径，n1表示外壳的折射率，n2表示内核的折射率，n
s
表示周围环境的折射率；当n2>n1的情况为“核高壳低”，当n2<n1的情况为“核低壳高”。3.根据权利要求2所述的一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法，其特征在于，所述步骤7中，在“核低壳高”情况下，通过改变内核的相对位置，使得太喷射射流的强度在75.4V2/m2到109V2/m2的范围内变化，焦距在0.15λ到2.05λ的范围内变化，半高宽在0.37658λ到0.81311λ的范围内变化，工作距离在3.65λ到11.7λ的范围内变化。4.根据权利要求2所述的一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法，其特征在于，所述步骤7中，在“核高壳低”情况下，通过改变内核的相对位置，太喷射射流的强度在129V2/m2‑
165V2/m2的范围内变化，焦距在0.7λ到1.25λ的范围内变化，半高宽在0.46197λ到0.56804λ的范围内变化，工作距离在2.1λ到3.65λ的范围内变化。5.根据权利要求1所述的一种利用核壳微球实现的太赫兹高分辨变焦成像方法，其特征在于，所述步骤5中，核壳微球的边缘与z光轴上太喷射射流的最大强度所处位置之间的距离为焦距，焦点位置取决于核壳微球的折射...

【专利技术属性】
技术研发人员：王皓杰，韩一平，周喜康，陈兴飞，莫韩，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：