太赫兹结构化波束的产生及其在太赫兹成像中的应用

发布时间：2020-05-20 22:20

【摘要】：太赫兹波是介于毫米波和远红外波之间的电磁波,能穿透很多介电材料,且穿透能力优于红外波。成像原理相同时,太赫兹成像的分辨率比微波成像的分辨率高。相比于X射线成像,低密度材料在太赫兹成像中的对比度更高。因此太赫兹成像可以作为现有成像技术的补充,应用于无损检测和人体安检等领域。太赫兹成像系统的景深越长,分辨率越高,则该成像系统的性能越好。传统的连续太赫兹波成像系统中,探测样品的波束为高斯波束,必须权衡瑞利距离和波束宽度,难以同时满足长景深和高分辨率。近年来,太赫兹结构化波束的发展为该问题提供了有效的解决方案。比如,太赫兹零阶贝塞尔波束和加速艾利波束等结构化波束具有无衍射特性,可以在较长传播范围内保持较小的光斑尺寸。此外,如果这两种波束的其中一部分被遮挡或者扭曲,它们可以在传播过程中具有自修复特性。因此这两种结构化波束可以用于扩展成像系统的景深,而成像系统的分辨率不会因为景深扩展受影响。本文研究了太赫兹零阶贝塞尔波束和加速艾利波束的产生、这两种结构化波束对成像系统的景深扩展,以及重建算法对连续太赫兹波计算机层析成像(Computed Tomography,CT)的重建图像质量的影响。主要内容概括如下:(1)基于角谱理论对太赫兹零阶贝塞尔波束和加速艾利波束的产生过程进行了数值仿真。设计并制作了适用于0.3 THz的衍射元件、一维(One-Dimensional,1D)立方相位板和二维(Two-Dimensional,2D)立方相位板。首先使用衍射元件产生了0.3THz的零阶贝塞尔波束,并与锥透镜产生的零阶贝塞尔波束进行了对比。结果表明衍射元件可以有效提升太赫兹零阶贝塞尔波束的转换效率。使用1D立方相位板和2D立方相立方板与相应的傅里叶变换透镜结合,分别产生了1D加速艾利波束和2D加速艾利波束。(2)构造了一套传统的基于高斯波束的连续太赫兹波二维透射成像装置并研究了该成像装置的景深和横向分辨率,然后在频域对透射图像进行滤波,消除了数据采集过程中样品和探测器的相对平移引入的噪声。最后,将零阶贝塞尔波束和2D加速艾利波束引入到该太赫兹透射成像中,研究了基于这两种结构化波束的成像系统的横向分辨率和景深。(3)设计了一套传统的基于高斯波束的连续太赫兹波二维反射成像装置并研究了该成像装置的景深和横向分辨率,然后用衍射元件将太赫兹零阶贝塞尔波束引入到反射成像装置中。比较了基于零阶贝塞尔波束和高斯波束的两个太赫兹反射成像系统的景深和分辨率。结果表明基于零阶贝塞尔波束的连续太赫兹波二维反射成像系统不仅具有显著扩展的长景深,而且具有良好的抗干扰能力。(4)设计了一套传统的基于高斯波束的太赫兹CT实验装置,并采集了样品的投影数据。使用基于压缩感知的凸算法和其他多种算法处理投影数据分别获得了重建图像,结果表明基于压缩感知的凸算法能有效的消除重建图像中的射线伪影,而且不会引入其它失真。进一步,通过数值仿真分析了基于高斯波束的太赫兹CT的成像过程。最后研究了基于零阶贝塞尔波束和基于高斯波束的太赫兹CT获取的投影数据和重建图像的差异。
【图文】：

太赫兹波,电磁波谱,位置,太赫兹

太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率位于 0.1~ 10THz，波长介于 30μm ~ 3m的电磁波，在某些场合特指频率为 0.3~3THz 的电磁波，如图 1-1 所示。自然有大量的太赫兹辐射源，比如我们身边绝大多数物体的热辐射都是太赫兹波。2 80 年代之前，由于太赫兹发射源的发射功率较低、太赫兹探测器的探测灵敏度赫兹波并没有得到深入的研究，而太赫兹波段两侧的红外波和微波已经被广泛通信、光谱、成像等众多领域。20 世纪 80 年代之后，超快光电子技术为太赫的发射和探测提供了可用的技术、低尺度半导体技术为连续太赫兹波提供了可射和探测方法。太赫兹波段的长波方向是从传统电磁学（电子学）领域发展起来它的短波方向是从光学领域发展起来的。在这两个领域中，电磁波发射源的工、操纵电磁波的元器件、电磁波和物质相互作用的物理表述都有很大的不同；赫兹波发射源，从光学领域发展的光电导天线发射太赫兹脉冲，而从电子学领的耿氏二极管发射连续太赫兹波。

贝塞尔光束,零阶,环缝,无衍射

图 1-2 环缝法产生零阶贝塞尔光束[7]阶贝塞尔光束的原理如图 1-3 所示[6]，高斯光束 xp ik ，其中，0k nk sin /n ， =arcsin n的折射率， k =2 / 是光波波数，是光波波长塞尔光束的无衍射传播距离max 0z /tan ，其束的束腰半径。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TP391.41

【相似文献】