基于太赫兹喷射效应的高分辨率成像研究

发布时间：2020-05-05 12:23

【摘要】：太赫兹(Terahertz,THz)成像技术作为太赫兹波段的关键技术之一,已经在生物医学、安全检查、航空航天等领域展现出巨大的优势及潜在的应用价值。然而,根据瑞利判据,常规远场太赫兹成像技术的分辨率受衍射极限(0.61λ/NA)的限制,一般为毫米量级,难以满足实际应用的需求。而现有的太赫兹近场成像技术往往无法克服分辨率的提高与信号通量和光谱信息损失的矛盾。针对这一现象,本论文提出了一种介质半球耦合太赫兹高分辨率成像的方法,利用介质半球耦合太赫兹波产生的太赫兹喷射效应来产生和调控具有亚波长尺寸的太赫兹光场,有望突破衍射极限对显微系统的空间分辨率的限制,获取样品的多维度时域和频域信息。本论文主要包括以下几个部分:首先,基于有限元的数值模拟方法研究了介质半球产生太赫兹喷射波束的传输特性,利用CST软件在不同频率下对不同直径、不同折射率以及复合结构的介质半球进行了仿真,探索了介质半球与太赫兹成像分辨率的关系。仿真结果表明,采用介质半球的结构不仅可以进行高分辨率成像,而且所产生的喷射焦距也比较大(距离球体1.4 mm左右),有利于拓展实验操作空间;采用双层介质结构将聚焦光束直径提高到λ/2左右,但其喷射距离与介质半球相比较短,在0.8 mm左右。为了验证以上模拟结果,实验测量了介质半球耦合太赫兹成像系统的性能,发现经介质半球耦合后,系统的信号通量有明显增强而光谱带宽几乎没有损耗,证明该方法是一种高通量、宽光谱的远场太赫兹高分辨率成像方法。然后我们利用刀口法测量了有无介质半球时的光束直径,发现介质半球将系统的光斑直径缩小了55.1%,系统的分辨率最小达到100μm。最后,利用3 mm聚四氟乙烯介质半球分别对全介质硅光栅和新版100元人民币进行了成像。成像结果表明,加入介质半球后,无论是时域模式还是频域模式均能对光栅条纹和人民币安全线内“100”的字样进行有效分辨,而在自由空间中对该样品进行成像,则无法有效辨别。这说明3 mm的介质半球耦合太赫兹成像可以有效的提高太赫兹系统的成像分辨率。本论文提出的介质半球耦合太赫兹成像方法将常规远场太赫兹成像的分辨率提高一个数量级。另外,该方法操作简单、造价低、对测试样品没有任何限制(介质、金属等都可以),且该方法是一种高通量和宽光谱的成像技术,从而为今后提高太赫兹成像分辨率提供了一个新的思路,对太赫兹波段远场成像分辨率的提高具有重要的意义。
【图文】：

太赫兹波,太赫兹

贝尔实验室的Ｈｕ等人［｜９］在１９９５年建立了逐点扫描的太赫兹光谱成像系统，并成功逡逑树叶和电子芯片内部的集成电路进彳于了成像，成像分辨率在４00逦左右，此后各种逡逑赫兹成像技术飞速发展。然而由于衍射极限的存在，使得太赫兹成像的分辨率不高。逡逑场成像是突破衍射极限，获得亚波长分辨图像的研究热点之一，该技术的实现主要得逡逑于隐矢波的产生和利用，成像性能的提升取决于太赫兹波的局域、增强或者增透程逡逑，方法大致有四类：分别为利用亚波长物理孔径或虚拟孔径局域的太赫兹波［２？２３］、亚逡逑长针尖局域或增强的太赫兹波［￣２７］、激光聚焦后产生的亚波长尺寸太赫兹辐射源逡逑３１］、微纳结构材料局域或增透的太赫兹波进行近场成像［３２？］。下面将对国外在太赫兹逡逑场成像方面取得的代表性做简单介绍。逡逑１９９８年，Ｈｕｎｓｃｈｅ等人［２１］第一次将太赫兹波通过离轴抛物镜汇聚到特制金属孔径后逡逑射到待测样品，如图１－１所示，，这种方法的空间分辨率在５０邋（ｉｍ左右。２０００年，逡逑Ｍｉｔｒｏｆａｎｏｖ等人［２３］将光电导天线与金属孔径结合，设计了一种新型探测器，如图１－２逡逑示，探头尺寸为３０ｘ３００邋ｐｍ２，空间分辨率小于４０邋｜ａｍ。逡逑１逦ｃｏｌｌｉｍａｌｉｎｑ邋＆邋ｆｏｃｕｓｓｉｎｑ逡逑

孔径,成像,高光谱,近场

对该结构进行了优化，实现了邋１２邋ｐｍ的空间分辨率，与之前的结构相比该结构有更高的逡逑透射强度。２０１４年Ｌｕ和Ａｒｇｙｎ＾３８］将格子光纤引入光谱系统中作为内窥镜，引导辐射进逡逑如样品，如图１－３所示，该结构通过扫描探针的端面而不是太赫兹系统本身的样品或组逡逑件来进行高光谱成像，通过识别图像中的各种物质并通过伪彩色系统的实现可视化来证逡逑明高光谱成像。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中央民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441;TP391.41

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