利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统

1.一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，其特征在于：该太赫兹时域光谱系统中太赫兹源(1)发射出来的THz脉冲(2)，通过第一抛面镜(3)形成平行光束(4)，该平行光束(4)依次通过复合周期结构形成的成像光梳(5)和待测物体(6)，然后经过第二抛面镜(7)的光束(8)聚焦到太赫兹探测器(9)上，太赫兹探测器(9)接收的信息通过计算机(10)进行数据处理，提取出待测物体(6)的透射特征空间分布信息，实现快速成像；其中：
所述的太赫兹探测器(9)是单点接收，一次探测即能够得到整个待测物体空间透射信息；
所述的成像光梳，利用周期性的微细结构的频率选择特性，使用不同参数周期性微细结构作为单元结构，将不同中心选择频率的单元结构复合到同一平面内，形成
0.1THz-10THz频段内的频率光梳器件，工作范围能偶覆盖整个太赫兹波段，也能够在其中某一个波段工作；所述的成像光梳(5)的单元结构使用周期性金属结构，材料能够使用任意金属或者合金，材料种类等于或大于一种，材料层数等于或大于一层，成像光梳有基底材料(12)或者无基底材料；所述的成像光梳的单元结构周期大于1微米，金属层总厚度大于
10纳米，成像光梳至少包含一个单元结构。
2.根据权利要求1所述的一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的成像光梳(5)中单元结构的透射特性和位置排列(11)需要预先设计，单元结构的透射特性是在透射谱上表现为带通或者带阻特性，单元结构的位置排列直接影响到成像光梳在频谱上的透射峰或者透射谷与空间位置的对应关系，后期需要根据对应关系进行数据提出处理。
3.根据权利要求2所述的一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的成像光梳(5)中组成该成像光梳的外侧被一个金属框(12)包围，在保证太赫兹光束超出成像光梳面积时，太赫兹光束不从器件周边溢出。
4.根据权利要求1所述的一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的成像光梳(5)与待测物体(6)放置的前后位置为：使太赫兹平行光束入射顺序为依次通过待测物体(6)和成像光梳(5)。
5.根据权利要求1所述的一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的成像光梳(5)与待测物体(6)能够放置在光路中任意有太赫兹脉冲的位置。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的成像光梳(5)与待测物体(6)的入射角度为：太赫兹光束能够垂直入射或者以0-180°范围入射到成像光梳(5)与待测物体(6)上。

利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及太赫兹应用领域，特别涉及一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，其中也涉及到太赫兹成像光梳的设计加工和成像方法。\n背景技术\n[0002] 随着THz科学技术越来越受到重视，其在通讯，雷达，检测，成像方面已进入实用化阶段。金属周期结构的透射反射特性在实现THz器件，如滤波器、开关、偏振器、位相延滞器等等，显示了巨大的潜力。在THz波段研究金属周期性结构的透射特性的优势在于，1）绝大部分金属在太赫兹波段几乎表现为完美导体的特性，不同金属的电导率差异不会对金属周期性结构的透射特性产生太大影响；2）在制作工艺方面，太赫兹波位于可见光和近红外波段之间，在此波段下金属周期结构的物理尺寸在微米量级，制作工艺成熟，这些都为制作太赫兹波段的器件提供了可行性。目前，太赫兹时域光谱系统成像一般采用逐点扫描成像方法，使用聚焦的太赫兹光斑在样品表面进行二维扫描，此方法根据样品尺寸和太赫兹光斑的大小，操作时间非常长。并且此扫描需要使用聚焦的太赫兹光斑，成像系统需要四个抛面镜。测量时，样品垂直放置于抛面镜焦点上，否则对实验结果会有比较大的影响，而且采用二维平移台控制样品位置，实验系统复杂，技术难度大和测试成本比较高，限制了其大规模应用。此外，使用探测器阵列可以实现快速成像，但是太赫兹探测器单元尺寸限制了每个成像单元的大小，成像分辨率有限，并且太赫兹探测器本身价格昂贵，探测器阵列成本过高，不适合大规模实际应用。\n发明内容\n[0003] 本发的目的是：提供一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，采用复合金属结构制作出成像光梳，避免了使用聚焦太赫兹扫描物体，利用大面积太赫兹光束，实现对待测物体一次测量成像。\n[0004] 本发明采用的技术方案是：一种利用频率光梳实现太赫兹快速成像的太赫兹时域光谱系统，该太赫兹时域光谱系统中太赫兹源发射出来的THz脉冲，通过第一抛面镜形成平行光束，该平行光束依次通过复合周期结构形成的成像光梳和待测物体，然后经过第二抛面镜的光束聚焦到太赫兹探测器上，太赫兹探测器接收的信息通过计算机进行数据处理，提取出待测物体的透射特征空间分布信息，实现快速成像；其中：\n[0005] 所述的被探测器是单点接收，一次探测即可得到整个待测物体空间透射信息；\n[0006] 所述的成像光梳，利用周期性的微细结构的频率选择特性，使用不同参数周期性微细结构作为单元结构，将不同中心选择频率的单元结构复合到同一平面内，形成\n0.1THz-10THz频段内的频率光梳器件，工作范围能偶覆盖整个太赫兹波段，也可以在其中某一个波段工作；所述的成像光梳的单元结构使用周期性金属结构，材料可以使用任意金属或者合金，材料种类等于或大于一种，材料层数等于或大于一层，成像光梳可以有基底材料或者无基底材料；所述的成像光梳的单元结构周期大于1微米，金属层总厚度大于10纳米，成像光梳至少包含一个单元结构。\n[0007] 所述的成像光梳中单元结构的透射特性和位置排列需要预先设计，单元结构的透射特性是在透射谱上表现为带通或者带阻特性，单元结构的位置排列直接影响到成像光梳在频谱上的透射峰或者透射谷与空间位置的对应关系，后期需要根据对应关系进行数据提出处理。\n[0008] 所述的成像光梳中组成该成像光梳的外侧被一个金属框包围，在保证太赫兹光束超出成像光梳面积时，太赫兹光束不从器件周边溢出。\n[0009] 所述的成像光梳与待测物体放置的前后位置为：使太赫兹平行光束入射顺序为依次通过待测物体和成像光梳。\n[0010] 所述的成像光梳与待测物体可放置在光路中任意有太赫兹脉冲的位置。\n[0011] 所述的成像光梳与待测物体的入射角度为：太赫兹光束可垂直入射或者以\n0-180°范围入射到成像光梳与待测物体上。\n[0012] 本发明的原理在于：\n[0013] 本发明一种利用复合周期结构的频域叠加特性制作成频率光梳，在太赫兹波段实现快速成像的方法，该方法利用周期结构的透射特性，把不同结构单元复合到同一区域内，得到透射峰叠加的透射谱，叠加后的透射谱将在频谱上形成频率光梳。成像光梳的透射特性与周期结构的空间排列位置有关，利用这一相关性，可以使用大光斑太赫兹光束入射到成像光梳和待测物体上，使用点探测收集透射信号。经过数据处理提取出待测物体的透射特征空间分布信息，实现快速成像。\n[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于：\n[0015] （1）、本发明的方法适用于宽频段太赫兹成像，相对于传统的逐点扫描成像，大大节省了成像时间。\n[0016] （2）、本发明为太赫兹成像检测提供了一种新思路，对太赫兹安检及识别的大规模化实用具有重大意义。\n[0017] （3）本发明在传统的太赫兹系统上，只需对实验系统和数据处理方法稍作改动，即可实现此快速成像功能，与已有的太赫兹系统兼容性好、改造成本低。\n附图说明：\n[0018] 图1为利用频率光梳实现太赫兹快速成像方法的示意图。\n[0019] 图2为结构5的具体示意图，其中，11为组成成像光梳的单元周期金属结构，12为基底材料。\n[0020] 图3为太赫兹光束通过成像光梳后，复合而成的频谱光梳，频谱表现为一系列透射谷的叠加。\n[0021] 图4为为太赫兹光束通过成像光梳与待测物体6后的频谱，与图3对比的缺失部分包含了待测物体的空间信息。\n[0022] 图5为数据处理后，待测物体的空间信息及图形还原。\n[0023] 图中：太赫兹源1；太赫兹（THz）脉冲2；第一抛面镜3；平行光束4；成像光梳5；\n待测物体6；第二抛面镜7；光束8；太赫兹探测器9；计算机10；单元结构11；基底材料12；\n金属框13。\n具体实施方式：\n[0024] 下面结合附图和具体实施方式详细介绍本发明。\n[0025] 如图1所示，太赫兹时域光谱系统（THz Time Domain Spectroscopic System，THz-TDS）中太赫兹源1发射出来的太赫兹（THz）脉冲2，通过第一抛面镜3形成平行光束\n4，平行光束入射到复合周期结构形成的成像光梳5之后，通过待测物体6后再经过第二抛面镜7的光束8汇聚到太赫兹探测器9上被接收，通过计算机10进行数据处理，提取出待测物体的空间信息。\n[0026] 所述的太赫兹成像系统中，通过成像单元和待测物体的太赫兹脉冲经过抛面镜7汇聚到太赫兹探测器一次接收信息，采用点探测手段一次测量后即可通过数据处理得到待测物体信息。\n[0027] 采用复合金属结构制作出的成像光梳5，其结构单元对于太赫兹具有滤波作用，表现为对特定频率的带通或带阻特性。成像光梳的频率特性取决于结构单元的材料、尺寸等参数，光梳由不同透过特性的结构单元复合而成，因此，在频谱上显示出透过特性的叠加。\n频谱光梳的叠加频谱与组成成像光梳的结构单元、排列方式有关，利用这一相关性，太赫兹光束透出复合阵列光梳与待测物体之后，光斑在太赫兹探测器上汇聚，利用计算机对数据进行处理，即可在频谱上得到待测物体的空间信息。\n[0028] 所述的成像光梳结构单元，采用周期性金属结构。绝大部分金属在太赫兹波段几乎表现为完美导体的特性，因此可采用任意种类金属或者金属合金，材料种类等于或大于一种。\n[0029] 所述的成像光梳结构单元组成像光梳的方式采用单层复合方式，把结构单元按照一定规律排列在同一个平面内，结构单元层数等于或大于一层，成像光梳可以有基底材料或者无基底材料。\n[0030] 所述的成像光梳结构单元，在太赫兹波段具有带通或者带阻特性。\n[0031] 所述组成像光梳的结构单元要求，各个结构单元的透射特征要有所差异，才能使对应空间的单元在光梳频谱上可以分辨。其排列方式可以通过设计任意排列，相应地，数据提取方式与排列方式需要进行预处理，之后再进行待测物体成像。\n[0032] 所述的太赫兹成像系统中，成像光梳与待测物体的放置位置。太赫兹先通过成像光梳再通过待测物体，或者光束先通过待测物体再通过成像光梳，都可以取得一样的结果。\n成像光梳与待测物体均被平行光束照射时，物体成像放大比例为1；当成像光梳与待测物体被汇聚或发散光照射时，物体成像将被放大或者缩小。\n[0033] 本例采用如图3所示的成像光梳，4*4金属谐振环阵列作为单元结构11，复合成\n3*3的成像光梳阵列，外侧被金属框13包围。每个结构单元由于尺寸不同，对应的谐振频率也不相同，合成的频率光梳中，fnm（n,m=1,2,3）分别为各个单元结构的谐振频率。成像步骤分为两步：\n[0034] 首先，太赫兹光束照射到成像光梳后，聚焦到太赫兹探测器上，可以得到\n0.1-10THz波段内形成规则的频率光梳，作为参考信号。\n[0035] 使太赫兹平行光梳通过成像光梳之后再通过待测物体，对太赫兹探测器得到频谱进行数据处理，即可得到待测物体的空间信息。如图4所示，待测样品为一不透明的“L”型物体，得到的频谱中，对应位置出现了缺失。经过数据提取，图像拼接处理后，将得到图5所示的图像。\n[0036] 因为待测物体某些部分完全不透太赫兹光，因此得到的图形为黑白图像，如果物体的透过率在0-1之间，将得到物体的灰度图像。\n[0037] 本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制在具体实施方式的范围内，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。