曹丙花， 李素珍*， 蔡恩澤， 范孟豹， 淦方鑫

1. 中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116 2. 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116

引 言

太赫茲波是指頻率在0.1～10太赫茲(Terahertz, THz)范圍內(nèi)， 介于毫米波和紅外光之間的一段電磁波。 由于波段位置的特殊性， THz輻射兼具微波電子學(xué)和紅外光子學(xué)的特征， 屬于交叉研究范疇。 在THz領(lǐng)域中， THz成像技術(shù)作為THz研究中頗具前景的一個(gè)方向， 得益于該輻射波段的獨(dú)特性質(zhì)： 光子能量低于各種化學(xué)鍵能， 對(duì)物質(zhì)電離作用??； 極易透過非極性和非金屬材料， 包括陶瓷、 塑料等常見卻無法被紅外光透射的材料； 頻段處在許多生物大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)， 可根據(jù)THz波的強(qiáng)吸收和諧振特性建立分子指紋特征譜鑒別物質(zhì)成分； 水敏感性高， 非常適合物質(zhì)含水量分析等。 除了可獲得比其他光源更多的信息外， THz成像技術(shù)在性能上也十分優(yōu)越。 THz波段的高頻特性對(duì)應(yīng)更小的光學(xué)衍射現(xiàn)象， 能夠達(dá)到比微波成像更高的空間分辨率。 而相比需要借助耦合劑接觸樣品的超聲成像， THz成像屬于非接觸無損檢測， 適用范圍更廣。 近些年來隨著THz光源和探測技術(shù)的發(fā)展， THz成像的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛， 并在藥品食品監(jiān)測、 生物醫(yī)學(xué)成像、 貨品安全檢查、 器件非接觸無損檢測、 藝術(shù)品研究等領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的成果。

自1995年貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出首套THz透射掃描成像裝置并進(jìn)行首次THz成像之后， 新材料和新技術(shù)不斷促進(jìn)著THz成像技術(shù)的快速發(fā)展。 目前， 研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物品含水量、 違禁刀具、 電路亞波長損傷、 半導(dǎo)體器件以及生物組織等樣本的THz像探測。 根據(jù)輻射光源的種類， THz成像技術(shù)可分成連續(xù)波(continuous wave， CW)和脈沖兩種類型。 雖然THz-CW系統(tǒng)的光源功率較大， 但因其帶寬較窄， 大部分情況下系統(tǒng)僅記錄THz信號(hào)的強(qiáng)度信息。 基于上述特性， THz-CW系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度較快， 能夠支持實(shí)時(shí)成像。 相比連續(xù)波系統(tǒng)， 脈沖THz系統(tǒng)可以發(fā)射高達(dá)幾THz的寬帶光束， 雖然其波束普遍功率偏低， 但它攜帶了時(shí)域THz波形的所有信息(包括強(qiáng)度和相位)。 這些信息經(jīng)傅里葉等變換處理之后可得出折射率、 消光系數(shù)、 吸收率等光學(xué)參數(shù)。 因此， 基于脈沖THz成像系統(tǒng)可獲得更多信息的特性， 除部分焦平面陣列探測成像外， 大多數(shù)成像系統(tǒng)都屬于這種類型。

本文主要講述了THz成像技術(shù)發(fā)展道路上經(jīng)歷的幾個(gè)階段， 如圖1所示， 包括THz時(shí)域光譜成像、 焦平面陣列探測成像、 壓縮感知成像、 近場成像及其分類下的一些常見成像系統(tǒng)。 每部分著重介紹了系統(tǒng)的特點(diǎn)原理和技術(shù)創(chuàng)新， 并在最后對(duì)THz成像技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

圖1 文章架構(gòu)

1 THz成像系統(tǒng)和設(shè)備

在過去近二十年的時(shí)間里， 電子學(xué)與光子學(xué)等新技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了太赫茲成像技術(shù)的快速發(fā)展。 太赫茲時(shí)域光譜(Terahertz-time domain spectrum， THz-TDS)系統(tǒng)作為最早實(shí)現(xiàn)THz輻射測量的系統(tǒng)， 已經(jīng)成為一種產(chǎn)生和探測單周期THz信號(hào)的通用技術(shù)。 在此基礎(chǔ)上， 人們出于對(duì)更快的成像速度以及更高的成像分辨率的追求和權(quán)衡， 開發(fā)出以下幾種經(jīng)典的THz成像系統(tǒng)， 這里主要按照探測方式的發(fā)展進(jìn)行介紹。

1.1 最早的單像素成像方式： THz-TDS成像系統(tǒng)

THz時(shí)域光譜成像系統(tǒng)是在THz-TDS的基礎(chǔ)上增加了光柵掃描裝置， 實(shí)現(xiàn)了光譜和成像功能的結(jié)合。 圖2展示的是反射式THz時(shí)域光譜成像系統(tǒng)[1]。 飛秒脈沖激光器產(chǎn)生的激光被分成兩束， 一束通過光電導(dǎo)天線(photoconductive antenna, PCA)產(chǎn)生THz脈沖， 另一路通過增加光程做相位延遲處理。 THz脈沖產(chǎn)生后經(jīng)拋物面鏡(paraboloidal mirror， PM)引導(dǎo)聚焦到樣品表面的某一像素點(diǎn)， 然后被反射到探測器上。 延遲的泵浦脈沖同樣被引導(dǎo)到探測器， 并對(duì)攜帶樣本信息的THz脈沖做采樣處理。 系統(tǒng)最終測量的是探測器光電傳感模塊產(chǎn)生的平均光電流或平均光電壓。

圖2 經(jīng)典反射式THz時(shí)域光譜成像實(shí)驗(yàn)裝置[1]

圖3展示的光電流是關(guān)于時(shí)間延遲的函數(shù)， 反映了和樣品相互作用后THz脈沖的衰減、 延遲或變寬等現(xiàn)象。 可以提取上述THz時(shí)域波形的某一信號(hào)特征如最大飛行時(shí)間、 峰值等， 設(shè)定像素對(duì)應(yīng)灰度后獲取二維圖像。 這種經(jīng)典THz-TDS方法的優(yōu)點(diǎn)是獲取的THz信息較全(包括幅度和相位信息)， 缺點(diǎn)是需要進(jìn)行冗長的二維光柵掃描， 無法滿足大尺寸樣品的實(shí)時(shí)成像要求。 目前一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是在制藥工業(yè)中， 通過監(jiān)測藥片的包衣厚度控制固體制劑的生產(chǎn)質(zhì)量， 原理如式(1)所示。 也可以用于評(píng)估藥片的硬度、 密度和孔隙率， 以及汽車外殼涂料的厚度均勻性。

(1)

其中， Δt為藥片包衣表面和內(nèi)部藥劑面反射的THz波時(shí)間間隔，c是真空中的光速，n是包衣材料的折射率。

圖3 單像素測量THz時(shí)域波形[2]

經(jīng)典的THz輻射生成和探測的方法有自由空間電光采樣和光電導(dǎo)天線兩種， 這里使用的是光電導(dǎo)天線(PCA)方式。 通常， PCA由光電半導(dǎo)體材料表面沉積金屬電極制作而成， 常用的半導(dǎo)體材料有高阻率砷化鎵(GaAs)、 磷化銦(InP)等。 為了產(chǎn)生THz波， PCA兩電極空隙被外加電壓偏置并用飛秒激光脈沖泵浦。 在亞皮秒時(shí)間尺度上， 半導(dǎo)體內(nèi)部大量電子-空穴對(duì)被加速激發(fā)(外加偏置電場和自建電場起加速作用)， 光電導(dǎo)材料表面出現(xiàn)快速增大和減小的時(shí)變光電流， THz電磁場由此產(chǎn)生。 目前大多數(shù)的THz-TDS系統(tǒng)的平均THz功率較低。 為了改善信噪比， 通常用交流電壓偏置PCA后再鎖定放大。

最近， 有實(shí)驗(yàn)證明使用等離子體等納米結(jié)構(gòu)接觸電極光柵可以有效減少光生載流子的平均傳送路徑長度， 使大面積PCA具備更高的光—太赫茲轉(zhuǎn)換效率和太赫茲功率(在240 mW的泵浦功率下， 平均THz功率高達(dá)3.8 mW)。 另外， THz無源成像系統(tǒng)作為一個(gè)理論研究的突破點(diǎn)， 其在物體自發(fā)THz輻射和均勻黑體(如天空)THz輻射兩個(gè)方向上的科學(xué)研究也值得關(guān)注。

THz輻射的光電導(dǎo)采樣是光電導(dǎo)激發(fā)的逆過程， 不同的是PCA不再外加偏置電壓， 飛秒激光脈沖泵浦出的載流子由入射THz光束加速。 泵浦脈沖和入射THz輻射之間的時(shí)間延遲關(guān)系可調(diào)(可用時(shí)間延遲線實(shí)現(xiàn))。 產(chǎn)生的時(shí)變電流幅度和THz電場幅度存在正比例關(guān)系， 利用該特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)THz時(shí)域輻射信號(hào)波形的表征。 目前， 有關(guān)單像素探測器原理的研究已經(jīng)趨向成熟， 其發(fā)展主要依托新材料和新結(jié)構(gòu)的引進(jìn)。 例如， 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所利用石墨烯材料集成天線接觸電極與劈裂柵控結(jié)構(gòu)提出了石墨烯本身熱電子操控機(jī)理， 從而實(shí)現(xiàn)室溫下太赫茲波段的高靈敏探測。 該器件具有可調(diào)靈敏度、 較高的轉(zhuǎn)化效率和光電導(dǎo)增益， 響應(yīng)率可達(dá)0.6～6.0 kV·W-1。

1.2 支持實(shí)時(shí)成像的方式： THz面陣成像

THz面陣成像是為了解決光柵掃描等單像素探測周期長的缺點(diǎn)， 獲取更快的圖像探測速度而提出的技術(shù)替代方案。 由于焦平面陣列探測器可以實(shí)現(xiàn)物體的一次成像， 這類系統(tǒng)又被稱為“面陣相機(jī)”。 目前較為成熟的有電荷耦合器件(charge-coupled device， CCD)相機(jī)、 微測熱輻射計(jì)(Microbolometer)相機(jī)以及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor， CMOS)相機(jī)三種類型。

早期的CCD相機(jī)一般不能直接用于THz波段， 它需要將THz圖像調(diào)制成紅外波段的圖像后再進(jìn)行實(shí)時(shí)探測。 1996年， Zhang課題組最早描述了焦平面陣列探測THz波段的創(chuàng)新嘗試。 如圖4所示， 該方法利用透鏡器件將穿過樣本的THz波聚焦到大面積電光晶體上， 并將探測光束擴(kuò)展到充滿整個(gè)非線性晶體。 和傳統(tǒng)的自由空間電光采樣相同， THz光束在晶體中引起瞬態(tài)雙折射， 影響了探測光束(一般是飛秒脈沖)的偏振態(tài)。 由于探測光束在空間上完全覆蓋THz波束， 因此可以將THz圖像編碼到探測脈沖波前的空間變化偏振態(tài)上。 然后， 利用泡克爾斯(Pockels)效應(yīng)將探測脈沖反映的圖像信息轉(zhuǎn)換到光頻范圍， 最后由CCD相機(jī)接收， 形成直觀形象的THz圖像。 其中， CCD相機(jī)和THz光沒有直接的關(guān)系。 并且， 由于一次成像探測時(shí)間較短， 成像速率主要受CCD相機(jī)的響應(yīng)速率制約。 類似的例子還有2008年Zaks等通過上轉(zhuǎn)換方式， 利用CCD相機(jī)探測近紅外輻射， 以此間接獲得THz輻射的分布圖像； 2013年Trichopoulos等利用天線單片和快速異質(zhì)結(jié)集成作為太赫茲波探測單元后獲得了5幀·s-1探測速率； 2011年日本NEC公司將研制出的基于VOx的THz焦平面探測器應(yīng)用于手持式THz相機(jī)， 實(shí)現(xiàn)了4 m成像距離下的人體實(shí)時(shí)被動(dòng)成像的例子。 特別地， 當(dāng)CCD相機(jī)的探測速率達(dá)到視頻速率時(shí)， 可利用這種成像技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體或活體進(jìn)行實(shí)時(shí)成像， 這是目前THz面陣成像最吸引人的應(yīng)用方向之一。 隨著THz探測等技術(shù)的發(fā)展， 以Teracam公司為代表的、 采集速度可達(dá)到50 Hz的THz相機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

圖4 二維實(shí)時(shí)太赫茲活體昆蟲成像[3]

Microbolometer最初作為一種紅外探測器件， 主要通過改變像素點(diǎn)阻抗的方式獲取該處的光波強(qiáng)度。 Microbolometer接收的是7.5～14 μm波長范圍的輻射， 并因其不需要外部冷卻的特點(diǎn)應(yīng)用廣泛。 2005年， 在成像含有刀片的信封時(shí)(輻射源為2.52 THz的氣體激光器)， Microbolometer相機(jī)被發(fā)現(xiàn)在THz波段仍具有較高的靈敏度， 實(shí)驗(yàn)達(dá)到的幀率為60幀·s-1， 每幀的信噪比為13 dB。 自此， 研究人員開展了以Microbolometer相機(jī)為探測器的THz成像實(shí)驗(yàn)。 其中， Oulachgar等為了獲得更高的探測靈敏度， 創(chuàng)造性地在Microbolometer的前端放置了超材料吸收器， 并在0.29～2.4 THz的頻率范圍內(nèi)對(duì)手槍、 包含刀片的皮夾等物品進(jìn)行成像。 事實(shí)上， 雖然Microbolometer等焦平面探測器已經(jīng)具備較為成熟的研究成果， 但因其制作工藝復(fù)雜昂貴， 當(dāng)下僅有NEC等幾家公司具備非制冷焦平面探測器的批量生產(chǎn)能力， 其在THz波段的成像應(yīng)用也僅停留在實(shí)驗(yàn)室演示階段。 目前Microbolometer主要致力于以VOx與多晶硅為材料且在室溫工作的高靈敏探測器的開發(fā)。 由于集成電路設(shè)計(jì)和制作工藝的發(fā)展， CMOS相機(jī)作為一種圖像傳感器逐漸發(fā)展起來。 2012年， Grzyb等初步制作出一個(gè)工作在0.7～1.1 THz范圍內(nèi)的CMOS型THz相機(jī)。 該相機(jī)為32×32像素， 像素間距80 μm， 可實(shí)現(xiàn)的最高探測靈敏度為2.5 μW·pixel-1。 2014年， Yan以單元大小為0.9×0.4 mm2的5×5 CMOS陣列為探測器搭建了THz透射式成像系統(tǒng)， 并在斬波情況下對(duì)樹葉進(jìn)行成像， 實(shí)驗(yàn)最后獲得的圖像分辨率為4 mm。 為了省去外部冷卻環(huán)節(jié)， 2016年Escorcia等使用PN結(jié)探測器和超材料吸收體制作了室溫工作的CMOS型THz相機(jī)。 其中， PN結(jié)和超材料吸收器均采用180 nm CMOS工藝制作而成， 如圖5(a)所示, 探測器的最小等效噪聲為10.4 nW·Hz-1/2， 圖6中是字母“T”透射和反射式成像結(jié)果。

圖5 (a)連接一系列單像素的二極管分布及所制造的THz探測器頂端陣列布局； (b)二極管像素的透視圖[4]

圖6 字母“T”透射式和反射式成像[4]

焦平面陣列探測成像雖然實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)成像， 但是它目前仍存在單次成像面積有限、 價(jià)格昂貴等問題。 此外， 由于實(shí)時(shí)面陣成像對(duì)功率有極高的要求， 一般無法使用普通的固體激光器當(dāng)作照明光源。 因此， 早期一般使用二氧化碳等氣體激光器充作THz源。 但是， 由于氣體激光器不僅體積龐大而且價(jià)格高昂， 該項(xiàng)技術(shù)一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段。 為了實(shí)現(xiàn)面陣成像技術(shù)的商用， 多年來研究人員一直致力于尋找相關(guān)的替代光源。 直到2002年， 量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)的發(fā)明為推廣技術(shù)的研究帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。 美國MIT的Lee等驗(yàn)證了當(dāng)THz-QCL的連續(xù)波輸出功率足夠高時(shí)， 可以使用紅外陣列探測器進(jìn)行成像檢測。 實(shí)驗(yàn)在距離QCL20多米外對(duì)人類拇指指紋和信封內(nèi)的鉛筆字跡進(jìn)行了實(shí)時(shí)成像演示， 有力地推動(dòng)了THz實(shí)時(shí)成像技術(shù)的研究和應(yīng)用。

1.3 實(shí)現(xiàn)亞波長分辨率的方式： 近場成像

為了突破波長相關(guān)的衍射極限， 實(shí)現(xiàn)亞微米甚至納米級(jí)分辨率， 研究人員提出了近場成像方案。 有關(guān)近場成像的設(shè)想最早可以追溯到1928年Synge的10 nm透光孔成像實(shí)驗(yàn)。 該實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)入射光透過孔徑為10 nm的透光孔， 然后將物體放置在孔后10 nm處。 當(dāng)設(shè)置10 nm掃描步長收集光信號(hào)時(shí)， 實(shí)驗(yàn)獲得了極高的空間分辨率。 20世紀(jì)80年代以來, 隨著近場光學(xué)和掃描探針顯微技術(shù)的發(fā)展， 近場成像技術(shù)在微波、 紅外、 可見光等波段收獲了許多成果。 通過借鑒這些波段成熟的原理方法， 研究人員提出了THz波段的近場成像技術(shù)， 主要用于實(shí)現(xiàn)物體表面和亞表面的無損掃描。

當(dāng)物體處在THz近場范圍內(nèi)， 也就是物體距離THz輻射一波長或亞波長尺度時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生傳播場和隱失場兩種電場。 傳播場記錄能流的傳播， 隱失場記錄物體的亞波長信息。 因此， THz近場成像獲得亞波長分辨率的關(guān)鍵在于對(duì)隱失波的捕獲。 和振幅與傳播距離成反比的傳播場不同， 隱失波的振幅隨距離的增加呈指數(shù)級(jí)衰減。 這要求近場成像在未借助轉(zhuǎn)換器件時(shí)， 需要在距離成像物體極近的區(qū)域即近場內(nèi)檢測隱失場。 目前最受矚目的THz近場成像技術(shù)有基于孔徑和基于尖端散射的THz近場成像技術(shù)兩種。

亞波長孔徑是孔徑型THz近場成像技術(shù)的關(guān)鍵器件， 對(duì)隱失波起獲取和耦合轉(zhuǎn)化作用。 根據(jù)孔徑所處位置的不同， 該技術(shù)可以分為近場孔徑照明、 近場孔徑收集兩種模式。 近場孔徑照明是最早用于THz近場成像的方式。 如圖7所示， 實(shí)驗(yàn)時(shí)物體被放置在亞波長孔徑的近場中， THz波受孔徑局域后對(duì)物體進(jìn)行近場照射。 該模式的技術(shù)難題在于實(shí)現(xiàn)THz波的有效增透和有效局域， 通常研究人員用仔細(xì)設(shè)計(jì)亞波長孔徑的思路解決上述問題。 例如， 設(shè)計(jì)能夠引導(dǎo)光通過孔徑的等離子體結(jié)構(gòu)修飾帶孔金屬面板， 有效改善穿孔輻射的耦合； 使用固體浸沒透鏡方法設(shè)計(jì)亞波長介質(zhì)探針， 提高光強(qiáng)； 以及雙金屬耦合探針、 頂端削平的金字塔型探針、 平行平板波導(dǎo)等多種不同物理結(jié)構(gòu)的亞波長孔徑器件。 特別地， 結(jié)合透鏡使用光學(xué)泵浦半導(dǎo)體晶片可以控制光生載流子的移動(dòng)， 產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的移動(dòng)孔徑。 動(dòng)態(tài)孔徑的厚度受半導(dǎo)體對(duì)泵浦光的吸收深度影響， 通常只有幾微米。 該方法的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠規(guī)避因波導(dǎo)效應(yīng)引起的物理孔徑探測帶寬減小問題； 局限在于信號(hào)大小仍受孔徑尺寸的限制， 并且半導(dǎo)體材料引入了較大的噪聲干擾。

圖7 THz近場成像照明模式[5]和收集模式[6]系統(tǒng)示意圖

和近場孔徑照明不同， 近場孔徑收集模式采取的是將探測器集成到亞波長孔徑的近場區(qū)域內(nèi)或者遠(yuǎn)場探測經(jīng)近場微孔轉(zhuǎn)化后的太赫茲波的方式。 例如， 參考文獻(xiàn)[6]就是典型的近場收集模式， 如圖7所示， PCA探測器被放置在矩形孔徑的亞波長距離處， 用以探測指數(shù)衰減的隱失THz場。 這種布置下的空間分辨率由孔徑尺寸確定。 隨后人們?cè)谘芯繄A孔衍射時(shí)發(fā)現(xiàn)透射電場幅度隨孔徑尺寸的三次方減小， 這意味著深亞波長孔徑下的光通量非常小。 為了增強(qiáng)亞波長孔徑的透射， 研究人員將同心周期性凹槽刻在孔徑周圍的金屬基底上[7]。 如圖8所示， 這種靶心結(jié)構(gòu)促使入射THz輻射激發(fā)表面波， 亞波長孔徑中的電場幅度因此增加了20倍。 后續(xù)的優(yōu)化使用蝴蝶結(jié)孔徑[8]代替之前的圓形孔徑， 從而使透射率增加3倍、 分辨率達(dá)到12 μm(λ/17在1.45 THz)。 最近， 研究人員還實(shí)現(xiàn)了將THz光電導(dǎo)天線和近場探針集成到單個(gè)芯片的技術(shù)。 但該技術(shù)存在孔徑探頭距離PCA太近導(dǎo)致GaAs半導(dǎo)體有源層厚度過小的固有問題。 作為天線的關(guān)鍵使能器件， 有源層厚度過小意味著泵浦光束在PCA的GaAs層內(nèi)產(chǎn)生很少的電荷載流子， 從而造成THz檢測的靈敏度降低。 為此， 作者在半導(dǎo)體層和亞波長孔徑之間引入分布式布拉格反射器[9]， 如圖9所示。 事實(shí)證明， 該反射器不僅增強(qiáng)了天線間隙處的泵浦光束光場， 還為樣本和泵浦光束提供了成像光敏材料時(shí)必須具備的光學(xué)隔離。 為了進(jìn)一步提高天線的靈敏度， 參考文獻(xiàn)[10]在天線的有源層附近增加了金納米天線陣列。 此外， 還有一種直接使物體和亞波長檢測器接觸的近場成像方式。 該方式將THz-TDS系統(tǒng)和電光采樣EOS探測器結(jié)合起來使用， 通過物體和探測器晶體部分直接接觸實(shí)現(xiàn)對(duì)近場區(qū)域內(nèi)THz電場的測量， 該技術(shù)又被稱為“直接接觸EOS技術(shù)”。 由于可以支持在可見/紅外頻率范圍內(nèi)工作的相機(jī)， 直接接觸EOS技術(shù)是未來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)近場THz成像的重要可選途徑之一。 目前， 近場孔徑收集模式面臨的技術(shù)難題在于進(jìn)一步解決近場距離控制、 THz波的高效耦合和轉(zhuǎn)化等問題。

圖8 靶心結(jié)構(gòu)的圓形亞波長孔徑[7]以及優(yōu)化后的蝴蝶孔徑[8]

圖9 上部代表在單個(gè)芯片中由分布式布拉格反射器隔開的集成亞波長孔徑/THz-PCA[9]； 下部分是光子結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖及其工作原理和使用等離子體納米陣列增強(qiáng)的集成芯片示意圖[10]

第二種THz近場成像系統(tǒng)， THz輻射聚焦在亞波長金屬尖端上， 該尖端像孔徑一樣在極小的區(qū)域內(nèi)強(qiáng)烈地局域THz輻射。 尖端在接近物體時(shí)， 能夠?qū)⒔鼒鲋泻蜆颖鞠嗷プ饔玫碾[失波耦合轉(zhuǎn)化成傳播波后散射在遠(yuǎn)場中。 由于飛秒激光泵浦半導(dǎo)體材料時(shí)產(chǎn)生的電偶極矩與尖端耦合后會(huì)對(duì)其正下方的局域電場產(chǎn)生調(diào)制影響， 對(duì)該受調(diào)制部分進(jìn)行鎖相檢測能夠有效濾除半導(dǎo)體表面產(chǎn)生的背景噪聲， 因此遠(yuǎn)場探測時(shí)通常要求尖端以固有頻率進(jìn)行機(jī)械調(diào)制并使用鎖相放大器進(jìn)行THz檢測。 和孔徑型成像的分辨率由孔徑尺寸決定的原理相似， 散射型成像的空間分辨率同樣不受瑞利極限的限制， 而是由尖端尺寸決定。

THz尖端散射近場顯微鏡最突出的兩個(gè)實(shí)例是激光太赫茲發(fā)射顯微鏡(laser Terahertz emission microscope， LTEM)和掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope， STM)。 特別是LTEM不是其他光學(xué)頻段或電子學(xué)技術(shù)的改進(jìn)而是一種THz系列特有的亞波長近場成像方法。 該技術(shù)使用飛秒激光脈沖照射樣本， 并搭配常規(guī)光學(xué)器件將光束聚焦到衍射極限。 材料中的電荷載流子被加速后發(fā)射THz脈沖， 探測信號(hào)可以使用常見光電技術(shù)在遠(yuǎn)場進(jìn)行。 在對(duì)樣本實(shí)施光柵掃描后， THz波可以生成包含物體THz響應(yīng)的圖像。 LTEM的空間分辨率由飛秒脈沖光點(diǎn)尺寸決定， 和THz波長無關(guān)。 特別地， 研究人員最近提出了能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)成像的LTEM。 如圖10所示， 該測量系統(tǒng)[11]將飛秒激光脈沖耦合到商用原子力顯微鏡(AFM)金屬探針上， 然后從半導(dǎo)體襯底引發(fā)THz輻射。 由于AFM探針的部分橫向尺寸只有幾十納米， 從而使得成像分辨率(約等于尖端尺寸)也由原來的幾十微米提升到納米量級(jí)。 該實(shí)驗(yàn)最終對(duì)單個(gè)金納米棒進(jìn)行了THz成像， 實(shí)現(xiàn)了20 nm的尖端限制空間分辨率。 隨著LTEM技術(shù)的不斷發(fā)展， 其應(yīng)用也從最初的電路電氣故障檢測推廣到超電流分布的定量評(píng)估、 自發(fā)極化域成像、 太陽能電池評(píng)估、 分子吸附動(dòng)力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中。 掃描隧道顯微鏡是一種基于量子理論隧道效應(yīng)的探測儀器， 主要用于實(shí)現(xiàn)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的探測。 相比于同樣可以觀察和定位單個(gè)原子的原子力顯微鏡， STM具有更高的分辨率。 通常， STM的工作模式分為恒電流和恒高度兩種。 恒電流模式通過一套電子反饋線路控制隧道電流保持恒定， 并使用計(jì)算機(jī)控制探針掃描樣本。 由于探針與樣本的局域高度也保持不變， 針尖將隨著樣本表面的高低起伏作同樣的起伏運(yùn)動(dòng)， 以此完成對(duì)樣本表面三維立體信息的采集。 和恒電流模式不同， 恒高度模式是通過測量探針與樣品表面的隧道電流大小完成表面形貌探測的， 一般用于觀察和定位單個(gè)原子， 測量過程中針尖的絕對(duì)高度保持不變。 有研究人員[12]在不改變STM設(shè)計(jì)的前提下將THz-TDS系統(tǒng)與STM系統(tǒng)耦合， 在原有納米級(jí)空間分辨率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了亞皮秒的時(shí)間分辨率。 系統(tǒng)原理如圖11所示， 超快THz脈沖聚焦在STM探針尖端上， 產(chǎn)生亞皮秒瞬變電壓， 驅(qū)動(dòng)探針上的電子在物體表面的隧道結(jié)處產(chǎn)生隧道電流。 測量電流的空間分辨率由尖端頂點(diǎn)大小決定， 這里為2 nm。 此外， 該實(shí)驗(yàn)還分別測量了InAs納米點(diǎn)樣品(生長在GaAs上)的STM和THz-STM圖像， 如圖12所示， 證明了THz-STM在測量超快載流子動(dòng)力學(xué)方面具有極大的潛力。 最近， 加拿大的Frank A. Hegmann教授研究組在商用超高真空STM的基礎(chǔ)上自主研發(fā)了THz-STM， 以0.3 nm的空間分辨率實(shí)現(xiàn)硅表面單個(gè)原子的成像， 再一次驗(yàn)證太赫茲輔助STM將時(shí)間分辨光譜和成像帶入單個(gè)原子或分子水平的獨(dú)特可能性。 同時(shí)， 該技術(shù)還直接影響了新型硅納米電子學(xué)和在THz頻率工作的原子級(jí)器件的研究開發(fā)等方面的進(jìn)展。

圖10 納米級(jí)LTEM實(shí)驗(yàn)裝置和系統(tǒng)原理圖[11]

圖11 THz-STM系統(tǒng)原理圖[12]

圖12 STM圖像、 THz-STM圖像和光學(xué)激發(fā)前后的示意圖[12]

1.4 亞采樣率成像方式： 壓縮感知成像

壓縮感知(compressed sensing， CS)這一概念最早由Candes， Donoho和Tao正式提出。 它的基本思想是通過自然界信號(hào)固有的稀疏特性， 用遠(yuǎn)低于香農(nóng)采樣定律要求的采樣點(diǎn)數(shù)較為完整地恢復(fù)原信號(hào)， 從而降低設(shè)備采樣和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壓力。 經(jīng)過十多年的推廣應(yīng)用， 壓縮感知已經(jīng)建立了基本完整的理論體系， 并在信號(hào)處理、 物體成像方面取得了不錯(cuò)的成績。 萊斯大學(xué)同年研制出的基于可見光波段的單像素相機(jī)[13]第一次驗(yàn)證了CS理論應(yīng)用于實(shí)際成像的可能性。 他們?cè)O(shè)計(jì)相機(jī)使用電控的數(shù)字微鏡設(shè)備(digital micro-mirror device, DMD)對(duì)可見光進(jìn)行快速調(diào)制。 DMD設(shè)備包括1 024×768個(gè)微鏡單元， 由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)+12°和-12°兩種狀態(tài)的切換。 如圖13所示， 當(dāng)成像物體投影到DMD上時(shí)， 計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成二值矩陣控制微鏡陣列切換角度， 完成可見光的調(diào)制經(jīng)DMD反射后的光輻射由透鏡匯聚到光電二極管， 得到的電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳遞到探測器。 他們對(duì)像素為64×64的大寫字母“R”進(jìn)行成像測試， 采樣1 600次和2 700次的圖像重建結(jié)果如圖14所示。 雖然DMD設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)20 kHz的高速調(diào)制速度， 但是其鏡片單元只適應(yīng)極短的光學(xué)波長， 很難完成THz波段的光束調(diào)制。 為此， 萊斯大學(xué)在2008年提出THz波段的壓縮感知成像方案[14]。 他們?cè)谕该鞯腜CB板上選擇性覆上銅帶， 以此制成一組600張掩模板代替DMD設(shè)備， 成像過程中機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)快速切換掩模板。 實(shí)驗(yàn)對(duì)同樣印在PCB板上、 像素為32×32的漢字“光”進(jìn)行成像， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和圖像重建結(jié)果如圖15所示。 事實(shí)上， 基于CS理論的成像方式很適合THz波段的輻射， 尤其是目前THz系列的單像素探測器比焦平面探測器更加常見。 為了解決上述機(jī)械平臺(tái)切換掩模板時(shí)速度慢、 影響光路準(zhǔn)直等問題， 研究人員提出一種圓盤式掩模裝置[15]。 如圖16所示， 這種旋轉(zhuǎn)盤裝置允許使用電機(jī)旋轉(zhuǎn)盤， 因此實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃詣?dòng)且連續(xù)地進(jìn)行。 后續(xù)的研究在細(xì)節(jié)上對(duì)該圓盤掩模板做了調(diào)整。 首先， 掩模板的材質(zhì)由帶基底的PCB板換成了不銹鋼板[16]， 有效抑制了掩模板對(duì)THz波的不均勻吸收。 其次， 當(dāng)掩模板的像素尺寸和THz波長接近時(shí)， 衍射和散射效應(yīng)明顯而無法忽略不計(jì)。 因此， 將透光孔的直徑由原先的1 mm調(diào)整為2 mm， 形狀也由方形改成圓形， 消除了拐角處的THZ散射， 近一步增強(qiáng)成像質(zhì)量。 如圖15所示， 藍(lán)色的矩形窗口是有效成像窗口， 邊長為30 mm。 圓盤每旋轉(zhuǎn)0.25°切換一個(gè)掩模圖案。 整個(gè)裝置最高可提供1 440幅掩模圖案。 2012年， Busch等設(shè)計(jì)出一種光控型掩模裝置， 并分析了全光控太赫茲成像的可能性。 一年后， David等實(shí)現(xiàn)了全光調(diào)制的THz波CS成像[17]。 該實(shí)驗(yàn)將波長為980 nm的激光10倍擴(kuò)束后覆蓋DMD， 如圖17所示， 并將DMD調(diào)制后的激光圖案投影到P型硅片， 使硅片不同的點(diǎn)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)不同的透射率。 這里利用的是高阻硅的光敏特性： 當(dāng)特定波長的光束照射到硅表面時(shí)會(huì)改變此處的載流子濃度， 該處的輻射透過率也會(huì)隨之改變。 同時(shí)， 另一條光路用THz波照射樣本， 并將樣本反射的波束引導(dǎo)到硅片。 由于硅片的空間調(diào)制作用， 只有部分?jǐn)y帶物體信息的THz輻射透過硅片， 并被THz波探測器捕捉。 在包括硅片響應(yīng)圖案切換等時(shí)間延遲后， 系統(tǒng)最終的調(diào)制速度約為31 Hz。 由于載流子壽命約為25 μs， 則理論上全光調(diào)制方案中的切換掩模矩陣速度可達(dá)10 kHz。 又因?yàn)镈MD能夠?qū)崿F(xiàn)20 kHz以上的調(diào)制速度， 那么在優(yōu)化控制系統(tǒng)之后有望實(shí)現(xiàn)10 kHz的調(diào)制速度。 綜上所述， 全光調(diào)制的CS成像方案在實(shí)時(shí)成像方面具有極大的潛力。 同時(shí)， 這種計(jì)算成像的方式對(duì)空間光調(diào)制器(spatial light modulator， SLM)的調(diào)制深度和速度提出了更高的要求。 2009年， Chan等第一次嘗試使用超材料制作SLM器件， 他們提出的4×4的電控的調(diào)制陣列在0.36 THz處取得了35%～50%的調(diào)制深度。 隨后， Watts等在2014年首次將超材料SLM應(yīng)用到THz壓縮感知成像中[18]。 并且， 該實(shí)驗(yàn)利用超材料相位調(diào)制的特性， 在以往0和1二值掩模矩陣中引入-1數(shù)值的調(diào)制效果， 如圖18所示， 進(jìn)一步增強(qiáng)了調(diào)制深度。 其中圖18(b)是在不同調(diào)制矩陣下的成像結(jié)果， 單次掩模調(diào)制的時(shí)間為22.4 ms， 重建8×8像素圖像需要1.43 s。 目前， 有關(guān)SLM的研究集中在超材料和新結(jié)構(gòu)方面。 與此同時(shí)， 壓縮感知中信號(hào)稀疏、 測量矩陣構(gòu)建以及信號(hào)重構(gòu)三個(gè)部分的相關(guān)算法也在不斷改進(jìn)中。 最常使用的信號(hào)稀疏變換有離散余弦變換(DCT)、 小波變換(WT)和哈達(dá)瑪變換(Hadamard)三種。 離散余弦變換由于具有將信號(hào)能量集中在低頻區(qū)域的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于聲音和圖形的壓縮應(yīng)用； 小波變換可實(shí)現(xiàn)高頻處的時(shí)間細(xì)分以及低頻處的頻率細(xì)分， 一般更多用于信號(hào)分析領(lǐng)域； 哈達(dá)瑪變換產(chǎn)生的對(duì)稱正交矩陣減輕了存儲(chǔ)空間和計(jì)算量的負(fù)擔(dān)， 對(duì)圖像的壓縮應(yīng)用效果顯著。 與此同時(shí)， 測量矩陣通常要求和信號(hào)稀疏的基底矩陣滿足不相關(guān)性。 其中， 高斯矩陣由于和大多數(shù)稀疏矩陣都不相關(guān)， 因而常被選作測量矩陣。 常用的信號(hào)重構(gòu)算法大致分為三種： 匹配追蹤算法、 L1最小化算法和最小全變分法(TVAL3)。 其中， TVAL3算法源自于求解極值的變分正則化模型， 支持多種測量矩陣和約束條件。 變分正則化模型作為函數(shù)中一種求解極值的有效方法， 在引入增強(qiáng)型拉格朗日函數(shù)和交替變換求解方式后， 使得TVAL3算法的速度和靈活度顯著提高。 有研究學(xué)者[19]在原先TVAL3算法的模型基礎(chǔ)上增加了相位平滑約束條件， 使得重構(gòu)的相位圖像更接近原信號(hào)， 并在不同厚度的區(qū)域交界處更平滑。

圖13 萊斯大學(xué)單像素相機(jī)組成結(jié)構(gòu)示意圖[13]

圖14 成像物體大寫字母“R”及其在1 600次和2 700次采樣下的恢復(fù)圖像[13]

圖15 THz壓縮感知成像系統(tǒng)、 成像物體“光”及其在300次和600次采樣下的恢復(fù)圖像[14]

圖16 允許電機(jī)連續(xù)切換的旋轉(zhuǎn)盤掩模裝置[15]和改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖像[16]

圖17 全光調(diào)制的THz波CS成像光路圖[17]

圖18 基于超材料的THz波壓縮感知成像示意圖(a)和成像結(jié)果對(duì)比圖(b)[18]

2 總結(jié)與展望

本文介紹了THz-TDS成像、 THz面陣成像、 近場成像和壓縮感知成像這四種THz波成像類型， 并在每個(gè)部分分別介紹了該成像方式對(duì)應(yīng)的原理和發(fā)展歷程。 實(shí)際上， 這四種成像方式各自具備獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)， 它們相輔相成共同推動(dòng)著THz成像的發(fā)展。 當(dāng)下由于材料和科技的進(jìn)步， 涌現(xiàn)出了更多性能優(yōu)良的太赫茲輻射源和探測器。 相信在未來的發(fā)展中， THz成像這一技術(shù)會(huì)迎來更多突破性成果。