太赫茲成像技術(shù)可以捕捉微觀世界的3D圖像

拉夫堡大學的科學家首次證明太赫茲波相機可以捕獲隱藏在小物體內(nèi)的微觀物體（um尺度）的3D圖像。首席研究員Luana Olivieri博士表示，盡管該研究還處于早期階段，但該團隊的最新研究可能“對癌癥篩查、安全和材料研究相關(guān)的一系列領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響”。

這項研究是與Marco Peccianti教授，Luke Peters博士，Juan S. Totero博士和新興光子學研究中心（EPicX）的專家團隊合作進行的，表明太赫茲波可用于定位和識別微觀三維空間中的嵌入式物體和特征，例如裂縫和氣泡。該研究已發(fā)表在ACS Photonics雜志上。

太赫茲波是電磁頻譜中尚未完全探索的一部分，其頻率介于微波和紅外光之間。它們具有多種特性，例如它們能夠穿透不透明物體而不會造成損傷，實現(xiàn)無損穿透成像。然而，太赫茲成像領(lǐng)域的主要問題之一是觀察微觀物體的能力有限，無論太赫茲光譜有多大，相對較長的太赫茲波長意味著物體的任何亞毫米特征對于標準的衍射極限成像方法幾乎是不可見的。

太赫茲電磁波范圍

Olivieri博士和EPicX團隊通過開發(fā)一種稱為“時間分辨非線性鬼影成像”的獨特方法克服了這一限制，該方法結(jié)合了一系列先進的檢測方法，涉及操縱光并測量它如何隨著時間的推移穿過物體。他們的方法可以更清楚地看到較小的物體，盡管到目前為止，它只被證明適用于2D物體。

他們通過光學整流在1毫米厚的碲化鋅（ZnTe）中產(chǎn)生寬帶太赫茲脈沖，用來自波長λ = 1nm的100 kHz，800 fs級再生源的超快脈沖照亮晶體。數(shù)字微鏡陣列器件（DMD）用于對光源進行空間結(jié)構(gòu)，并將光學圖案的微米特征印在生成的太赫茲場中。由此產(chǎn)生的太赫茲場分布具有深亞波長空間結(jié)構(gòu)，通過將樣品與生成晶體直接靠近（即接觸）來與樣品進行近場耦合。物體散射場的空間平均值在傅里葉平面的中心被檢測到，這是通過窄數(shù)值孔徑光學系統(tǒng)獲得的。該場通過非線性電光采樣器（TDS）及時收集，并與標準鬼影成像方法相關(guān)聯(lián)，獲得完整的時空函數(shù)。

通過TNGI方法進行3D高光譜成像的概念概述：

（a）TNGI成像采集的概念說明。一系列光學圖案被非線性（NL）轉(zhuǎn)換為亞波長太赫茲結(jié)構(gòu)場，從而照亮物體。通過單元素TDS檢測收集時間分辨平均散射場。在存在具有復雜3D結(jié)構(gòu)的樣品的情況下，TNGI重建更接近源的成像平面，而無需對時空數(shù)據(jù)進行任何后處理。

（b）基于逆向傳播器技術(shù)的體積重建。高光譜數(shù)據(jù)中編碼的信息通過逆?zhèn)鞑ニ阕覹（x，y，z）進行分析=(zD，t)充當虛擬重新聚焦工具。因此，位于樣品不同深度z處的體積特征（對應于與源平面的不同距離）以高保真度恢復。

在他們最新的研究中，研究人員證明該技術(shù)可以通過用太赫茲輻射探測3mm× 4mm×4um立方體來捕獲微觀物體的圖像。研究人員的成像技術(shù)使他們能夠分離和區(qū)分來自不同深度的信息，并以非常高的精度創(chuàng)建立方體的詳細3D圖像 - 使他們能夠以以前不可能的方式觀察其中物體的化學和物理性質(zhì)。

Olivieri博士和團隊能夠看到隱藏在小至60um的立方體內(nèi)部的特征，這大約是人類頭發(fā)的寬度。雖然它看起來不是很小，但通常太赫茲波只能識別大約300um或更大的物體，這就是太赫茲以前被排除在顯微鏡之外的原因。

左上：嵌入物體的立方體的攝影圖像。彈出圖像是一個圖形草圖，顯示了由塑料、糖和 PTFE（一種合成聚合物）制成且嵌入不同深度的物體。

右上：顯示太赫茲波穿過立方體的 3D 圖形草圖。

下圖：太赫茲波相機拍攝的真實圖像，圖像顯示嵌入立方體中的物體在不同深度被檢測到。

“這種新方法之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因為它使我們能夠看到太小或太模糊而無法達到傳統(tǒng)方法的東西，”奧利維耶里博士談到這項研究的重要性時說：

“閱讀光如何穿過物體的故事通常是一項復雜的任務(wù)，但通過這個過程，我們可以檢索加密的信息，解開多維數(shù)據(jù)，以揭示微觀尺度上的隱藏和'不可見'物體。

“最重要的是，太赫茲使我們能夠看穿可見光不透明的物體并產(chǎn)生3D圖像?！北说盟共┦垦a充說：

“在醫(yī)學上，太赫茲成像可用于檢測和診斷肉眼不可見的皮膚癌。

“在安全方面，它可以用來掃描人們是否有隱藏的武器或爆炸物，而無需物理拍打或侵入性搜查。

“在材料科學中，太赫茲成像可用于研究新材料的特性，并識別可能影響其性能的缺陷或雜質(zhì)。

“我們的工作使我們能夠?qū)⑦@些功能擴展到微觀領(lǐng)域，這有助于太赫茲技術(shù)的應用推廣，不局限于宏觀尺度的無損檢測應用。”

EPicX主任Peccianti教授評論說：“這項工作是作為拉夫堡大學新興光子學研究中心的一部分開發(fā)的，該中心的范圍是圍繞重大技術(shù)經(jīng)濟和社會挑戰(zhàn)召集關(guān)鍵核心科學家，并通過光子學和太赫茲技術(shù)來應對它們?！?/p>

參考引用：[1] Luana Olivieri et al, Terahertz Nonlinear Ghost Imaging via Plane Decomposition: Toward Near-Field Micro-Volumetry, ACS Photonics (2023).

虹科太赫茲成像方案

虹科方案

HONGKE

虹科提供多種不同頻段，不同分辨率的太赫茲成像方案，可用于實驗室和工業(yè)的無損檢測。

Solutions

01

虹科TeraScan 100亞太赫茲雷達

基于 FMCW 雷達技術(shù)的深度 3D 亞太赫茲掃描儀，完整成像方案；

120G的輸出波段能夠有效穿透巖石類樣品，實現(xiàn)對樣品內(nèi)部的檢測；x-y-z 機動平移臺上，可掃描 300x300mm 的大樣本，非常適合建筑墻體材料的采樣研究；結(jié)合定制設(shè)計的可互換光學元件，能夠提供 1.8mm 的空間分辨率；

內(nèi)部開發(fā)的雷達信號處理算法在 100 ms 的單次測量中允許超過 60 dB 的動態(tài)范圍，實現(xiàn)對巖石類樣品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各類形貌信息。

02

虹科TeraEyes-HV太赫茲成像系統(tǒng)

多功能、實時太赫茲成像系統(tǒng)，適用于全場高分辨率應用；

基于量子級聯(lián)激光器原理的高頻段（2~5THz）太赫茲源TC2000結(jié)合太赫茲相機的完整成像系統(tǒng)，具有250um的最優(yōu)分辨率，實現(xiàn)生物組織細節(jié)的高分辨探測；

太赫茲相機每秒采集50幀圖像，可實現(xiàn)生物組織的實時穿透成像，查看其內(nèi)部情況，并最終可實現(xiàn)三維重建效果；

可根據(jù)實驗情況選擇反射/透射成像模式，照明面積編程可調(diào)，滿足許多潛在的太赫茲探測需求。

03

虹科TeraCascade100太赫茲源

基于量子級聯(lián)激光技術(shù)的高頻太赫茲源；

單頻率連續(xù)波輸出，功率達百微瓦，采用液氮制冷，是具有成本效益的QCL源，可實現(xiàn)相關(guān)太赫茲成像的研究。

04

虹科亞太赫茲多功能雷達

基于GaAs肖特基二極管倍頻器原理的FMCW雷達；

150G的輸出波段對巖石類材料具有優(yōu)異的穿透性，實驗測試可穿透厚度為10cm的混凝土樣品；

FMCW技術(shù)原理能夠采集深度信息，能夠獲得巖石不同深度位置的裂縫、孔隙等形貌信息，空間分辨率2mm；

具有厚度測量與材料識別功能；緊湊單體結(jié)構(gòu)，可集成機械臂，適合實驗室、現(xiàn)場檢測等多種應用環(huán)境。