迈拉太赫兹分束器

无损评估、生物医学诊断和安全筛查等诸多令人兴奋的太赫兹（THz）成像应用，由于成像系统的光栅扫描要求导致其成像速度非常慢，因此在实际应用中一直受到限制。然而，太赫兹成像系统的最新进展极大地提高了成像通量（imaging throughput），并使实验室中的太赫兹技术更加接近现实应用。据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学洛杉矶分校（University of California Los Angeles，UCLA）的科研团队在Light: Science & Applications期刊上发表了以“High-throughput terahertz imaging: progress and challenges”为主题的综述论文。该论文第一作者为Xurong Li，通讯作者为Mona Jarrahi。该论文主要从硬件和计算成像两个角度回顾了太赫兹成像技术的发展。首先，研究人员介绍并比较了使用热探测、光子探测和场探测的图像传感器阵列实现频域成像与时域成像时的各类硬件。随后，研究人员讨论了利用不同成像硬件和计算成像算法实现高通量捕获飞行时间（ToF）、光谱、相位和强度图像数据的方法。最后，研究人员简要介绍了高通量太赫兹成像系统的未来发展前景和面临的挑战。基于图像传感器阵列的太赫兹成像系统（硬件方面）然而，并非所有类型的图像传感器都能够扩展到大型阵列，但这是高通量成像的关键要求。这部分内容重点介绍了基于各类图像传感器阵列的高通量太赫兹成像系统。这些太赫兹成像系统的性能主要通过空间带宽积（SBP）、灵敏度、动态范围以及成像速度等指标在其工作频率范围内进行量化。太赫兹频域成像系统在热探测太赫兹成像仪中，微测辐射热计是最广泛使用的图像传感器之一，它将接收到的太赫兹辐射所引起的温度变化转化为热敏电阻材料的电导率变化。氧化钒（VOx）和非晶硅（α-Si）是室温微测辐射热计最常用的热敏电阻材料。使用微测辐射热计图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2a所示。热释电探测器是另一类热成像传感器，它将接收到的太赫兹辐射所引起的温度变化转化为能以电子方式感测的热释电晶体的极化变化。图1 目前最先进的频域太赫兹图像传感器的性能对比图2 基于图像传感器阵列的太赫兹频域成像系统示例对于室温太赫兹成像，场效应晶体管（FET）图像传感器是微测辐射热计图像传感器的主要竞争对手。FET图像传感器的主要优势之一是具有出色的可扩展性。与室温微测辐射热计图像传感器相比，FET图像传感器通常工作在较低的太赫兹频率下，其灵敏度也较低。然而，由于无需热探测过程，FET图像传感器可以提供更高的成像速度。使用FET图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2b所示。光子探测器作为可见光成像仪中最主要的图像传感器，在太赫兹成像中也发挥着至关重要的作用。除低温制冷要求外，太赫兹光子探测器还有另外两方面的限制：工作频率限制（高于1.5 THz）以及可扩展性限制（难以实现高像素的探测器阵列）。使用光子探测图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2c所示。另外，可以利用量子点或激光激发的原子蒸汽将从成像物体接收到的太赫兹光子转换为可见光子，并且可以利用光学相机在室温下实现对大量像素的高通量成像。然而，太赫兹到可见光的光子转换过程需要复杂且笨重的装置来实现。与光子成像仪相比，超导太赫兹成像仪可以提供同等水平甚至更高的灵敏度。同时，它们具有更好的可扩展性，并且能够在较低的太赫兹频段工作。超导成像仪主要有四种类型：过渡边缘传感器（TES）、动态电感探测器（KID）、动态电感测辐射热计（KIB）和量子电容探测器（QCD）。使用超导图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2d所示。到目前为止，所讨论的频率域太赫兹成像仪均是进行非相干成像，并且仅能解析被成像物体的强度响应。相干太赫兹成像可使用外差探测方案来解析成像物体的振幅和相位响应。通过将接收到的来自成像物体的辐射与本振（LO）波束混合，并将太赫兹频率下转换为射频（RF）中频（IF），可将高性能射频电子器件用于相干信号探测。超导体-绝缘体-超导体（SIS）、热电子测辐射热计（HEB）、肖特基二极管、FET混频器和光电混频器可用于太赫兹到射频的频率下转换。由于外差探测架构的复杂性，所展示的相干太赫兹成像仪灵敏度被限制在数十个像素。太赫兹时域成像系统基于时域光谱（TDS）的太赫兹脉冲成像仪是另一种相干成像仪，它不仅能提供被成像物体的振幅和相位信息，还能提供被成像物体的超快时间和光谱信息。THz-TDS成像系统使用光导天线或非线性光学操纵在泵浦探针成像装置中产生和探测太赫兹波（如图3）。图3 太赫兹时域成像系统示意图：（a）太赫兹光电导天线阵列成像；（b）太赫兹电光取样成像。传统的THz-TDS成像系统通常是单像素的，并且需要光栅扫描来获取图像数据；而为了解决单像素THz-TDS成像系统成像速度慢、体积庞大又复杂的问题，基于电光效应和光导效应的图像传感器阵列已被采用。图4a为使用光学相机的电光采样技术捕获太赫兹图像的示例。基于电光采样的无光栅扫描THz-TDS成像系统既可用于远场太赫兹成像，也可用于近场太赫兹成像（如图4b）。无光栅扫描THz-TDS成像的另一种方法是使用光导图像传感器阵列（如图4c）。基于光导效应和电光效应图像传感器的无光栅扫描THz-TDS成像系统能够同时采集所有像素的数据。然而，时域扫描所需的光学延迟阶段的特性对整体成像速度造成了另一个限制。图4 基于电光效应和光导效应的图像传感器阵列的太赫兹时域成像系统示例研究人员对基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性进行了分析，如图5所示。频域成像系统只能解析被成像物体在单一频率或宽频率范围的振幅响应，无法获得超快时间和多光谱信息；但同时，它们配置灵活，可以使用不同类型的太赫兹光源，以实现主动和被动太赫兹成像。时域成像系统则既可以解析被成像物体的振幅和相位响应，也可以解析超快时间和多光谱信息；然而，它们只能用于主动太赫兹成像，并且需要带有可变光学延迟线的泵浦探针成像装置，从而增加了成像硬件的尺寸、成本和复杂性。图5 基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性分析虽然太赫兹成像系统的功能通常由上述原理决定，但可以通过修改其运行架构，以实现新的和/或增强功能。太赫兹光谱各类成像方案如图6所示。图6 太赫兹光谱各类成像方案太赫兹计算成像这部分内容主要介绍了各类计算成像方法，这些方法不仅提供了更多的成像功能，而且减轻了由太赫兹成像带来的对高通量操作的限制（放宽了对高通量太赫兹成像硬件的要求）。太赫兹数字全息成像全息成像允许从与物体和参考物相互作用的两光束的干涉图中提取目标信息。太赫兹全息成像系统利用离轴或同轴干涉。与利用THz-TDS成像系统进行相位成像相比，太赫兹数字全息成像无需基于飞秒激光装置并且更具成本效益。对太赫兹辐射源和图像传感器阵列的选择也更加灵活，可以根据工作频率进行优化。然而，太赫兹数字全息成像对成像物体有着更多限制，并且在对多层次和/或高损耗对象成像时受到限制。基于空间场景编码的太赫兹单像素成像与使用太赫兹图像传感器阵列直接捕获图像相比，太赫兹单像素传感器可以通过利用已知空间模式序列来顺序测量并记录空间调制场景的太赫兹响应，从而重建物体的图像。与用于频域和时域成像系统的太赫兹图像传感器阵列相比，该成像方案得益于大多数太赫兹单像素传感器的优越性能（如信噪比、动态范围、工作带宽）。图7总结了太赫兹单像素成像系统的发展。值得一提的是，压缩感知算法不仅适用于单像素成像，也可用于提高多像素图像传感器阵列的成像通量。图7 基于空间波束编码的太赫兹单像素成像系统的发展基于衍射编码的太赫兹计算成像到目前为止，本文介绍的太赫兹成像系统遵循的范式主要依赖于基于计算机的数字处理来重建所需图像。然而，基于数字处理的重建并非没有局限性。为了解决的其中一些挑战，最佳策略可以是为特定任务的光学编码设计光学前端，并使其能够接管通常由数字后端处理的一些计算任务。近期，一种新型光学信息处理架构正兴起，它以级联的方式结合了多个可优化的衍射层；这些衍射表面一旦优化，就可以利用光与物质相互作用，在输入和输出视场之间共同执行复杂的功能，如图8所示。近年来，衍射深度神经网络技术（D²NN）在太赫兹成像方面有着非常广泛的应用，例如图像分类，抗干扰成像，以及相位成像。图8 基于衍射深度神经网络（D²NN）的太赫兹计算成像系统示意图总结与展望综上所述，高通量太赫兹成像系统将通过深耕成像硬件和计算成像算法而持续发展，目标是具有更大带宽、更高灵敏度和更大动态范围的超高通量成像系统，同时还能为特定应用定制成像功能。太赫兹计算成像技术有望与量子探测、压缩成像、深度学习等技术相结合，为太赫兹成像提供更多的功能及更广泛的应用。研究人员坚信太赫兹成像科学与技术将蓬勃发展，未来太赫兹成像系统不仅会大规模应用于科学实验室和工业环境中，而且还将在日常生活中显著增长。这项研究获得了美国能源部资金（DE-SC0016925）的资助和支持。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01278-0

太赫兹技术属于一种新型无损检测技术，能够对某些组件及表面进行无损测试分析。但是这种检测装置，尤其是传感器探头，不仅价格昂贵，而且相当笨重。　　现在，来自于德国弗劳恩霍夫协会的研究人员已经成功研制出一种非常紧凑、简单的传感器探头，其成本也因此变得更低，装置操作也变得更加容易。他们设计的第一种传感器探头原型已经被用于在塑料管的生产线上检测管壁的厚度。此外，这种装置还非常适用于分析纤维复合材料上的涂层等。　　这种新型传感器探头将会于2016年4月25至29日在德国汉诺威工业博览会上进行展出。　　十多年以前，当人们谈论最多的还都是人体扫描仪的时候，太赫兹技术就被视为“下一个大事件”。科学家们希望利用太赫兹辐射技术研发出一种能够用于材料测试与分析方面的测量体系 虽然人们对于太赫兹技术一直都抱有很大的期望，但太赫兹技术并没有取得人们所期待的进展。与传统的无损检测技术相比，例如X射线检测、超声检测等，太赫兹技术成本太高，装置笨重、不灵活。　　搭配新型传感器探头的测量体系　　现在，德国柏林的弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究所在太赫兹技术方面取得了一项巨大的进步。由该研究所里Thorsten G?bel领导的太赫兹技术研究小组已经成功的研制出了首例标准太赫兹设备，而且成本更低，操作更为简便。　　弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究所激发太赫兹辐射的原理是基于一种光电方法 通过使用一种特殊的半导体，激光脉冲被转换成太赫兹电脉冲。而以前太赫兹技术一直没有取得实质性成功的原因主要就在于这种特殊半导体需要具备一些特殊的性质。　　“我们研制出了一种半导体材料，能够被波长为1.5微米左右的激光刺激，” G?bel说道：“在光通信领域中，这是一种标准波长，这也是为什么市场上有那么多廉价但高质量的光学组件和激光器”。　　但是，要研制出一种能够用于材料测试方面，且成本较低、操作便利的太赫兹体系仍然存在一个大障碍——迄今为止，用于扫描待测试组件的传感器探头太大而且非常笨重，并不便于使用。原因是太赫兹发射器和接收器是两个独立的组件，必须要精确的安装在套管里。这种排列的主要缺点在于测试样品只能在一个角度上进行测量。因此，测试对象必须准确的位于接收器和发射器的焦点上，这样经样品由发射器发出的太赫兹信号才会显示在接收器上。如果传感器探头和样品之间的距离发生了变化，例如发生轻微震动等，测量都会变得更加困难。　　如今，研究人员制造了一个能够同时发射和接收信号的集成芯片，这使得操作距离可以更加灵活。人们将发射器和接收器“打包”成一个收发器，并置于一个直径只有25毫米，长度只有35毫米的简易传感器探头内部。　　研究人员将太赫兹辐射中的发射单元与接收单元“打包”置于一个直径只有25毫米，长度只有35毫米的简易传感器探头内部　　塑料管的壁厚检测　　这种太赫兹传感器体系目前已经被一些制造厂商用于塑料管材的生产监测，这些传感器能够直接在生产线上检测塑料管壁的厚度 这项检测在生产过程中也是非常重要的，管壁太薄，塑料管就会变得非常不稳定 管壁太厚，无疑会浪费许多宝贵的原材料。　　直到现在，塑料管生产线上一般都是采用超声检测体系。但超声检测不能准确的在空气中进行测量，通常需要用到水等耦合剂来起到超声传感器探头和塑料管材之间的耦合介质作用。正是由于这个原因，接近250℃的塑料管材必须通过水箱，才能完成检测。此外，超声检测技术并不能有效检测由不同材料层构成的所谓的智能管材。　　纤维增强复合材料上的涂层检测　　这种新型太赫兹传感器探头的另一个应用是验证纤维增强复合材料上的油漆以及涂料等。　　人们能够利用涡流检测技术对一些金属基材料进行检测，例如在汽车行业中对金属薄片进行检测 但是涡流检测技术并不适用于导电性不好的纤维复合材料。“因此，随着复合材料在汽车、航空、航天以及能源等领域内的应用越来越广泛，人们迫切的需要一种可靠的检测方法”，G?bel说道，而这种新型太赫兹传感器探头可以解决这个问题。　　虽然这种新型的太赫兹传感器体系来自于廉价的标准光学元件，可它目前的价格仍然高于一些超声检测装置，但是，G?bel预测，在不久的将来，随着逐步批量生产，其价格肯定会大幅降低。考虑到这种检测方法的优势及其目前的研究进展，G?bel相信太赫兹技术在未来几年将会取得更多的成功，很快成为一种成熟的无损检测手段。译自：sciencedaily

p 近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心研究团队利用太赫兹光谱技术研究液体环境中两亲性化合物与水相互作用规律，阶段性研究成果以" Determination of Critical Micelle Concentrations of Surfactants by Terahertz Time-Domain Spectroscopy " 为题在《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》期刊上发表(DOI: 10.1109/TTHZ.2016.2575450)。/pp　　研究团队以典型两亲性分子为研究对象，利用太赫兹光谱技术分析了表面活性剂分子从单体到胶束变化过程中分子水化层的变化规律：低于临界胶束浓度(CMC)时，溶液太赫兹吸收系数与浓度负相关 高于CMC，溶液太赫兹吸收系数与浓度正相关，并据此提出了一种利用太赫兹光谱技术无标记检测表面活性剂临界胶束浓度(CMC)的方法。在酸溶液环境中，H3O+的增多使得液体环境中水合网络增强而提高了溶液的吸收系数，离子型表面活性剂CMC降低而非离子型表面活性剂CMC升高表明不同两亲性分子与水分子相互作用具有差异。/pp　　生物分子与水相互作用的能级处于太赫兹波段，在此频率范围内表现出较强的吸收和谐振，太赫兹光谱包含其他电磁波段无法探测到的信息是理解生命活动基本物理化学过程的重要基础资料，利用太赫兹光谱获得生物分子信息成为了目前学术界的热点问题。脂类作为天然两亲性物质，是构成了细胞膜系统的主要物质，是所有细胞的重要做成部分，继续利用太赫兹光谱技术研究天然两亲性化合物将为深入理解细胞膜结构的动态变化规律提供理论基础。/pp a href="http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?reload=true& tp=& arnumber=7497010& url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D7497010" target="_blank" title=""文章链接/a/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201607/insimg/0852a761-68ae-4df9-9765-f3d38f33fbea.jpg" title="W020160728625552060807.png"//pp style="text-align: center "太赫兹光谱技术检测/p