1、引言

太赫茲（THz）波在物體成像、環境監測、醫療診斷、射電天文、寬帶移動通信方面具有重大的科學價值和廣闊的應用前景，很多在可見光和紅外波段不透明的材料，太赫茲波都可以穿透。太赫茲成像技術可分為相干成像和非相干成像。相干成像包括時域光譜成像、電光取樣成像、層析成像等;非相干成像主要是連續波成像。最早出現的是脈沖太赫茲波成像，在質量檢測、法醫鑒定、生物醫學等領域有應用價值。2000年，第一套商用脈沖太赫茲波成像系統面世。2003年，倫斯勒大學太赫茲研究中心的謝旭等受美國航空航天局（NASA）的委托，對用于航天飛機的絕緣泡沫材料可能存在的缺陷和損傷進行檢測，開發出太赫茲連續波成像系統，它主要應用于環境監測、醫療診斷、無損探傷、安全檢測等方面。

2、脈沖太赫茲波成像

脈沖太赫茲波成像的基本原理是：透過成像樣品（或從樣品反射）的太赫茲電磁波的強度和相位包含了樣品復介電函數的空間分布信息。將透射太赫茲電磁波的強度和相位的二維信息記錄下來，并經過適當的處理和分析，就能得到樣品的太赫茲圖像。

2.1、實驗系統

實驗采用的是太赫茲透射型脈沖成像系統，其系統光路如圖1所示。主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產生裝置、太赫茲輻射探測裝置和時間延遲控制系統組成。此系統使用的飛秒激光器是由光譜物理公司生產的自鎖?？烧{諧式鈦藍寶石激光器，其產生的飛秒激光脈沖中心波長為800nm，重復頻率為82MHz，脈寬為100fs，輸出功率為1043mW。太赫茲脈沖產生和探測的裝置分別是〈100〉晶向的InAs晶體和〈110〉晶向的ZnTe晶體。鈦藍寶石產生的飛秒激光脈沖經分束棱鏡（PBS）分為兩束，一束作為產生太赫茲脈沖的抽運光，另一束作為探測太赫茲脈沖的探測光。抽運光經過頻率為1.1kHz的斬波器調制，通過時間延遲線（stage）入射到透鏡L1，經透鏡聚焦以45°入射角照射在〈100〉-InAs晶體表面上，發生丹倍效應，即抽運光激發InAs晶體表面耗盡層載流子的躍遷，從而輻射出太赫茲脈沖。

接著產生的太赫茲脈沖經兩對表面鍍金的離軸拋物面鏡準直和聚焦，通過一個高阻硅片，聚焦在〈110〉-ZnTe晶體上。另一束激光脈沖-探測光經過一系列的反射鏡、透鏡L2和偏振片與太赫茲脈沖同時聚焦在〈110〉-ZnTe晶體的同一位置，此時ZnTe晶體中發生電光效應，即太赫茲輻射電場調制ZnTe晶體的折射率橢球，導致通過電光晶體的探測光偏振態發生變化，從而反映出太赫茲輻射電場的大小及變化。偏振態被調制的探測光經過λ/4波片（QWP）和透鏡L3聚焦到渥拉斯頓棱鏡（Wollastomprism，WP），探測光被其分為偏振方向互相垂直的兩個分量，被差分探測器-光電二極管探測，得到的分量差分信號經鎖相放大器解調后輸入計算機得到最終的太赫茲脈沖時域信息。

利用這個裝置探測到的有效譜寬為0.2～2.6THz，頻譜分辨率為50GHz，信噪比為600。實驗中把樣品放置在能量較高的離軸拋物面鏡PM2焦點處，M1～M14是反射鏡，A1～A4是光闌，HWP是半波片（halfwaveplate）。

2.2、成像過程及分析

太赫茲波被聚焦元件聚焦到樣品的某一點上，收集元件將透過樣品（或從樣品反射）的太赫茲波收集后聚焦到太赫茲波探測元件上，太赫茲波探測元件將含有位置信息的太赫茲信號轉化為相應的電信號。圖像處理單元將此信號轉換為圖像。

太赫茲時域光譜成像技術與一般的強度成像不同，它包含很大的信息量。每一個成像點對應一個時域波形，可以從時域譜或者其傅里葉變換譜中選擇任意某個數據點的振幅或相位進行成像，從而重構樣品的空間密度分布、折射率和厚度分布。根據對時域或頻域中不同物理量的選取，太赫茲波成像可以表達成各種形式，不同表達方式可以解釋樣品的不同特征，以便提供更多、更精確的樣品信息。

時域模式都是在太赫茲波電場的時域波形中提取出反映樣品信息的數據進行成像的。大體可以分為兩類：1）振幅成像，主要反映了樣品的厚度和吸收特性;2）相位成像，主要反映了樣品厚度及其折射率信息。任一時域信息的變化，都是樣品對頻域中所有頻率成分影響的綜合反映，是一個平均的效果。這一特點決定了采用時域信息進行成像通常都有較好的成像效果，不同成像方法之間像質差別也比較小。

頻域模式都是在太赫茲電場的頻域波譜中提取出反映樣品信息的數據進行成像的。針對頻譜中某一特定頻率所對應的振幅、功率、相位、吸收系數或折射率，反映的是樣品在不同頻率下光學性質所存在的差異，所得圖像的對比度變化明顯。由于太赫茲波的光譜寬度在2.0THz以上，其高頻分量具有更短的波長，從而可獲得更高的空間分辨率。同時，不同頻率下的成像方法也提供了新的研究方向，即太赫茲波多光譜成像及其識別技術。

3、連續波太赫茲成像

連續波太赫茲成像的原理：連續波源提供比脈沖源更高的輻射強度，其實質是一種強度成像。在對物體成像時，根據物體內部的缺陷或損傷的邊緣對太赫茲光的散射效應，從而會影響太赫茲波電磁場的強度分布，反映到物體的太赫茲波圖像上顯示為明暗即強度的不同，據此可推出物體內部的形狀、缺陷或損傷位置。

3.1、實驗系統

0.2THz的連續波成像實驗裝置利用耿氏［19］二極管振蕩器作為輻射源，無偏置肖特基二極管作為探測器，可采取透射或反射式成像方案。反射式成像具有較好的系統配置，如圖2所示。系統主要包含5個部分：太赫茲單元、二維平移臺、電路控制板、電源（內含變壓器）和計算機，其中關鍵部分是太赫茲單元，包括連續波（CW）源、探測器和準直、聚焦光具組。

圖20.2THzCW成像系統

太赫茲單元的內部結構如圖3所示，耿氏二極管產生頻率為0.1THz的電磁波，經倍頻器倍頻，輸出頻率為0.2THz。這兩部分組成發射器，作為太赫茲成像系統的光源。喇叭天線耦合傳輸太赫茲波，使輸出太赫茲波具有較好的方向性。被偏轉鏡反射的太赫茲波穿過分束鏡，由聚焦透鏡聚焦在樣品表面。太赫茲波正入射到樣品表面，經樣品或金屬底板反射后被聚焦透鏡收集，再由分束鏡反射到探測器上。

被樣品調制后，太赫茲波信號被低噪聲的放大器放大后輸出，由計算機采集后形成圖像。在分束鏡的背后放置消光鏡，它的主要作用是將分束鏡反射的部分太赫茲波反射回到探測器上，以消除透鏡反射的部分太赫茲波的影響。太赫茲單元通過3個接口即電源（PWR）、信號（SIG）和5V接口與外界部分進行連接。電源和5V接口是太赫茲單元的輸入接口，分別提供控制耿氏二極管和放大器的電壓。信號是探測器的輸出接口，經電纜連接到計算機上。太赫茲單元的工作頻率為0.2THz，輸出功率為10mW，空間分辨率為2.6mm，動態范圍為34dB，景深為20mm，焦距為180mm。

圖3CW系統太赫茲單元

3.2、成像過程及分析

在檢測過程中，樣品放在太赫茲單元的焦點處，且確保太赫茲波正入射到樣品表面，太赫茲單元固定在X-Y二維平移臺上，通過計算機控制平移臺，實現太赫茲單元相對樣品的移動。計算機采集樣品表面或金屬底板反射回的強度信息，實現對樣品不同點的成像，獲得樣品的二維圖像。太赫茲波在經過樣品時被樣品吸收或散射從而引起強度的變化，探測各點強度然后通過計算機組合得到物體的灰度圖像。系統平移臺移動的最大線性速度可達到600mm/s，為了得到質量較好的圖像，線性速度一般取100mm/s。平移臺的移動范圍、步長可由計算機的Labview掃描主程序來控制。

保存該系統掃描出的圖像強度信息，用數字圖像處理的辦法對所得圖像進行后期分析。