[发明专利]基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹应用技术领域，特别是涉及一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统及方法。

背景技术

目前断层扫描技术主要采用X射线等高能量穿透性强的射线，技术固然成熟，但是由于射线能量高，所以对人体和环境的损害很大，使用具有较大副作用和危险性，而太赫兹波（简称“THz波”）频率比X射线低很多，能量不足以电离生物分子，所以在医学应用领域具有很好的应用前景，同时THz波还能够穿透高强度聚乙烯/聚丙烯等非极性材料。基于以上特性，THz波的断层扫描技术就可以广泛应用于医学和隐藏物体安检等领域，具有很高的实际应用价值。

太赫兹量子级联激光器（简称“THz QCL”）作为THz源具有功率高（～10mW），体积小，易集成等突出特点，如果选择脉冲工作模式则工作温度可提高至100K以上，完全达到了实际应用的标准。太赫兹量子阱探测器（简称“THz QWP”）是一种与THz QCL工作频率范围非常匹配的低维半导体探测器，器件对可探测范围内的THz光的响应速率可达GHz量级（ns量级），非常适合在脉冲激射型THz QCL为辐射源的成像系统中作为THz光的检测器，同时在高灵敏度和高分辨率探测尤其是在焦平面阵列制备方面具有独特的优势。此外THz QWP是一种重要的窄带探测器，与其他宽带探测器相比具有很好的光谱分辨能力，无论是在连续THz辐射源还是脉冲THz辐射源情况下，器件均具有很好的滤光功能，可有效消除噪声信号的干扰，提高成像质量。目前，基于GaAs/AlGaAs材料体系的量子阱探测器主要有光电导型和光伏型两种，已报道的THz波段的量子阱探测器多属于光电导型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统及方法，能够有效获取样品断层的图像信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统，包括太赫兹源部分、传输汇聚光路系统、旋转平行扫描台以及太赫兹信号检测部分，所述太赫兹源部分包括太赫兹量子级联激光器、与所述太赫兹量子级联激光器相连的驱动电源、以及斩波扇；所述传输汇聚光路系统包括第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组；所述太赫兹信号检测部分包括太赫兹量子阱探测器、与太赫兹量子阱探测器相连的信号处理模块以及锁相放大器，所述信号处理模块和锁相放大器分别与计算机相连；所述太赫兹量子级联激光器发出的太赫兹波经过聚乙烯窗片射出；所述斩波扇直接位于聚乙烯窗片外对出射的太赫兹波进行调制；所述第一离轴抛面镜组将经过斩波扇发散的太赫兹波汇聚成平行光束传输至位于旋转平行扫描台上的样品，经过样品透射后的太赫兹波经过第二离轴抛面镜组收集汇聚，再经过聚乙烯窗片到所述太赫兹量子阱探测器；所述太赫兹量子阱探测器收到太赫兹波后产生相应的电流信号；所述信号处理模块将所述电流信号提取为电压信号，并进行放大；所述锁相放大器对电路输入的电压信号进行读取和显示；所述计算机用于记录所述锁相放大器的电压信号值，并将其与被测样品的位置信息一一对应，得到被测样品的太赫兹信号透射强度数据。

所述旋转平行扫描台上的样品中心位于第一离轴抛面镜组和第二离轴抛面镜组焦点处。

所述太赫兹量子级联激光器发出的太赫兹波的频率为2.9THz。

所述太赫兹量子阱探测器的探测频率范围为2.0-6.0THz。

所述太赫兹量子阱探测器的峰值探测频率为3.22THz。

所述太赫兹量子阱探测器的有源区包括23个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al_0.015Ga_0.985As层各一层。

所述信号处理模块包括依次连接的信号处理电路、低噪声放大器及锁相放大器；所述信号处理电路包括电压放大器，供电电池和分压电阻，所述供电电池、分压电阻与太赫兹量子阱探测器串联为闭合回路，并采用电压放大器提取所述分压电阻两端的电压。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于太赫兹量子器件的断层扫描成像系统的扫描成像方法，包括以下步骤：

（1）太赫兹量子级联激光器发射出太赫兹信号，然后将信号采用斩波扇调制，并将调制后的信号由一组离轴抛面镜汇聚，然后传输至样品；

（2）所述传输汇聚光路系统将透射的太赫兹信号汇聚并传输至所述太赫兹量子阱探测器；

（3）所述太赫兹量子阱探测器将接收到的透射中的太赫兹波转换为电信号并发送至所述信号处理模块进行处理；