[发明专利]一种基于太赫兹单脉冲的快速超分辨成像方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于太赫兹单脉冲的快速超分辨成像方法及系统，包括激光器、激光分束器、太赫兹波发射器、三维载物台、太赫兹波收集器、倾斜脉冲产生器、太赫兹波调制器、探测器、时间延迟器和运动控制与图像处理系统。本方法根据空气电离产生的等离子体丝直径小、等离子体丝截断处辐射太赫兹能量高的优点，结合太赫兹单脉冲快速测量技术和太赫兹波成像技术，实现了快速超分辨二维成像。本系统的空间分辨率达到50微米，成像速度达到27像素/秒，可以适用于国防、安检和生物医学等领域。

技术领域

本发明涉及到太赫兹产生技术、太赫兹单脉冲测量技术和太赫兹成像技术，属于快速超分辨太赫兹波二维成像技术领域。

背景技术

太赫兹(THz)是指频率在0.1 THz-10 THz之间的一种电磁波，其波长大小为0.03毫米-3毫米，也称之为毫米波或亚毫米波。

太赫兹成像是将太赫兹波通过光学器件汇聚照射到待测样品，通过探测设备采集从样品中透射或反射的太赫兹波，然后将此含有样品特征信息的太赫兹波通过光电传感器转化为相应的电压或电流信号，最后通过成像软件将此信号转换为易于观察的太赫兹图像。

与γ射线、X射线和红外线等电磁波成像相比，由于太赫兹波具有独特的性质：瞬态性、宽带性、低能性量等，太赫兹成像技术已经成为X射线成像和红外成像之外的优势成像技术手段，已成为太赫兹应用的关键技术之一，在安检、无损检测和组织病变检测等方面有广阔的应用。

传统太赫兹时域光谱成像系统一般是待成像样品放置于两组太赫兹透镜之间的焦平面处，虽然焦点处的太赫兹波能量比较集中，但是此处的太赫兹波束直径较大，难以达到百微米量级；而且极易受波长的衍射极限影响，导致空间分辨率只有几百微米，难以实现亚波长成像。另外，传统太赫兹时域光谱成像系统是利用太赫兹连续脉冲探测技术进行光信号检测的，它是利用机械延迟来实现时间延迟，需要通过连续扫描太赫兹脉冲来提取太赫兹波形信号，因此存在成像速度慢的缺点，达不到快速扫描成像的实时性要求。

发明内容

本发明针对传统太赫兹时域光谱成像系统存在的空间分辨率低和成像速度慢的问题，提出了一种基于太赫兹单脉冲的快速超分辨成像方法及系统。

本方法根据空气电离产生的等离子体丝直径小、等离子体丝截断处辐射太赫兹能量高的优点，结合太赫兹单脉冲快速测量技术和太赫兹波成像技术，实现了快速超分辨二维成像。本系统的空间分辨率达到50微米，成像速度达到27像素/秒，可以适用于国防、安检和生物医学等领域。

本系统将待成像样品放置在空气电离产生的等离子体丝403截断处，相对于两组太赫兹透镜对间焦点处太赫兹的能量和波束直径，等离子体丝403截断处的太赫兹波能量更高，等离子体丝直径更小，可以增加太赫兹波穿过样品后的能量，提高样品二维空间分辨率。

本系统采用脉冲前沿倾斜的方式来实现太赫兹波单脉冲探测，和传统的太赫兹连续波探测的方法相比，单脉冲测量不需要利用光学延迟线来改变光程差延时，而且只需要利用科学级相机804捕获一个含有太赫兹波信息的光斑图像就可以实现太赫兹波形的探测，极大地提高了太赫兹脉冲探测的速度。另外，基于脉冲前沿倾斜的太赫兹波单脉冲探测方法，光路结构简单、所需光学设备较少。

基于上述原理，本发明通过如下技术思路来实现。

本发明的系统结构由以下部分构成：激光器1、激光分束器2、太赫兹波发射器3、三维载物台4、太赫兹波收集器5、倾斜脉冲产生器6、太赫兹波调制器7、探测器8、时间延迟器9和运动控制与图像处理系统10。

其中，激光分束器2将激光器1发射出的飞秒激光I分为能量不同的两束光。

第一束光为泵浦光II，泵浦光II驱动太赫兹波发射器3，辐射出太赫兹波IV，太赫兹波IV垂直透射穿过待成像样品402，接着进入太赫兹波收集器5，然后进入太赫兹波调制器7。