[实用新型]一种近场太赫兹波光谱成像系统

说明书

本申请提出一种近场太赫兹波光谱成像系统，利用衰减全反射模块的全反射原理，在衰减全反射模块的表面形成太赫兹波倏逝场，如此待测样品紧贴上述表面就能达到近场探测的目的。衰减全反射模块的使用能够直接承载待测样品而不需要设计单独的夹具，因而在检测样品，甚至是在体检测时使用都更加方便。此外，采用光控法实现太赫兹波段的单像素成像，由于调制掩膜是投影在体材料衰减全反射模块上，因而对投影面位置的精确度要求也不需要很高。进一步结合太赫兹时域光谱测量原理，通过重构不同时刻的太赫兹光场信号，从而使用更短的时间达到了高分辨率太赫兹多光谱成像的目的。

技术领域

本申请涉及太赫兹技术领域，特别是涉及太赫兹近场成像系统。

背景技术

太赫兹波是指(频率0.1THz-10THz或波长30μm-3000μm)位于微波波段与光学波段之间的相干电磁辐射。它处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置而具有独特的性质。例如，许多重要生物分子(如蛋白质、DNA)和生物细胞的低频振动(如分子的骨架集体振动、转动以及分子之间的弱作用力)特征模式均处于太赫兹频谱范围内(光谱指纹性)。基于太赫兹光谱分析，可以解析生物分子的空间构象、反应动力学、水化作用及生物功能等相关信息。此外，太赫兹能够穿透多种非极性材料(纸张，塑料，陶瓷等)，实现隐藏目标成像。特别地，相比于应用广泛的X射线，太赫兹波的光子能量较低(0.41-41meV)，使得太赫兹波对生物分子无损伤，对生物细胞无电离，可作为一种理想的生物医学无损检测手段。近年来，太赫兹技术在基础物理、工业应用、生物医学和国防安全等领域展现了重大的科学价值和应用前景，被美国、欧盟、日本和我国列为改变未来世界的前瞻技术。

太赫兹光谱及成像被视为最为重要的应用技术之一，其通过分析太赫兹波与待测样品相互作用而获得待测样品丰富的物理和化学信息。太赫兹波长处于毫米/亚毫米量级，对于一般的大目标检测，太赫兹成像可以获得较为满意的结果。然而，随着太赫兹技术及其在物质表征和生物医学等众多领域的深入研究与发展，人们对太赫兹图像分辨率和精细度的要求也日益提高。由于衍射极限的限制，太赫兹远场的光谱成像系统及方法难以满足这些需求。因此突破衍射极限是太赫兹成像亟待解决的问题。于是，太赫兹近场技术应运而生。近场技术能够采集并利用被测信号中的倏逝波(亚波长量级)，从而实现亚波长尺度的图像分辨率，因而由此得到的近场图像能够显示更为精细的结构。

目前，突破太赫兹波段衍射极限的近场成像主要是近场探针扫描成像法(参见“刘宏翔等，太赫兹波近场成像综述，红外与毫米波学报，2016”)。由于探针探测的是距离样品表面一个波长以内的倏逝波信号，所以探测扫描时探针必须置于非常靠近样品表面的位置。这就要求探针及其相关光路必须满足这种空间需求，无疑增加了成像系统的复杂度和难度。一般成像时采用对样品的光栅扫描，通常获取图像的耗时较长，且对样品扫描的精确控制要求也较高。最近，为了克服近场探针的不足，国外RAYKO I.STANTCHEV等人(参见“Compressed sensing with near-field THz radiation,Vol.4,No.8,Optica,2017”)利用光控超薄硅片的近场照明方案，实现了9μm成像分辨率的近场太赫兹成像。但是薄硅片的使用使得对投影焦面控制要求较高，而且薄硅片不利于承载样品。其成像方式为透射式，无法实现在体的近场生物医学成像。

实用新型内容

有鉴于此，针对上述现有技术存在的技术问题，本申请提出一种近场太赫兹光谱成像系统，利用太赫兹近场条件，结合光控法和太赫兹时域光谱系统，无需任何的机械扫描就能实现单像素近场太赫兹光谱检测，进而实现高分辨的亚波长太赫兹多光谱成像。