[发明专利]一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置及方法

说明书

本发明公开了一种提高THz‑ATR成像分辨率及性能的装置及方法，包括太赫兹辐射源发射的连续太赫兹波经斩波器变换为正弦波入射到太赫兹波分光镜并被分为两束：一束为反射光另一束为透射光作为探测样品信息的信号光依次经过第一太赫兹波反射镜、第一离轴抛物面镜、固体浸没ATR透镜、样品架并在样品架‑样品界面处发生全反射后从固体浸没ATR透镜出射，经第二离轴抛物面镜、第二太赫兹波反射镜后被第二太赫兹探测器接收。计算机控制样品架移动，采集太赫兹探测器接收的信号及数据的分析处理。本发明在显著提高衰减全反射式成像分辨率的同时还能解决传统衰减全反射式系统中焦点偏移导致的有效成像面积小这一问题，可以获得大尺寸样品的高灵敏度、高分辨率太赫兹成像。

技术领域

本发明涉及太赫兹成像领域，尤其涉及一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波是频率在0.1～10THz的电磁波，具有指纹性、安全性及水敏感性等独特的物理特性。这使得太赫兹技术可以应用到物质特性研究、安全检测、生物医学检测等诸多领域。太赫兹成像作为太赫兹相关技术的研究热点之一，因其具有无标记、灵敏度高、快速精确等独特优势在过去几十年中获得了快速发展。

太赫兹成像技术可以分为近场成像和远场成像两种。其中太赫兹波近场成像可以突破衍射极限的限制，获得亚微米甚至是纳米量级的分辨率。但其需要采用局域孔径、针尖或微纳结构调控等方法实现倏逝波的获取、利用和探测，存在成像时间长、信噪比低等问题。对于远场成像，根据成像方式可分为透射、反射和衰减全反射式(attenuated totalreflection,ATR)三种。透射式成像有装置简单，分辨率较高等优势，但受限于太赫兹波对水的穿透深度有限只适用于薄片样品，局限性较大且受干涉影响导致成像质量较低。反射式成像容易受样品表面漫反射的影响导致成像质量下降。ATR成像利用太赫兹波在ATR棱镜-样品界面处发生的全内反射现象进行成像，成像时将待测样品贴合于ATR棱镜表面，当太赫兹波入射角大于全反射临界角时，太赫兹波可以在ATR棱镜-样品界面处发生全内反射，产生倏逝波与样品相互作用，从ATR棱镜出射的太赫兹波携带了样品信息，可以表现出样品的物理性质。该成像方式有效避免了界面干涉、穿透深度小等问题，具有灵敏度高，影响因素少等优势，更适于对液体或含水样品进行成像，特别是在体生物组织成像，但成像分辨率和成像面积仍需进一步提高。

由于太赫兹波长较长，分辨率受限于衍射极限，并与系统数值孔径NA(numericalaperture,NA,NA＝nsin(U/2),n介质为折射率，U为光束孔径角)成反比。通常采用如下两种方式提高成像分辨率：增大成像系统中聚焦透镜的数值孔径，采用大孔径的离轴抛物面镜；前者在提高分辨率的同时引入了额外的波前像差导致成像质量下降；后者虽然可以修正相差，但也面临入射光和聚焦光束重叠、成像区域受限等问题，且上述方法对分辨率的提升仍无法满足高分辨率成像的要求。此外，在THz-ATR成像领域中，基于棱镜扫描的成像方式成像区域主要由ATR棱镜的尺寸决定，但大尺寸的ATR棱镜在扫描成像过程中受焦点偏移这一问题影响严重，成像区域远离棱镜中心时分辨率会迅速降低；另一种样品架与ATR棱镜分离的扫描成像方式受限于传统ATR棱镜数值孔径低，导致系统分辨率较低。因此，当前高分辨率与大成像面积无法兼得，现阶段急需一种方法和装置在保证成像质量的前提下能同时大幅提高分辨率和成像面积以满足在体生物组织或其他液体类样本高灵敏度、高分辨率、大区域成像的需求。

发明内容

本发明提供了一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置及方法，本发明实现了高灵敏度、高分辨率、大面积的太赫兹衰减全反射式成像，详见下文描述：

一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置，所述装置包括：

太赫兹辐射源用于产生太赫兹波；

斩波器用于将辐射源发出的太赫兹波转变为适合探测器探测的太赫兹波；