1、引言

太赫茲（THz）波在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動通信方面具有重大的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)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(shù)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(xù)波成像。最早出現(xiàn)的是脈沖太赫茲波成像，在質(zhì)量檢測、法醫(yī)鑒定、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有應(yīng)用價值。2000年，第一套商用脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)面世。2003年，倫斯勒大學(xué)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(fā)出太赫茲連續(xù)波成像系統(tǒng)，它主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)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(fù)介電函數(shù)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(jīng)過適當?shù)奶幚砗头治?，就能得到樣品的太赫茲圖像。

2.1、實驗系統(tǒng)

實驗采用的是太赫茲透射型脈沖成像系統(tǒng)，其系統(tǒng)光路如圖1所示。主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產(chǎn)生裝置、太赫茲輻射探測裝置和時間延遲控制系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)使用的飛秒激光器是由光譜物理公司生產(chǎn)的自鎖?？烧{(diào)諧式鈦藍寶石激光器，其產(chǎn)生的飛秒激光脈沖中心波長為800nm，重復(fù)頻率為82MHz，脈寬為100fs，輸出功率為1043mW。太赫茲脈沖產(chǎn)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(chǎn)生的飛秒激光脈沖經(jīng)分束棱鏡（PBS）分為兩束，一束作為產(chǎn)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(jīng)過頻率為1.1kHz的斬波器調(diào)制，通過時間延遲線（stage）入射到透鏡L1，經(jīng)透鏡聚焦以45°入射角照射在〈100〉-InAs晶體表面上，發(fā)生丹倍效應(yīng)，即抽運光激發(fā)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(chǎn)生的太赫茲脈沖經(jīng)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(jīng)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(fā)生電光效應(yīng)，即太赫茲輻射電場調(diào)制ZnTe晶體的折射率橢球，導(dǎo)致通過電光晶體的探測光偏振態(tài)發(fā)生變化，從而反映出太赫茲輻射電場的大小及變化。偏振態(tài)被調(diào)制的探測光經(jīng)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(jīng)鎖相放大器解調(diào)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(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。圖像處理單元將此信號轉(zhuǎn)換為圖像。

太赫茲時域光譜成像技術(shù)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(yīng)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(shù)據(jù)點的振幅或相位進行成像，從而重構(gòu)樣品的空間密度分布、折射率和厚度分布。根據(jù)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(shù)據(jù)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(zhì)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(shù)據(jù)進行成像的。針對頻譜中某一特定頻率所對應(yīng)的振幅、功率、相位、吸收系數(shù)或折射率，反映的是樣品在不同頻率下光學(xué)性質(zhì)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(shù)。

3、連續(xù)波太赫茲成像

連續(xù)波太赫茲成像的原理：連續(xù)波源提供比脈沖源更高的輻射強度，其實質(zhì)是一種強度成像。在對物體成像時，根據(jù)物體內(nèi)部的缺陷或損傷的邊緣對太赫茲光的散射效應(yīng)，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(jù)此可推出物體內(nèi)部的形狀、缺陷或損傷位置。

3.1、實驗系統(tǒng)

0.2THz的連續(xù)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(tǒng)配置，如圖2所示。系統(tǒng)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(nèi)含變壓器）和計算機，其中關(guān)鍵部分是太赫茲單元，包括連續(xù)波（CW）源、探測器和準直、聚焦光具組。

圖20.2THzCW成像系統(tǒng)

太赫茲單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，耿氏二極管產(chǎn)生頻率為0.1THz的電磁波，經(jīng)倍頻器倍頻，輸出頻率為0.2THz。這兩部分組成發(fā)射器，作為太赫茲成像系統(tǒng)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(zhuǎn)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(jīng)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(diào)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(jīng)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(tài)范圍為34dB，景深為20mm，焦距為180mm。

圖3CW系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)對樣品不同點的成像，獲得樣品的二維圖像。太赫茲波在經(jīng)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(tǒng)平移臺移動的最大線性速度可達到600mm/s，為了得到質(zhì)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(tǒng)掃描出的圖像強度信息，用數(shù)字圖像處理的辦法對所得圖像進行后期分析。

4、脈沖太赫茲波成像與連續(xù)波太赫茲成像特性的比較

分辨率是成像系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，光學(xué)系統(tǒng)成像的分辨率與光的波長成反比，與光的頻率成正比。所以理論上高頻太赫茲波的成像分辨率要高。而連續(xù)波太赫茲源的硬件技術(shù)所限，很難做到高頻率單頻的連續(xù)波源，這也是太赫茲成像技術(shù)的瓶頸之一。目前國內(nèi)有0.2THz，0.4THz耿氏二極管振蕩器源和0.59～0.71THz可調(diào)返波管源。就現(xiàn)狀來看，脈沖太赫茲波成像比連續(xù)波太赫茲成像在分辨率上有一定的優(yōu)勢。

對直徑分別為1.2mm，2.3mm和3.6mm的銅制圓孔在脈沖系統(tǒng)下進行成像實驗得到各自圖像，如圖4（a）～（c）所示。用二維平移臺對其進行逐點掃描，掃描點數(shù)為38pixel×38pixel，實驗外部條件是濕度為20.2%，溫度為21.0℃。掃描采集到38pixel×38pixel個［X，Y］矩陣，它們每一個代表掃描的一個點的時域信息。然后用自己編寫的Labview程序進行時域振幅成像。脈沖系統(tǒng)下1.2mm，2.3mm，3.6mm圓孔的像都可以看到，說明系統(tǒng)分辨率在1.2mm以下，脈沖系統(tǒng)的光斑很小，通過狹縫法測量出其光斑大小為1.0mm。

圖4不同直徑圓孔的時域振幅太赫茲成像圖

在連續(xù)波系統(tǒng)下對圓孔陣列進行掃描成像，如圖5所示。小孔孔徑從右向左依次遞減（6.0mm，5.5mm，5.0mm，4.5mm，4.0mm，3.5mm，3.0mm，2.5mm，2.0mm）?？梢阅：乜吹綇挠覕?shù)第8排2.5mm孔徑的圓孔，但是第9排2.0mm孔徑的圓孔難以看清，所以連續(xù)波系統(tǒng)對于圓孔的辨別能力大約在2.5mm。

圖5圓孔陣列的連續(xù)波太赫茲成像圖

為了測量連續(xù)波系統(tǒng)分辨率，對一個鋁制扇形模板成像，相鄰兩個刀刃間提供了無數(shù)個寬度。圖像中能夠分開每個刀刃之間的最小距離就是其系統(tǒng)分辨率。通過成像實驗，如圖6所示，連續(xù)波系統(tǒng)的分辨率為2.6mm。與連續(xù)波成像相比在成像分辨率上脈沖成像占有明顯的優(yōu)勢。

對于兩個系統(tǒng)的噪聲比較，連續(xù)波系統(tǒng)得到的圖像上有明顯的條紋，這是由于該系統(tǒng)多路反射在探測器相干疊加的結(jié)果及電動平移臺的振動影響所造成的。脈沖系統(tǒng)的噪聲主要是斬波器的機械噪聲和電子噪聲，與連續(xù)波系統(tǒng)的噪聲相比很小。

圖6扇形模板（a）及扇形模板太赫茲圖像與測量值（b）

在成像速度上連續(xù)波系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢。掃描上面的脈沖圖像時，對于一組鎖相積分時間設(shè)為10ms的38pixel×38pixel點的數(shù)據(jù)，所需時間大約為13h以上，用連續(xù)波系統(tǒng)掃描的面積要大幾十倍的圖像卻只用了十幾分鐘。掃描速度上的優(yōu)勢為連續(xù)波對大面積的物體無損檢測提供了可能。

由于截然不同的機制，兩種系統(tǒng)得到的圖像數(shù)據(jù)是完全不同的。在連續(xù)波系統(tǒng)中，只以矩陣形式儲存強度信息，可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像。而脈沖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，因此要求更先進的處理方法而使之被充分利用。下面用自己開發(fā)的Labview程序，先將38pixel×38pixel個時域數(shù)據(jù)同時轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，再對頻域數(shù)據(jù)成像，即可以得到不同頻率下物體的像。以孔徑為2.6mm的銅孔為例，如圖7所示。從圖中可以看到，選擇頻譜中不同頻率成分的振幅值所成的圖像的對比度存在較大的差異。在頻率較低時，成像的對比度較差，這是由于空間衍射極限造成的，如第一排小于0.5THz的3個像，高頻部分由于相應(yīng)的波長較短，因此應(yīng)該能夠獲得更高的空間分辨率。而且不難看出在0.96THz處像對比度最好，因為1.0THz附近能量較大。這種方法也為識別不同成分的物體提供了一種新的多波長光譜成像方法。由于物體成分不同，它們在太赫茲波段的吸收峰的位置也不同，所以可以用不同頻率的像區(qū)別幾種成分的物體。脈沖系統(tǒng)信息量豐富可以做多光譜成像研究，而只有強度信息的連續(xù)波成像是無法做到的。

圖7直徑為2.6mm的銅孔在不同頻率下的振幅成像

以損失景深、時域和頻域信息為代價，連續(xù)波系統(tǒng)是一個緊湊、簡便、快速成像的系統(tǒng)。因為它不需要抽運探測成像，連續(xù)波系統(tǒng)的光路復(fù)雜性與脈沖系統(tǒng)相比大大降低，而且它不需要時間延遲掃描，因此掃描速度也非?？臁?/p>

在航天泡沫材料（SOFI）等無損檢測應(yīng)用中，連續(xù)波技術(shù)提供了更為有效的結(jié)果，它可以很好地檢測并辨別空缺和分層兩種主要的缺陷，與脈沖系統(tǒng)相比，其結(jié)果有較高的分辨率。

對上面提到的兩個成像系統(tǒng)的成像機理、系統(tǒng)分辨率、系統(tǒng)噪聲、成像速度、信息量、價格、復(fù)雜性、便攜性及其應(yīng)用總結(jié)如表1所示。

表1兩種成像系統(tǒng)的對比

5、結(jié)論

脈沖太赫茲波成像與連續(xù)波太赫茲成像各有特點和優(yōu)勢，有很好的互補性，要視具體的應(yīng)用來選擇、構(gòu)建最佳的成像方案。脈沖太赫茲時域測量系統(tǒng)能夠提供成像物體的光譜信息，甚至折射率色散，這是連續(xù)波系統(tǒng)不能提供的信息。連續(xù)波系統(tǒng)具有較高的輻射功率，系統(tǒng)簡單、價格低、成像速度快、使用方便的特點。如果掃描的物體比較大而又只需要檢測缺陷或者透射性質(zhì)，選擇連續(xù)波系統(tǒng)較好。但如果探測的物體比較精細，要求系統(tǒng)有較高的分辨率并獲得物體的光譜信息，則需使用脈沖成像方法。