拉夫堡大學(xué)的科學(xué)家首次證明太赫茲波相機(jī)可以捕獲隱藏在小物體內(nèi)的微觀物體（um尺度）的3D圖像。首席研究員Luana Olivieri博士表示，盡管該研究還處于早期階段，但該團(tuán)隊(duì)的最新研究可能“對(duì)癌癥篩查、安全和材料研究相關(guān)的一系列領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響”。

這項(xiàng)研究是與Marco Peccianti教授，Luke Peters博士，Juan S. Totero博士和新興光子學(xué)研究中心（EPicX）的專家團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行的，表明太赫茲波可用于定位和識(shí)別微觀三維空間中的嵌入式物體和特征，例如裂縫和氣泡。該研究已發(fā)表在ACS Photonics雜志上。

太赫茲波是電磁頻譜中尚未完全探索的一部分，其頻率介于微波和紅外光之間。它們具有多種特性，例如它們能夠穿透不透明物體而不會(huì)造成損傷，實(shí)現(xiàn)無損穿透成像。然而，太赫茲成像領(lǐng)域的主要問題之一是觀察微觀物體的能力有限，無論太赫茲光譜有多大，相對(duì)較長(zhǎng)的太赫茲波長(zhǎng)意味著物體的任何亞毫米特征對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的衍射極限成像方法幾乎是不可見的。

太赫茲電磁波范圍

Olivieri博士和EPicX團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)一種稱為“時(shí)間分辨非線性鬼影成像”的獨(dú)特方法克服了這一限制，該方法結(jié)合了一系列先進(jìn)的檢測(cè)方法，涉及操縱光并測(cè)量它如何隨著時(shí)間的推移穿過物體。他們的方法可以更清楚地看到較小的物體，盡管到目前為止，它只被證明適用于2D物體。

他們通過光學(xué)整流在1毫米厚的碲化鋅（ZnTe）中產(chǎn)生寬帶太赫茲脈沖，用來自波長(zhǎng)λ = 1nm的100 kHz，800 fs級(jí)再生源的超快脈沖照亮晶體。數(shù)字微鏡陣列器件（DMD）用于對(duì)光源進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)，并將光學(xué)圖案的微米特征印在生成的太赫茲場(chǎng)中。由此產(chǎn)生的太赫茲場(chǎng)分布具有深亞波長(zhǎng)空間結(jié)構(gòu)，通過將樣品與生成晶體直接靠近（即接觸）來與樣品進(jìn)行近場(chǎng)耦合。物體散射場(chǎng)的空間平均值在傅里葉平面的中心被檢測(cè)到，這是通過窄數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)獲得的。該場(chǎng)通過非線性電光采樣器（TDS）及時(shí)收集，并與標(biāo)準(zhǔn)鬼影成像方法相關(guān)聯(lián)，獲得完整的時(shí)空函數(shù)。

通過TNGI方法進(jìn)行3D高光譜成像的概念概述：

（a）TNGI成像采集的概念說明。一系列光學(xué)圖案被非線性（NL）轉(zhuǎn)換為亞波長(zhǎng)太赫茲結(jié)構(gòu)場(chǎng)，從而照亮物體。通過單元素TDS檢測(cè)收集時(shí)間分辨平均散射場(chǎng)。在存在具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的樣品的情況下，TNGI重建更接近源的成像平面，而無需對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行任何后處理。

（b）基于逆向傳播器技術(shù)的體積重建。高光譜數(shù)據(jù)中編碼的信息通過逆?zhèn)鞑ニ阕覹（x，y，z）進(jìn)行分析=(zD，t)充當(dāng)虛擬重新聚焦工具。因此，位于樣品不同深度z處的體積特征（對(duì)應(yīng)于與源平面的不同距離）以高保真度恢復(fù)。

在他們最新的研究中，研究人員證明該技術(shù)可以通過用太赫茲輻射探測(cè)3mm× 4mm×4um立方體來捕獲微觀物體的圖像。研究人員的成像技術(shù)使他們能夠分離和區(qū)分來自不同深度的信息，并以非常高的精度創(chuàng)建立方體的詳細(xì)3D圖像 - 使他們能夠以以前不可能的方式觀察其中物體的化學(xué)和物理性質(zhì)。

Olivieri博士和團(tuán)隊(duì)能夠看到隱藏在小至60um的立方體內(nèi)部的特征，這大約是人類頭發(fā)的寬度。雖然它看起來不是很小，但通常太赫茲波只能識(shí)別大約300um或更大的物體，這就是太赫茲以前被排除在顯微鏡之外的原因。

左上：嵌入物體的立方體的攝影圖像。彈出圖像是一個(gè)圖形草圖，顯示了由塑料、糖和 PTFE（一種合成聚合物）制成且嵌入不同深度的物體。

右上：顯示太赫茲波穿過立方體的 3D 圖形草圖。

下圖：太赫茲波相機(jī)拍攝的真實(shí)圖像，圖像顯示嵌入立方體中的物體在不同深度被檢測(cè)到。

“這種新方法之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)樗刮覀兡軌蚩吹教』蛱：鵁o法達(dá)到傳統(tǒng)方法的東西，”奧利維耶里博士談到這項(xiàng)研究的重要性時(shí)說：

“閱讀光如何穿過物體的故事通常是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，但通過這個(gè)過程，我們可以檢索加密的信息，解開多維數(shù)據(jù)，以揭示微觀尺度上的隱藏和'不可見'物體。

“最重要的是，太赫茲使我們能夠看穿可見光不透明的物體并產(chǎn)生3D圖像。”彼得斯博士補(bǔ)充說：

“在醫(yī)學(xué)上，太赫茲成像可用于檢測(cè)和診斷肉眼不可見的皮膚癌。

“在安全方面，它可以用來掃描人們是否有隱藏的武器或爆炸物，而無需物理拍打或侵入性搜查。

“在材料科學(xué)中，太赫茲成像可用于研究新材料的特性，并識(shí)別可能影響其性能的缺陷或雜質(zhì)。

“我們的工作使我們能夠?qū)⑦@些功能擴(kuò)展到微觀領(lǐng)域，這有助于太赫茲技術(shù)的應(yīng)用推廣，不局限于宏觀尺度的無損檢測(cè)應(yīng)用?！?/p>

EPicX主任Peccianti教授評(píng)論說：“這項(xiàng)工作是作為拉夫堡大學(xué)新興光子學(xué)研究中心的一部分開發(fā)的，該中心的范圍是圍繞重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)挑戰(zhàn)召集關(guān)鍵核心科學(xué)家，并通過光子學(xué)和太赫茲技術(shù)來應(yīng)對(duì)它們。”

參考引用：[1] Luana Olivieri et al, Terahertz Nonlinear Ghost Imaging via Plane Decomposition: Toward Near-Field Micro-Volumetry, ACS Photonics (2023).

虹科太赫茲成像方案

虹科方案

HONGKE

虹科提供多種不同頻段，不同分辨率的太赫茲成像方案，可用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)的無損檢測(cè)。

Solutions

01

虹科TeraScan 100亞太赫茲雷達(dá)

基于 FMCW 雷達(dá)技術(shù)的深度 3D 亞太赫茲掃描儀，完整成像方案；

120G的輸出波段能夠有效穿透巖石類樣品，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品內(nèi)部的檢測(cè)；x-y-z 機(jī)動(dòng)平移臺(tái)上，可掃描 300x300mm 的大樣本，非常適合建筑墻體材料的采樣研究；結(jié)合定制設(shè)計(jì)的可互換光學(xué)元件，能夠提供 1.8mm 的空間分辨率；

內(nèi)部開發(fā)的雷達(dá)信號(hào)處理算法在 100 ms 的單次測(cè)量中允許超過 60 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石類樣品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各類形貌信息。

02

虹科TeraEyes-HV太赫茲成像系統(tǒng)

多功能、實(shí)時(shí)太赫茲成像系統(tǒng)，適用于全場(chǎng)高分辨率應(yīng)用；

基于量子級(jí)聯(lián)激光器原理的高頻段（2~5THz）太赫茲源TC2000結(jié)合太赫茲相機(jī)的完整成像系統(tǒng)，具有250um的最優(yōu)分辨率，實(shí)現(xiàn)生物組織細(xì)節(jié)的高分辨探測(cè)；

太赫茲相機(jī)每秒采集50幀圖像，可實(shí)現(xiàn)生物組織的實(shí)時(shí)穿透成像，查看其內(nèi)部情況，并最終可實(shí)現(xiàn)三維重建效果；

可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況選擇反射/透射成像模式，照明面積編程可調(diào)，滿足許多潛在的太赫茲探測(cè)需求。

03

虹科TeraCascade100太赫茲源

基于量子級(jí)聯(lián)激光技術(shù)的高頻太赫茲源；

單頻率連續(xù)波輸出，功率達(dá)百微瓦，采用液氮制冷，是具有成本效益的QCL源，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)太赫茲成像的研究。

04

虹科亞太赫茲多功能雷達(dá)

基于GaAs肖特基二極管倍頻器原理的FMCW雷達(dá)；

150G的輸出波段對(duì)巖石類材料具有優(yōu)異的穿透性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試可穿透厚度為10cm的混凝土樣品；

FMCW技術(shù)原理能夠采集深度信息，能夠獲得巖石不同深度位置的裂縫、孔隙等形貌信息，空間分辨率2mm；

具有厚度測(cè)量與材料識(shí)別功能；緊湊單體結(jié)構(gòu)，可集成機(jī)械臂，適合實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等多種應(yīng)用環(huán)境。