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摘要：太赫茲（THz））實(shí)時(shí)成像是THz技術(shù)中頗具潛力的一個(gè)領(lǐng)域，具有成像速度快、成像分辨率高等特點(diǎn)，基于THz量子 級(jí)聯(lián)激光器（QCL）的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)是其中最重要的一種，系統(tǒng)體積小、重量輕、成像信噪比高等特點(diǎn)使其在實(shí)際應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文主要介紹了THzQCL器件及其實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展，采用超半球高阻硅透鏡改善了THzQCL的輸出激光，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)高斯光束輸出，搭建了基于二維擺鏡消干涉技術(shù)的THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，單幀成像光斑面積45mmx30mm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀片、藥片的實(shí)時(shí)成像演示，成像分辨率優(yōu)于0.5mm；最后對(duì)成像系統(tǒng)激光源、成像光路和探測(cè)端的改進(jìn)以及成像效果的改善方面進(jìn)行了綜述，并探討了THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及其在材料分析和生物醫(yī)學(xué) 成像方面的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：太赫茲；實(shí)時(shí)成像；量子級(jí)聯(lián)激光器；焦平面陣列

1. 引言

太赫茲（THz）輻射通常指頻率介于1.0~10THz（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)30μｍ~3ｍｍ）的電磁波，其研究范疇屬于紅外光子學(xué)與微波電子學(xué)交叉領(lǐng)域，也稱為宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的區(qū)域。THz成像技術(shù)是THz技術(shù)中頗具潛力的一個(gè)方向，基于THz輻射的特點(diǎn)，如輻射能量低、對(duì)非極性和非金屬材料透過率高、能量尺度對(duì)應(yīng)于有機(jī)和無(wú)機(jī)材料中振動(dòng)能級(jí)以及大分子結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)振能級(jí)等，THz成像應(yīng)用于上述物質(zhì)時(shí)，具有比紅外和可見光更好的穿透特性以及比微波毫米波更好的分辨率，這一特點(diǎn)使其在生物醫(yī)學(xué)、安全控制、工業(yè)監(jiān)測(cè)、無(wú)損檢測(cè)分析等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，隨著THz輻射源和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，THz成像技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段并獲得不斷改進(jìn)，從基于THz時(shí)域光譜（TDS）系統(tǒng)的成像到基于各種輻射源的快速掃描成像，再到基于焦平面陣列探測(cè)的實(shí)時(shí)成像，成像系統(tǒng)的性能得到很大提升，系統(tǒng)的應(yīng)用水平也不斷提高，尤其是THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的出現(xiàn)和完善，將THz成像的速度和精度提高到可實(shí)際應(yīng)用的水平，有望在材料分析、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

本文主要講述了THz量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascadelaser,QCL）及其實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展，著重對(duì)成像系統(tǒng)激光源、成像光路和探測(cè)端的改進(jìn)以及成像效果的改善方面進(jìn)行了綜述，并進(jìn)一步展望了THz實(shí)時(shí)成像未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及其在材料分析和生物醫(yī)學(xué)成像方面的應(yīng)用前景。

2. THz量子級(jí)聯(lián)激光器

THzQCL是1~5THz頻段輻射源中非常重要的一種緊湊型激光源，具有體積小、易集成、壽命長(zhǎng)、功率高、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。2002年，THzQCL首次由意大利和英國(guó)的科學(xué)家合作研制成功，當(dāng)時(shí)器件采用啁啾超晶格結(jié)構(gòu)，只能脈沖激射，最大輸出功率約23mW，隨后人們通過對(duì)激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了器件的連續(xù)激射，最大輸出功率0.41mW。QCL的工作原理如圖1所示，器件中的增益介質(zhì)是由幾百層交替生長(zhǎng)的半導(dǎo)體薄層材料（通常是GaAs和AI-GaAs，采用分子束外延方法生長(zhǎng)）組成，在這種增益介質(zhì)中電子被限制在分立的子能級(jí)中。這些薄層形成周期性的模塊，當(dāng)施加外部電場(chǎng)時(shí)，電子通過級(jí)聯(lián)的方式從一個(gè)周期到達(dá)另一個(gè)周期，每一步躍遷輻射出一個(gè)低能量的光子（見圖1），多個(gè)周期輻射出的光子通過級(jí)聯(lián)的方式匯集到一起，在器件脊條形成的腔體中增益后輸出。同樣的光子能量也不是取決于材料的帶隙，而是通過控制半導(dǎo)體薄層的厚度在很寬范圍的值里選擇。

圖1. THz量子級(jí)聯(lián)激光器工作原理示意圖

THzQCL的成功研制開啟了人們對(duì)半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)THz器件的研究熱潮。通過各國(guó)研究人員的努力，THzQCL在輸出功率、工作溫度、工作頻率范圍等方面均得到了很大的提高。截至目前，器件激射頻率可覆蓋1.2~5.2THz范圍，在連續(xù)波工作模式下，最高激射溫度為129K，最大輸出功率為230mW；脈沖工作模式下，最高激射溫度近200K（見圖2），最大峰值輸出功率達(dá)156W。這一點(diǎn)使其成為THZ實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的首選。器件最近被證明存在亞KHz的量子噪聲限線寬，并且也出現(xiàn)了潛在的可調(diào)諧性，有望在多頻點(diǎn)THz實(shí)時(shí)成像方面獲得應(yīng)用。就器件而言，THz QCLs在成像能力方面，其輻射功率可超過光學(xué)泵浦源和熱輻射源好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；并且其在緊湊型成像系統(tǒng)的潛在發(fā)展能力也使我們不再依賴龐大而昂貴的超快激光源或氣體激光器。上述吸引人的特性不僅僅促使人們對(duì)基于THzQCL的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)產(chǎn)生極大的研究興趣，還為進(jìn)一步改進(jìn)THz成像技術(shù)提供了巨大潛力。

圖2. 不同時(shí)期THzQCL的最高工作溫度

3. 基于THzQCL的實(shí)時(shí)成像研究進(jìn)展

THz實(shí)時(shí)成像以陣列探測(cè)器為基礎(chǔ)，配以合適的激光光源，當(dāng)陣列探測(cè)器工作在一定幀率的情況下，相鄰兩幀圖像在眼睛看來(lái)是連續(xù)出現(xiàn)時(shí)，我們稱之為實(shí)時(shí)成像（Real-time imaging），當(dāng)成像幀率達(dá)到25Hz甚至更高時(shí)，我們稱之為視頻成像（Video rate imaging）。THz實(shí)時(shí)成像具有成像速度快和分辨率高等特點(diǎn)，是THz成像應(yīng)用中頗具潛力的一種成像手段，未來(lái)在材料分析、物質(zhì)反應(yīng)分析和生物醫(yī)學(xué)成像分析等方面具有重要應(yīng)用前景。

3.1 紅外焦平面陣列探測(cè)

早期THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)采用二氧化碳?xì)怏w激光器為激光源，由于氣體激光器輸出光束質(zhì)量好，在成像效果上主要受限于陣列探測(cè)器的水平。不過氣體激光器體積龐大，設(shè)備昂貴，使得成像系統(tǒng)一直停留在實(shí)驗(yàn)室演示的層面，難以獲得實(shí)際應(yīng)用。

圖3. 紙質(zhì)信封中鉛筆字可見光照片（a）及其在封閉信封內(nèi)THz透射（b）和反射（c）成像效果對(duì)比和大拇指指紋的可見光照片（d）和THz反射成像（e）效果對(duì)比

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5. 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)基于THzQCL的實(shí)時(shí)成像技術(shù)，綜述了THzQCL及其成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展，采用二維擺鏡消干涉光學(xué)部件搭建了單幀成像范圍45mmx30mm的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀片、藥片等樣品的實(shí)時(shí)成像演示，分辨率優(yōu)于0.5mm。重點(diǎn)分析了成像光源需要改善的幾個(gè)方面，并對(duì)成像系統(tǒng)光路的改進(jìn)和探測(cè)端性能的提高進(jìn)行了討論。從系統(tǒng)的角度來(lái)看，基于 THzQCL的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)已具備可應(yīng)用的潛力，但還需要進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積，優(yōu)化成像光路和成像光束質(zhì)量?？紤]到THzQCL輸出的激光頻率范圍主要覆蓋1.5~5THz，該頻段成像分辨率相對(duì)較高，且成像光源輸出功率大，發(fā)展基于THzQCL的顯微實(shí)時(shí)成像技術(shù)是未來(lái)的重要發(fā)展方向。通過探索其在材料分析、生物醫(yī)學(xué)成像等方面的應(yīng)用，以期在例如癌細(xì)胞切除手術(shù)、相變材料分析、半導(dǎo)體材料載流子分析中獲得應(yīng)用。