太赫兹成像技术研究进展及应用

太赫兹波位于红外波段与微波波段之间,相比其他波段具有高透射性、低能量性、相干性、指纹光谱以及瞬态性等特点。随着太赫兹成像技术在空间通信、雷达探测、航天航空以及生物医疗等领域的广泛应用,已经表现出传统成像技术(如可见光、超声波和X射线成像)无法比拟的优势。

麦姆斯咨询报道,近期,中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室国家杰出青年基金获得者黄志明究员课题组在《红外技术》期刊上发表了以“太赫兹成像技术研究进展及应用”为主题的综述文章。黄志明究员主要从事红外与太赫兹相关领域的研究工作。

这项研究首先对太赫兹时域光谱(THz-TDS)成像技术以及非制冷微测辐射热计太赫兹成像技术的发展现状进行综述,再介绍太赫兹成像技术在国家安全、安全检查、生物医学以及环境监测等方面的典型应用,最后指出太赫兹成像技术在发展中存在的限制因素并给出合理的建议。

太赫兹辐射产生方法:(a) 光电导效应;(b)光整流效应;(c)空气等离子体效应

随着信息技术的快速发展,THz-TDS成像技术在工程(如资源勘探和食品加工)、高速通信、天文研究以及生物医疗等领域表现出广阔的应用前景。越来越多的国家和科研单位开始对THz-TDS成像技术进行深入的研究,获得了高信噪比、高分辨率的图像,满足了不同领域的应用需求。详述了太赫兹脉冲扫描成像、太赫兹实时成像、太赫兹近场成像、太赫兹共焦扫描成像、太赫兹三维成像、太赫兹差分成像和偏振成像等太赫兹成像技术的的发展现状。

许多太赫兹成像器件需要在室温下工作,因此开展室温下的太赫兹成像技术研发是十分必要的。通过使用热敏微桥结构的太赫兹探测器不仅具有探测波段宽、阵列规模大、集成度高、实时成像等显著特点,而且使系统更加趋于小型化、便携式以及实用化。太赫兹成像技术通过引入热敏微桥结构,不仅使太赫兹系统成像质量得到明显提高,而且使其具有室温工作、实时成像、小型化和实用化等特点。

太赫兹成像技术所表现出的优异特性可应用于国家安全、安全检查、生物医学、无损检测、目标雷达成像、环境监测和天文研究等领域,具有十分重要的实用价值和学术价值。

太赫兹成像系统必须满足高分辨率、实时性好、便携性以及灵敏度高等性能的要求。对于目前可以有效改进太赫兹成像性能的技术手段,我们认为可以从以下几点考虑:(1)通过使用高性能材料(如石墨烯、硅烯、黑磷等),利用新材料的优异性能不断研发新的器件。(2)通过使用超表面结构增加对太赫兹辐射的耦合吸收。(3)通过消除背景噪声与干涉效应,提高太赫兹成像系统获取信息的能力,例如可以发展单像素成像、CS理论以及优化光学系统等技术。(4)通过引入太赫兹天线,将THz 能量耦合到探测器的探测单元上,提高对太赫兹辐射的收集能力。(5)相比传统的太赫兹成像器件,微桥结构的太赫兹焦平面探测阵列器件具有探测波段宽、阵列规模大、集成度高、实时成像、小型化、便携式以及实用化等优势。

我国太赫兹成像技术起步较晚,有许多关键技术还需要攻克,所以需要科学研究机构和产业集团加强合作,研制出拥有自主产权的太赫兹成像技术,使太赫兹成像技术在我国形成产业化,更好地为我国的国防和民生建设服务。

该项目获得国家自然科学基金委员会重点项目(12134016)、杰出青年基金(61625505)和中国科学院基础前沿科学研究计划(ZDBS-LY-JSC025)的支持。该研究第一作者为中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室硕士研究生周强国,主要从事红外成像及太赫兹探测技术的研究工作。

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