专利名称：太赫兹波二维电光面阵成像方法
技术领域：
本发明涉及的是一种太赫兹波二维面阵成像的探测方法，特别是一种应用于生物学领域的生物体探测、材料科学的结构探测、军事上的定位探测等领域的太赫兹波二维电光面阵成像方法，属于探测技术领域。
背景技术：
太赫兹辐射波是频率为0.1～10THz(0.1～10×1012Hz)的太赫兹波(THz信号)对应波长是30μm～3000μm的远红外辐射，脉冲宽度约为0.1～10ps量级，对于超快现象中的光信号探测非常有效，即使在常温下也能产生很高的信噪比。太赫兹波的探测技术在将来的科学研究、社会生产、军事等领域有着不可估量的深远意义。目前尚无法实现太赫兹波的直接光电接收，常用的太赫兹波的探测方法是利用半导体碲化锌(ZnTe)薄膜或者体材料的电光效应及光学检偏技术，将太赫兹波的强度信号转变成便于常规探测的光信号进行探测，从而得到太赫兹波的强度信号及其频谱分布。
经文献检索发现，Zhiping Jiang and Xi-Cheng Zhang，“Terahertz Imaging viaElectrooptic Effect”，IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques，vol.47，no.Pp.2644-2650，1999(江志平，张熙成，“利用电光效应进行太赫兹波成像”，《微波理论与技术学报》，第47卷，第2644页到第2650页，1999年)，该文提到现有的太赫兹波成像方法是采用机械扫描，即将太赫兹波辐射波聚焦，成像物体放在焦平面上并进行一维或二维机械扫描，然后进行逐点到逐行地接收以及显示。机械扫描的成像速度较慢，有扫描上限，最高是一秒钟约有100像素的数量级，显然时间分辨率是不高的。同时现有二维成像技术下的太赫兹波成像是利用一块大面积的碲化锌材料进行收集信号，从所报导的资料上看图象的空间分辨率较低，此外材料的均匀性对成像质量的影响极大，所以提高太赫兹波成像的时空分辨率是个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明是针对上述技术的不足和缺陷，提供一种太赫兹波二维电光面阵成像方法，利用二维电光面阵成像系统，无需机械扫描，能够实现一次成像，快速成像，从而提高太赫兹波成像的空间分辨率，缩短成像时间。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过构建二维电光面阵成像系统，用二维面阵电光晶体探测器取代现有的单块状探测器，在探测部分后面放置一光学检偏器，取出对应于每个二维面阵电光晶体探测器上的被成像物体调制后的光信号，再经电荷耦合器件成像于电子显示屏上，完成二维电光面阵成像过程。
以下对本发明方法作进一步的说明，具体步骤如下首先，构建一个太赫兹波(THz信号)二维电光面阵成像系统，即由m×n个小面积碲化锌组成的m×n二维电光面阵，在这种情况下，每个微小面积的碲化锌阵元(构成m×n二维面阵的一个小面积单元，称之为阵元)都是一个独立的探测器，即二维面阵电光晶体探测器；其次，将二维面阵电光晶体探测器放在太赫兹波二维电光面阵成像系统的像平面上取代现有同样面积的单块的探测信号的半导体碲化锌即单块状探测器，载有物体二维太赫兹波强度分布的太赫兹波成像波通过此m×n二维电光面阵；然后，在探测部分后面放置一光学检偏器，经光学检偏得到物体在可见、近红外(具体波长由探测光波长决定，目前采用的飞秒激光器的近红外波)的太赫兹波像，取出对应于每个二维面阵电光晶体探测器上的被成像物体调制后的光信号；最后，被成像物体调制后的光信号经面阵CCD(电荷耦合器件)，进行光电转换、信号存储和信号传输，将所探测到的太赫兹波成像电子显示屏上，完成二维电光面阵成像过程。
太赫兹波二维电光面阵成像系统中不仅仅能使用半导体材料碲化锌，还可以使用电光效应较强的有机聚合物薄膜作为二维面阵电光晶体探测器材料，这些材料具有很好的电光性质，通过分子束外延(MBE)，化学生长后进行物理化学刻蚀成格子网状而构成m×n二维电光面阵，以实现对太赫兹波的二维的采集信号作用。m×n二维电光面阵由碲化锌或者有机聚合物等电光材料的小面积阵元组成，尺寸由分子束外延和物理化学刻蚀得到，材料的尺寸在μm即1×10-12m量级。这样的面阵能够提高探测太赫兹波信号的空间分辨率。本发明方法避免了机械扫描的复杂，缩短成像时间，空间分辨率受到二维面阵的空间分辨率和CCD的空间分辨率的限制。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明能够直接探测二维太赫兹波的信号，然后利用CCD进行二维成像。在利用太赫兹波信号的高时间分辨率下，采用碲化锌、有机聚合物等电光效应的材料，提高太赫兹波成像质量，满足生物、材料科学、军事领域、医学等领域的使用要求。本发明有着很高的时间分辨率和比较好的空间分辨率、信噪比，是采集有着广泛应用前景和价值的太赫兹波的一种新的技术，它的意义在于实现了从逐点扫描采集信号、空间分辨率不高的二维成像到时间和空间分辨率较好的二维面阵成像的一个飞跃。
具体实施例方式
以下提供实施例，对本发明的内容作进一步的理解，具体过程如下选择半导体材料碲化锌作为接收系统的电光面阵阵元材料半导体材料碲化锌的生长采用分子束外延进行生长，然后利用刻蚀技术将尺寸制成所需要的尺寸。每个二维电光面阵阵元尺寸为约1μm×1μm的规格，相邻阵元相隔距离约为10μm，再参照CCD的像素2048×2048，那么m×n二维电光面阵设计尺寸中m＝2048，n＝2048，整个m×n二维电光面阵面积大致为2cm×2cm。在m×n二维电光面阵尺寸设计中，其m×n二维设计分辨率不应高于CCD的像素；倘若超过CCD的像素，CCD就不会分辨得那么细致，无法跟上m×n二维设计的分辨率。
太赫兹波照射在一物体(此物体位置即为成像透镜的物平面)上，经过此成像透镜，物体成像于像平面(上述设计的碲化锌m×n二维电光面阵即放在此像平面上)。在成像透镜与像平面之间以45°角放置一800nm波长的全反射镜(此反射镜对800nm波长的光全反射，对其它波段全透射)。飞秒激光器的800nm波长的脉冲激光作为探测光，探测光的传播方向与太赫兹波的传播方向垂直。探测光经起偏器起偏，并由此45°反射镜反射后和太赫兹波同光轴同方向一起入射到我们设计的碲化锌m×n二维电光面阵。出射光束经过一光学检偏器，经光学检偏得到物体在可见、近红外(采用的飞秒激光器的近红外波800nm波长)的太赫兹波像，取出对应于碲化锌阵元上的被成像物体调制后的光信号；最后，被成像物体调制后的光信号经面阵CCD(电荷耦合器件)，进行光电转换、信号存储和信号传输，将所探测到的太赫兹波成像于电子显示屏上，完成二维电光面阵成像过程。随着现今的材料制备和刻蚀技术的不断提高，本发明所设计的m×n二维电光面阵的阵元能够做得更加小，这样就更加提高了空间分辨率。
权利要求
1.一种太赫兹波二维电光面阵成像方法，其特征在于通过构建二维电光面阵成像系统，用二维面阵电光晶体探测器取代现有的单块状探测器，在探测部分后面放置一光学检偏器，取出对应于每个二维面阵电光晶体探测器上的被成像物体调制后的光信号，再经电荷耦合器件成像于电子显示屏上，完成二维电光面阵成像过程。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波二维电光面阵成像方法，其特征是，具体步骤如下首先，构建一个太赫兹波二维电光面阵成像系统，即由m×n个小面积碲化锌组成的m×n二维电光面阵，每个微小面积的碲化锌阵元都是一个独立的探测器，即二维面阵电光晶体探测器，其次，将二维面阵电光晶体探测器放在太赫兹波二维电光面阵成像系统的像平面上，取代原来同样面积的单块的探测信号的半导体碲化锌即单块状探测器，载有物体二维太赫兹波强度分布的太赫兹波成像波通过此面阵，然后，在探测部分后面放置一光学检偏器，经光学检偏得到物体在可见、近红外波的太赫兹波成像，取出对应于每个二维面阵电光晶体探测器上的被成像物体调制后的光信号，最后，被成像物体调制后的光信号通过面阵电荷耦合器件，进行光电转换、信号存储和信号传输，再将所探测到的太赫兹波成像于电子显示屏上，完成二维电光面阵成像过程。
3.根据权利要求1所述的太赫兹波二维电光面阵成像方法，其特征是采用半导体材料碲化锌，或采用电光效应较强的有机聚合物薄膜作为二维面阵电光晶体探测器材料，这些材料通过分子束外延，化学生长后进行物理化学刻蚀成格子网状而构成m×n二维电光面阵。
4.根据权利要求2或3所述的太赫兹波二维电光面阵成像方法，其特征是m×n二维电光面阵材料及其尺寸由分子束外延和物理化学刻蚀得到，材料的尺寸在μm即1×10-12m量级。
全文摘要
一种太赫兹波二维电光面阵成像方法属于探测技术领域。本发明通过构建二维电光面阵成像系统，用二维面阵电光晶体探测器取代现有的单块状探测器，在探测部分后面放置一光学检偏器，取出对应于每个二维面阵电光晶体探测器上的被成像物体调制后的光信号，再经电荷耦合器件成像于电子显示屏上，完成二维电光面阵成像过程。本发明能够直接探测二维的太赫兹波信号，然后利用CCD进行二维成像，有着很高的时间分辨率和比较好的空间分辨率、信噪比，是采集有着广泛应用前景和价值的太赫兹波的一种新的方法，它的意义在于实现了从逐点扫描采集信号、空间分辨率不高的二维成像到时间和空间分辨率较好的二维面阵成像的一个飞跃。
文档编号G01N21/31GK1445529SQ03116029
公开日2003年10月1日 申请日期2003年3月27日 优先权日2003年3月27日
发明者顾春明, 刘锐 申请人:上海交通大学