本申请要求分别于2013年12月4日以及2014年6月4日以弗拉基米尔G.柯兹洛夫(Vladimir·G.Kozlov)和帕特里克F.泰卡韦茨(Patrick·F.Tekavec)之名提交的美国临时申请号61/912,004和62/007,904的优先权，所述临时申请两者如同在此完整阐述的那样通过引用结合在此。
本发明是在美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation)授予的编号为NSFSBIR7324191的合同下利用政府支持完成的。美国政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明的领域涉及使用太赫兹频率辐射进行成像。具体地，披露了用于太赫兹图像的高对比度、近实时采集的多种系统和方法。
背景技术：
之前已经披露了用于使用太赫兹频率辐射进行生成、检测或成像的多种系统和方法。这些系统和方法中的一些系统和方法被披露于以下专利中：
-1997年4月22日授权给努斯(Nuss)的题为“用于太赫兹成像的方法和设备(Methodandapparatusforterahertzimaging)”的美国专利号5,623,145(朗讯科技有限公司)；
-1998年1月20授权给努斯(Nuss)的题为“用于太赫兹成像的方法和设备(Methodandapparatusforterahertzimaging)”的美国专利号5,710,430(朗讯科技有限公司)；
-1998年8月4日授权给努斯(Nuss)的题为“采用太赫兹辐射的光学系统(Opticalsystememployingterahertzradiation)”的美国专利号5,789,750(朗讯科技有限公司)；
-1997年8月18日授权给布雷纳(Brener)等人的题为“近场太赫兹成像(Nearfieldterahertzimaging)”的美国专利号5,894,125(朗讯科技有限公司)；
-1999年8月17授权给雅各布森(Jacobsen)等人的题为“用于处理并分析太赫兹波形的系统和方法(Systemsandmethodsforprocessingandanalyzingterahertzwaveforms)”的美国专利号5,939,721(朗讯科技有限公司)；
-1999年9月14日授权给张(Zhang)等人的题为“用于表征自由空间电磁辐射的电光感测设备和方法(Electro-opticalsensingapparatusandmethodforcharacterizingfree-spaceelectromagneticradiation)”的美国专利号5,952,721(伦斯勒理工学院)；
-2000年6月20日授权给米特尔曼(Mittleman)等人的题为“用于太赫兹断层成像的方法和设备(Methodandapparatusforterahertztomographicimaging)”的美国专利号6,078,047(朗讯科技有限公司)；
-2002年7月2日授权给张(Zhang)等人的题为“使用啁啾光脉冲对电磁辐射进行电光/磁光测量(electro-optic/magneto-opticmeasurementofelectromagneticradiationusingchirpedopticalpulse)”的美国专利号6,414,473(伦斯勒理工学院)；
-2003年5月22日以弗格森(Ferguson)等人之名公开的题为“用于对对象执行三维太赫兹成像的方法和系统(Methodandsystemforperformingthree-dimensionalterahertzimagingonanobject)”的公开号WO2003/042670(伦斯勒理工学院)；
-2007年9月18日授权给海耶斯(Hayes)等人的题为“高效波导脉冲THz电磁辐射源和组匹配波导THz电磁辐射源(HighlyefficientwaveguidepulsedTHzelectromagneticradiationsourceandgroup-matchedwaveguideTHzelectromagneticradiationsource)”的美国专利号7,272,158；
-2008年3月4日授权给维多谢诺夫(Vodopyanov)等人的题为“在定向图案半导体中太赫兹辐射的生成(Generationofterahertzradiationinorientation-patternedsemiconductors)”的美国专利号7,339,718(美国微技术仪器、俄勒冈州立大学、斯坦福大学)；
-2008年3月25日授权给维多谢诺夫(Vodopyanov)等人的题为“太赫兹辐射生成及其方法(Terahertzradiationgenerationandmethodstherefor)”的美国专利号7,349,609；
-2011年4月19日授权给穆勒(Moeller)的题为“廉价太赫兹脉冲波生成器(InexpensiveTerahertzPulseWaveGenerator)”的美国专利号7,929,580(阿尔卡特-朗讯美国公司)；
-2011年10月11日授权给柯兹洛夫(Kozlov)等人的题为“太赫兹可调谐源、分光仪和成像系统(Terahertztunablesources,spectrometers,andimagingsystems)”的美国专利号8,035,083(美国微技术仪器公司)；
-2012年1月12日以卡恩(Khan)等人之名公开的题为“太赫兹感测系统和方法(Terahertzsensingsystemandmethod)”的美国公开号2012/0008140(麻省理工学院；2013年8月20日授权的现在专利号8,514,393)。
-2013年12月3日授权给柯兹洛夫(Kozlov)等人的题为“用于非线性光生成的同步泵浦光学参量振荡器的校准和优化(Alignmentandoptimizationofasynchronouslypumpedopticalparametricoscillatorfornonlinearopticalgeneration)”的美国专利号8,599,474(美国微技术仪器)；
-2013年12月3日授权给柯兹洛夫(Kozlov)等人的题为“用于非线性光生成的同步泵浦光学参量振荡器的校准和优化(Alignmentandoptimizationofasynchronouslypumpedopticalparametricoscillatorfornonlinearopticalgeneration)”的美国专利号8,599,475(美国微技术仪器)；
-2013年12月3日授权给柯兹洛夫(Kozlov)等人的题为“用于非线性光生成的同步泵浦光学参量振荡器的校准和优化(Alignmentandoptimizationofasynchronouslypumpedopticalparametricoscillatorfornonlinearopticalgeneration)”的美国专利号8,599,476(美国微技术仪器)；
-吴(Wu)等人；“THz光束的二维电光成像(Two-dimensionalelectro-opticimagingofTHzbeams)”；应用物理学快报，69卷，8号，1026页(1996)；
-江(Jiang)等人；“通过电光效应进行太赫兹成像(Terahertzimagingviaelectroopticeffect)”；IEEE-微波理论和技术会报，47卷，12号，2644页(1999)；
-江(Jiang)等人；“用动态减法技术改进太赫兹成像(Improvementofterahertzimagingwithadynamicsubtractiontechnique)”；应用光学杂志，39卷，17号，2982页(2000)；
-纳哈塔(Nahata)等人；“使用电光检测对连续波太赫兹辐射的二维成像(Two-dimensionalimagingofcontinuous-waveterahertzradiationusingelectro-opticdetection)”；应用物理学快报，81卷，6号，963页(2002)；
-萨瑟兰(Sutherland)等人；第二非线性光学手册(2003)；纽约：马塞尔·德克(MarcelDekker)；
-米良(Yonera)等人；“使用高速CMOS相机基于二维EO采样的毫秒THz成像(MillisecondTHzimagingbasedontwo-dimensionalEOsamplingusingahighspeedCMOScamera)”；激光与光电学会议，论文编号CMB3(2004)；
-丁(Ding)等人；“在GaP晶体中的相位匹配THz频率上变换(Phase-MatchedTHzFrequencyUpconversioninaGaPCrystal)”；激光与光电学会议，论文编号CTuL3(2006)；
-丁(Ding)等人；“在ZnGeP2晶体中THz到近红外参量变频的观察(ObservationofTHztonear-InfraredparametricconversioninZnGeP2crystal)”；光学快报，14卷，18号，8311页(2006)；
-赫尔巴特(Hurlbut)等人；“在GaAs中的准相位匹配THz生成(Quasi-PhasematchedTHzGenerationinGaAs)”；激光与光电学会议，论文编号CTuGG(2006)；
-曹(Cao)等人；“脉冲窄带太赫兹辐射的相干检测(Coherentdetectionofpulsednarrowbandterahertzradiation)”；应用物理学快报，88卷，011101页(2006)；
-维多谢诺夫(Vodopyanov)；“在周期反向的电光晶体中窄带太赫兹分组的光学生成：变频效率和最优激光脉冲格式(Opticalgenerationofnarrow-bandterahertzpacketsinperiodicallyinvertedelectro-opticcrystals:conversionefficiencyandoptimallaserpulseformat)”；光学快报，14卷，6号，2263页(2006)；
-李(Lee)等人；“在周期反向的GaAs结构中通过光整流生成多周期太赫兹脉冲(GenerationofmulticycleterahertzpulsesviaopticalrectificationinperiodicallyinvertedGaAsstructures)”；应用物理学快报，89卷，181104页(2006)；
-卡恩(Khan)等人；“通过使用非线性参量上变换对太赫兹辐射进行光学检测(Opticaldetectionofterahertzradiationbyusingnonlinearparametricupconversion)”；光学快报，32卷，22号，3248页(2007)；
-沙宾(Schaar)等人；“在同步泵浦光学参量振荡器中使用准相位匹配GaAs进行的腔内太赫兹波生成(Intracavityterahertz-wavegenerationinasynchronouslypumpedopticalparametricoscillatorusingquasi-phase-matchedGaAs)”；光学快报，32卷，10号，1284页(2007)；
-卡恩(Khan)等人；“使用非线性参量上变换对太赫兹进行光学检测(Opticaldetectionofterahertzusingnonlinearparametricupconversion)”；光学快报，33卷，23号，2725页(2008)；
-维多谢诺夫(Vodopyanov)等人；“经由在环形腔光学参量振荡器内部的多频谱混合进行的共振增强型THz波生成(Resonantly-enhancedTHz-wavegenerationviamultispectralmixinginsidearing-cavityopticalparametricoscillator)”；激光与光电学会议，论文编号CTuG1(2009)；
-彼得森(Pedersen)等人；“使用固态激光器的增强型2D图像上变换(Enhanced2D-imageupconversionusingsolid-statelasers)”；光学快报，17卷，23号，20885页(2009)。
-赫尔巴特(Hurlbut)等人；“在由光纤激光器泵浦的高精细度环形腔OPO内部的THz波生成(THz-wavegenerationinsideahigh-finessering-cavityOPOpumpedbyafiberlaser)”；激光与光电学会议，论文编号CWF3(2010)；
-泰卡韦茨(Tekavec)等人；“基于腔内差频生成的高效高功率可调谐的太赫兹源(Efficienthigh-powertunableterahertzsourcesbasedonintracavitydifferencefrequencygeneration)”；第36届关于红外、毫米和太赫兹波的国际会议中的论文编号IRMMW-THz(2011)；以及
-泰卡韦茨(Tekavec)等人；“使用II型环形腔光学参量振荡器从准相位匹配的砷化镓中生成太赫兹(Terahertzgenerationfromquasi-phasematchedgalliumarsenideusingatypeIIringcavityopticalparametricoscillator)”；国际光学工程学会学报8261，太赫兹技术和应用V,82610V；doi：10.1117/12.909529(2012)；
-克莱里西(Clerici)等人；“通过克尔变频对太赫兹场进行的基于CCD的成像和3D空间时间映射(CCD-basedimagingand3Dspace-timemappingofterahertzfieldsviaKerrfrequencyconversion)”；光学快报，38卷，11号，1899页(2013年6月1日)；
-范(Fan)等人；“在DAST晶体中通过频率上变换在60fps处进行的室温太赫兹波成像(Roomtemperatureterahertzwaveimagingat60fpsbyfrequencyup-conversioninDASTcrystal)”；国际光学工程学会学报8964，非线性频率生成和变频：材料、装置和应用XIII，89640B(2014年2月20日)；doi：10.1117/12.2038685；
-范(Fan)等人；“在4-二甲氨基-N′-甲基-4′-茋唑鎓甲苯磺酸盐晶体中通过非线性光学频率上变换进行实时太赫兹波成像(Real-timeterahertzwaveimagingbynonlinearopticalfrequencyup-conversionina4-dimethylamino-N′-methyl-4′-stilbazoliumtosylatecrystal)”；应用物理学快报，104,101106(2014)；doi：10.1063/1.4868134；以及
-泰卡韦茨(Tekavec)等人；“视频速率3DTHz断层扫描(VideoRate3DTHztomography)”：截稿日期后的论文，激光与光电学会议(2014年6月8-13日，圣荷西，加利福尼亚)；如在此完整阐述的那样通过引用结合在此。
技术实现要素：
通过非线性光学过程(例如，利用近IR上变换光束的合频生成或差频生成)对太赫兹图像光束进行上变换。经上变换的图像由近IR图像检测器所采集。该太赫兹图像光束和上变换光束包括多个皮秒脉冲序列。该太赫兹图像光束和该上变换光束的带宽和中心波长为使得可以采用波长滤波来准许经上变换的图像光束到达该检测器同时阻挡或基本上衰减该上变换光束。
在参照在附图中所展示并且在以下书面说明中所披露的示例性实施例之后，与对太赫兹图像的上变换以及对经上变换的图像的检测有关的目的和优点可以变得明显。
提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述既不旨在标识所披露的主题的关键特征或重要特征，也不旨在用作确定随后所要求保护的主题的范围的辅助手段。
附图说明
图1示意性地展示了一种用于采集经上变换的太赫兹图像的设备的第一示例。
图2示意性地展示了一种用于采集经上变换的太赫兹图像的设备的第二示例。
图3A至图3D是上变换光束和经上变换的太赫兹图像光束在任何基于偏振或基于波长的滤波之前的频谱示例；图3E是经上变换的太赫兹图像光束和残余上变换光束的偏振滤波和波长滤波的频谱的示例。
图4是对用于采集太赫兹图像的若干种技术的估计信号强度进行比较的表格。
图5示意性地展示了太赫兹成像光束和上变换光束的源的示例。
图6A至图6C是三个测试对象的可见图像；图7A至图7C是那些对象在透射中的原始的经上变换的太赫兹图像；图8A至图8C是那些对象在透射中的归一化的、经上变换的太赫兹图像。
图9A至图9C是三个其他测试对象的可见图像；图10A至图10C是那些对象在透射中的原始的经上变换的太赫兹图像；图11A至图11C是那些对象在透射中的归一化的、经上变换的太赫兹图像。
图12示意性地展示了一种用于采集经上变换的太赫兹图像的设备的第三示例。
图13A和图13B分别是测试对象的可见的以及反射的经上变换的太赫兹图像。
图14A是针对深度相关的反射式太赫兹成像的测试对象的示意性分解视图。图14B包括图14A的测试对象在一系列不同深度处的经反射式且经上变换的太赫兹图像。
图15示意性地展示了用于采集经上变换的太赫兹图像的设备的第四示例。
图16示意性地展示了可以使用图15的设备来产生的模拟信号。
应当注意，本披露中所描绘的实施例仅被示意性地示出，并且不是所有特征都可以完全详细地或以合适的比例示出。为了清楚起见，某些特征或结构可以相对于其他特征或结构被夸大。应当进一步注意，所示实施例仅仅是示例，并且不应当被解释为限制书面说明或随后呈现的权利要求书的范围。
具体实施方式
电磁波频谱的太赫兹(THz)波区域(即，约0.1THz至约10THz)(在微波与长波红外频谱区域之间的相对未充分开发的频谱“间隙”)因为若干原因而引人关注。许多生物或化学合成物在此频谱区域中具有独特的吸收特征，使得太赫兹辐射对于在防卫、安全、生物医学和工业环境中成像而言具有吸引力。太赫兹辐射可以几乎没有衰减地以很少衰减或无衰减地通过对光、紫外线或红外辐射不透明的许多物质(例如，陶瓷、纤维织物、干性有机材料、塑料、纸或各种包装材料)。利用太赫兹辐射进行成像使得亚毫米空间分辨率成为可能，有可能提供与在较长波长处(例如，使用毫米波)所获得的图像相比具有更高质量的图像。
由于对用于在使用单通道检测器时获得二维图像的光栅扫描的需要，或者由于对辐射热检测器或阵列的低温冷却的需要，以太赫兹频率直接采集或检测图像受到合适检测器(例如，辐射热测量计、高莱盒、或微辐射热测量计阵列)的典型低灵敏度或低空间分辨率的阻碍。具有高空间分辨率在室温下可操作的灵敏的二维检测器阵列(例如，CCD阵列、CMOS阵列或InGaAs阵列)可容易用于检测在电磁波频谱的可见光和近红外(近IR)部分(即，波长从约400nm至约3000nm)中的图像；以上所指出的针对直接检测太赫兹频率图像的问题可以通过使用这种检测器而避免，然而，那些检测器对太赫兹辐射不敏感。可以利用各种非线性光学效应以使能够使用可见光或近IR检测器或阵列来采集太赫兹图像。
所谓的相干检测可以被用于使用可见光或近IR检测器来采集太赫兹图像；示例在吴等人、米良等人、江等人以及张等人的参考文献(以上所列举的)中被披露。该相干检测方法通常采用短光学泵浦脉冲(例如，在可见光或近IR波长处＜100飞秒(fs))以创造宽带THz脉冲。THz脉冲的相干检测可以通过在电光晶体中将其与短光学探测脉冲(例如，在可见光或近IR波长处＜100fs；通常泵浦脉冲的幅度缩放副本)混合而实现。光学探测脉冲的偏振由于泡克尔斯效应被THz脉冲电场所旋转；旋转量与THz场幅度成比例并且可以通过检测分析器偏振片而被测量。可以使用与对象或THz图像的光栅扫描组合的单个检测器元件来实现相干检测，或者可以采用可见光或近IR检测器阵列(例如，CCD相机或CMOS阵列)，由此消除了对光栅扫描的需求。然而，所采集的图像的图像对比度通常受低信噪比限制。此外，由短光学脉冲生成的THz辐射的宽光学频率带宽(通常约2THz至3THz)经常导致在那个带宽内的某些频率的显著的大气吸收，导致损耗THz功率并且吸收THz频率谱。
在此披露的是相干检测的一种替代方案，其中，可以采用可见光或近IR检测器或阵列通过(i)将THz图像非线性光学上变换为光学或近红外波长(即，约400nm至约3000nm)并且(ii)使用检测器或阵列检测上变换图像来采集那些图像。在图1和图2中示意性地展示了用于生成并采集经上变换的太赫兹图像的系统的示例。在每个示例中，对象10被在λTHz＝c/νTHz(c是光速)的波长处的太赫兹辐射的光束(即，太赫兹成像光束21)照射。可以通过从对象10反射或散射或者通过穿过或绕对象10透射而生成太赫兹图像。经反射或经透射的太赫兹图像光束20被第一聚焦元件31(在图1和图2中被示出为单透镜；可以采用离轴抛物面反射器或其他一个或多个适合于太赫兹辐射的穿透式或反射式聚焦元件)聚集并且被转发至上变换非线性光学介质36。通过光束组合器34将在可见光或近IR波长λUC处的上变换光束22与太赫兹图像光束20(通常基本上共线地)进行组合；光束组合器可以是任何合适的类型或构造(例如，薄膜)，并且或者可以在透射太赫兹图像光束20时(如在图1和图2中所示)反射上变换光束22，或者可以在反射太赫兹图像光束20时(未示出)透射上变换光束22。
太赫兹图像光束20和上变换光束22共同传播通过上变换非线性光学介质36，其中，一个或多个经上变换的图像光束24由太赫兹图像光束20与上变换光束22之间的非线性光学相互作用产生(合频生成或差频生成，分别为SFG或DFG)。来自上变换光束22的残余辐射被一个或多个波长相关的滤波器38或一个或多个偏振片39(这些偏振片共同地构成图像滤波元件)衰减或阻挡。一个或多个经上变换的图像光束24(在1/λDFG＝1/λUC–1/λTHz或1/λSFG＝1/λUC+1/λTHz处)被第二聚焦元件32(在图1和图2中被示出为单透镜；可以采用任何一个或多个适合于经上变换的图像光束的波长的穿透式或反射式聚焦元件)聚集并且被转发至可见光或近IR检测器阵列40以检测经上变换的图像。来自太赫兹图像光束20的任何残余辐射是否到达检测器阵列40大部分不相干，因为太赫兹辐射在可见光或近IR检测器阵列40上通常将没有可辨别的效应。然而，检测器阵列40对来自上变换光束22的残余辐射敏感；任何这种到达检测器阵列40的残余上变换辐射表示用于检测一个或多个经上变换的图像光束24的不期望的背景信号(以下进一步讨论)。
检测器阵列40在示例中被示出并且被描述，使得能够通过在检测器阵列的多个相应的检测器元件上同时接收经上变换的图像光束的不同的空间部分而采集整张图像。然而，本披露或所附权利要求书还可以包含使用单个检测器元件，跨经上变换的图像光束对单个检测器元件进行扫描以便依序在单个检测器元件上接收经上变换的图像光束的多个不同的空间部分。
第一聚焦元件31的有效焦距(例如，单透镜或单曲面镜的焦距，或者多部件聚焦元件的有效焦距)是f1，第二聚焦元件32的有效焦距是f2。在图1的配置中，对象10与第一聚焦元件31之间的距离是do1，第一聚焦元件31与非线性光学介质36之间的距离是di1，并且对象10、第一聚焦元件31和非线性光学介质36被定位为使得1/do1+1/di1＝1/f1，即，对象10和非线性光学介质36被定位在由聚焦元件31定义的共轭平面上，从而使得对象10的太赫兹图像以-di1/do1的放大率在非线性光学介质36处形成。在非线性光学介质36中用上变换光束22通过SFG或DFG对那个太赫兹图像进行上变换。非线性光学介质36与第二聚焦元件32之间的距离是do2，第二聚焦元件32与检测器阵列40之间的距离是di2，并且非线性光学介质36、第二聚焦元件32和检测器阵列40被定位从而使得1/do2+1/di2＝1/f2，即，非线性光学介质36和检测器阵列40被定位在由聚焦元件32定义的共轭平面上，从而使得在非线性光学介质36中生成的经上变换的图像以-di2/do2的放大率在检测器阵列40处重新成像。相对于对象10在检测器阵列40上形成的图像的总放大率为(di1·di2)/(do1·do2)。
在图2的配置中，对象10与第一聚焦元件31之间的距离是f1，并且第一聚焦元件31与非线性光学介质36之间的距离也是f1。因此，在非线性光学介质36处形成太赫兹图像的空间傅里叶变换；正是在非线性光学介质36中用上变换光束22通过SFG或DFG对其进行上变换的那个空间傅里叶变换以生成太赫兹图像的经上变换的空间傅里叶变换。非线性光学介质36与第二聚焦元件32之间的距离是f2，并且第二聚焦元件32与检测器阵列40之间的距离也是f2。因此，由在非线性光学介质36中生成的经上变换的空间傅里叶变换在检测器阵列40处形成经上变换的图像。相对于对象10在检测器阵列40上形成的图像的总放大率为-(λUC·f2)/(λTHz·f1)。在某些情形中，图2的配置可以导致图像上变换系统的更紧致的安排，因为通常di1+di2+do1+do2大于2(f2+f1)。
在定位对象10的任何实际系统中，聚焦元件31和32、非线性光学介质36或者检测器阵列40可能偏离以上所描述的两种配置给出的准确位置。出于本披露或所附权利要求书的目的，如果针对给定的应用经上变换的图像在具有足够好的质量的检测器阵列40处形成，则给定的成像安排将被认为符合那些配置之一。
在以上所描述的两种配置中的任何一种配置中，上变换聚焦元件33将上变换光束22传送进入非线性光学介质36中以与太赫兹图像光束20进行交互。上变换光束22优选地在非线性光学介质36处被制成如可行的那么小(针对导致增加的上变换效率的上变换光束的增加的强度)同时仍然基本上空间上覆盖整个太赫兹图像光束20并且基本上展现平坦的波前以及跨太赫兹图像或傅里叶变化的空间范围的足够小的空间强度变化。为了那些目的，通常聚焦元件33(例如，单透镜、单曲面镜、望远镜或者一个或多个穿透式或反射式聚焦部件的合适组合)被安排成用于在非线性光学介质36处形成上变换光束22的相对缓慢聚焦的光束腰。例如，聚焦元件33可以被安排成用于在非线性光学介质36处产生约7mm宽(半峰全宽，即，FWHM)的光束腰；可以采用其他合适的宽度。过小的上变换光束尺寸的效果取决于成像系统的配置。在图1的配置中，如果没有对太赫兹图像的周边部分进行上变换，则较小的上变换光束22可以导致经上变换的图像的周边部分的丢失。在图2的配置中，如果没有对太赫兹图像的较大的波矢分量(即，空间傅里叶变换的周边部分)进行上变换，则较小的上变换光束22可以导致经上变换的图像的锐度损失。在任何一种配置中，与上变换光束22的平坦波前或统一强度的偏差通常可以被容忍；可以被容忍的这种偏差的幅度可以变化并且通常取决于经上变换的图像所需要或所期望的图像质量。除了以上讨论的太赫兹图像光束20与上变换光束22的空间重叠之外，还需要那些光束的对应的脉冲序列的大量的时间重叠以实现太赫兹图像的上变换的期望效率。合适的延迟线可以被插入太赫兹图像光束20或上变换光束22的一者或两者的光束路径中(例如，图12中的延迟线42)；延迟线可以是可调节的以使得上变换效率的优化成为可能。
在图3A至图3D中示出了在上变换光束22和两个经上变换的图像光束24的波长频谱的示例。在每个示例中，在非线性光学介质36中通过THz图像光束20(中心在νTHz≈1.55THz处)与上变换光束22(图3A中的中心在λUC≈800nm处；图3B至图3D中的中心在λUC≈1064nm处)之间的合频或差频生成(分别为SFG和DFG)形成经上变换的图像光束24。根据SFG和DFG非线性光学过程的性质，在某些情形中，那些过程中的仅一个过程将产生相应的经上变换的图像光束24。
在图3A的示例中，上变换光束22包括持续时间约100fs的脉冲序列，该脉冲序列具有相应的以λUC≈800nm为中心的约15nm的频谱带宽。经上变换的图像光束24具有相应的具有类似的频谱带宽的λSFG≈796nm和λDFG≈804nm的中心波长。在此示例中，经上变换的图像光束24在非线性光学介质36中由于针对SFG和DFG所采用的非线性光学过程(例如，I型或II型非线性光学过程)的性质相对于上变换光束22被正交偏振。较短的脉冲持续时间(约100fs)增强了SFG和DFG过程的效率，但是伴随的较大的带宽(约15nm)导致上变换光束22与经上变换的图像光束24的大量的频谱重叠。由于此重叠，波长相关的滤波器38通常不可以被采用作为用于衰减残余上变换光束22的图像滤波元件的一部分。上变换光束22与经上变换的图像光束24的正交偏振使得能够使用偏振片39作为用于衰减残余上变换光束22的图像滤波元件。然而，偏振片将针对阻挡的偏振状态至多展现约10-6的衰减(10-4至10-5更现实)并且残余上变换光束22由于通过非线性光学介质36和各种其他光学部件通常不再纯线性偏振状态中。残余的上变换光束22的泄露通过偏振片39的部分经常可以基本上比经上变换的图像光束24密度更高。此外，如以上指出的，THz图像光束20的宽光学频率带宽遭受某些频率成分的显著大气吸收。由于所有这些原因，这种较短持续时间的脉冲(几百飞秒或更短，相应地具有大的频谱带宽)具体地不是很好地适于太赫兹图像的上变换。
在各种其他之前的示例中(例如，在以上例举的卡恩等人、纳哈塔等人、曹等人、以及丁等人的参考文献中披露的那些示例；在图3B中示出的代表性频谱，其中，λUC≈1064nm、λSFG≈1058nm、并且λDFG≈1070nm)，太赫兹光束和上变换光束包括持续时间为若干纳秒(ns)的脉冲(相应地具有窄频谱带宽(例如，＜0.1nm))，使得能够在图像滤波元件中采用波长相关的滤波器以在检测经上变换的信号之前衰减残余上变换辐射。然而，较长脉冲要求上变换光束的脉冲能量接近非线性光学介质36的损害阈值以实现太赫兹图像的可检测的上变换。这种脉冲能量通常仅在低重复率脉冲激光器(例如，10Hz数量级的脉冲重复率)中可获得，然而，脉冲到脉冲的波动倾向于使经上变换的图像的小信号水平的检测模糊不清。大多数检测器阵列对在这种低重复率上相当低的平均功率敏感。重复率也比得上近实时视频成像的期望帧速率，并且因此并不很好地适于那个应用；视频速率成像将要求每帧单脉冲。此外，上变换光束通常必须包括在期望DFG波长处的辐射以使得能够检测经上变换的图像，使得那个检测为内在地非零背景过程(例如，如曹等人的参考文献)。由于所有这些原因，这种较长持续时间的脉冲(若干纳秒或更长，相应地具有窄频谱带宽)以及这种高脉冲能量具体地不很好地适于太赫兹图像的上变换。
在根据本披露的发明示例中(图3C)，太赫兹图像光束20和上变换光束22包括持续时间约6至10皮秒(ps；FWHM)的脉冲序列，上变换光束的带宽约为0.3nm(FWHM)，并且太赫兹图像光束类似地在其频率谱(例如，小于以约1.55THz为中心的100GHz(FWHM)，因此使得能够基本上避免大气吸收频带)中很窄；以下进一步描述那些脉冲序列的生成。随着以λUC≈1064nm为中心的上变换光束22，经上变换的图像光束24具有相应的λSFG≈1058nm和λDFG≈1070nm的中心波长以及具有类似窄的频谱带宽。如在之前的示例中，经上变换的图像光束24在非线性光学介质36中由于针对SFG和DFG所采用的非线性光学过程(例如，I型或II型非线性光学过程)的性质相对于上变换光束22被正交偏振。上变换光束22与经上变换的图像光束24的正交偏振使得能够在用于衰减残余上变换光束22的图像滤波元件中使用偏振片39。相对于图3A的示例的较长脉冲导致SFG和DFG过程的降低的峰值强度以及降低的效率，尽管那些过程仍然比图3B中的示例更高效。然而，相对较小的频谱带宽基本上消除了上变换光束22与经上变换的图像光束24的频谱重叠，使得能够在用于衰减残余上变换光束22的代替或者除了偏振片39之外的图像滤波元件中使用一个或多个波长相关的滤波器38。一个或多个波长相关的滤波器38与偏振片39的组合可以谨慎地在10-10并且可能多达10-12的数量级上产生残余上变换光束22的衰减，基本上产生相对于以上所描述的并且在所列举的参考文献中的之前所采用的方法(参见图3E的频谱和图4的表)的更高的信噪比。替代地，缺乏上变换光束22与经上变换的图像光束24的频谱重叠可以使得能够将偏振片39从图像滤波元件中消除并且在非线性光学介质36中使用替代的、可能更高效的、非线性的光学过程，例如，在其中所有偏振彼此平行的0型非线性光学过程。脉冲持续时间还使得太赫兹图像采集能够与太赫兹断层扫描技术相组合以采集源自样本内不同深度的具有若干毫米数量级的空间分辨率的图像。
根据本披露的另一个发明示例(图3D)类似于图3C的示例，除了所采用的脉冲的持续时间为约1-2ps(FWHM)以及带宽约1nm(FWHM)。那些参量可以增加太赫兹图像上变换的效率(由于较短的脉冲持续时间导致更高的强度)同时仍然使得残余上变换光束的有效的基于波长的滤波是有可能的。较短的脉冲持续时间还使得当太赫兹图像采集与太赫兹断层扫描技术组合以采集源自样本内的不同深度的图像时的提高的空间分辨率(例如，毫米数量级)是有可能的。
在另一个发明示例中，太赫兹图像光束可以以约0.85THz为中心，其频谱宽度类似于以上示例中的一个频谱宽度(使得能够基本上避免大气吸收频带)。如果上变换光束以类似的频谱宽度以约λUC≈1064nm为中心，则经上变换的图像光束将具有相应的λSFG≈1061nm和λDFG≈1067nm的中心波长以及类似的频谱宽度。上变换光束与经上变换的图像光束之间的较小的频谱分离可能需要增强的频谱滤波以充分地衰减上变换光束。
可以采用任何合适的非线性光学介质36以生成经上变换的图像光束24。一种合适的介质包括具有两个或更多个光学接触的砷化镓(GaAs)或磷化镓(GaP)板的堆叠。选择这些板的厚度以引起由太赫兹图像光束20的上变换光束22到一个或多个经上变换的图像光束24的准相位匹配上变换。在一个示例中，可以采用6至12个GaAs板的堆叠(每个板约300μm厚)以使用I型或II型非线性光学过程从在约1.55THz处的太赫兹图像光束20和在约1064nm处的上变换光束22中产生在1058nm和1070nm处的经上变换的图像光束24(即，上变换光束22的偏振基本上与经上变换的光束24的偏振正交)。更多的板可以引起更高的上变换效率，但是维持足够高的光学质量的困难随着增加的板数量而增加。针对太赫兹频率与上变换波长的其他组合可以采用其他的板厚度。可以采用任何其他合适的非线性光学材料，可以采用任何其他合适的相位匹配或准相位匹配方案，并且可以采用任何合适的非线性光学过程，例如，0型、I型、II型等。
如果在介质36中的非线性光学过程仅产生一个经上变换的图像光束24，或者如果期望在检测器阵列40处检测到多个经上变换的图像光束24中的仅一个经上变换的图像光束，那么可以采用衰减或阻挡上变换光束22同时使得一个经上变换的图像光束的至少一部分(频谱上)能够到达检测器40的短通或长通截止滤波器38。例如，针对在图3C和图3D中示出的示例频谱，可以采用具有在1064nm与1070nm之间的截止波长的长通滤波器38，该长通滤波器将衰减或阻挡在1064nm处的残余上变换光束22以及在1058nm处的经上变换的图像光束24(如果存在的话)，但是将把在1070nm处的经上变换的图像光束24的至少一部分透射至检测器阵列40；在图3E中示出了由这种安排透射的频谱的示例。类似地，可以使用具有在1058nm与1064nm之间的截止波长的短通滤波器38以使得在1058nm处的经上变换的图像光束能够到达检测器阵列40同时衰减或阻挡在1064nm处的残余上变换光束22以及在1070nm处的经上变换的图像光束24(如果存在的话)。
在另一个示例中，可以采用标称地中心在1064nm处的所谓的陷波滤波器38(例如，布拉格滤波器)以衰减或阻挡残余上变换光束22同时使得两个经上变换的光束24的至少一部分(频谱上)能够到达检测器40。实际上，适合于在图3C或图3D中示出的波长的特定的组合的陷波滤波器可以不提供上变换光束22与经上变换的图像光束24之间的足够的区别，即，目前难以设计并制造在那些波长处展现残余上变换光束22的充分衰减以及经上变换的图像光束24的充分透射两者的这种陷波滤波器。同样，取决于上变换光束22的源的性质，其频谱可以在某些情形中展现多余的带宽或不想要的子频带；此问题可以在某些情形下通过使用以λUC为中心的带通滤波器来“清理”上变换光束22的频谱而被缓和。在任何情况下，可以针对波长的其他的、更宽地分隔的组合适当地采用目前可用的陷波滤波器，或者可以利用图3C或图3D的波长的组合采用具有改进的设计和性能的未来的陷波滤波器。
注意，即使仅一个经上变换的图像光束24有待在检测器阵列40处被采集，产生DFG经上变换的图像光束24可以是有利的。每个SFG光子是以损失相应的太赫兹光子为代价而从太赫兹图像光束20中产生的；SFG经转换的图像光束24的强度因此受在太赫兹图像光束20中可获得光子的数量限制。相比而言，在经上变换的图像光束24中产生的每个DFG光子也引起在太赫兹图像光束20中产生的新光子。DFG经上变换的图像光束24的强度因此受在上变换光束22中可用的光子的数量(更多)限制。因此，如果仅一个经上变换的图像有待被采集，那么可以令人期望的是采用DFG来生成那个经上变换的图像。然而，DFG经上变换的图像光束24的生成使得在太赫兹图像光束20中额外的光子对SFG而言是可用的。即使DFG经上变换的图像光束24被滤波器38衰减或阻挡并且仅SFG经上变换的图像光束24到达检测器阵列40，DFG经上变换的图像光束24的生成可以增加SFG经上变换的图像光束24的检测强度。
注意，在之前的段落中描述的同时的SFG和DFG仅在特定的条件下发生。在此所描述的示例中，准相位匹配SFG和DFG过程的接受带宽足够大使得两个过程可以针对在图3C和图3D的示例中示出的λUC≈1064nm、λSFG≈1058nm和λDFG≈1070nm的组合以近似最佳的效率发生。对于相隔较远的SFG和DFG波长(即，对于较高的太赫兹频率)，或者对于具有较小的接受带宽的非线性光学介质，可能不能产生SFG和DFG经上变换的图像光束24两者。
任何合适的源可以被采用以便(i)产生用来生成太赫兹成像光束21的皮秒持续时间脉冲太赫兹辐射，并且(ii)产生皮秒持续时间脉冲上变换光束22。如果采用分开的源，它们必须被充分良好地同步化，以使得在非线性光学介质36中那些皮秒持续时间脉冲的时间重叠能够产生经上变换的图像光束24。优选的方式包括将共用源用于太赫兹和上变换辐射两者；在那种情形下，太赫兹脉冲和上变换脉冲内在地被同步化。以下描述了多个示例。
图5示意性地展示了太赫兹光束和上变换光束20和22的共用源的示例；该源包括同步泵浦光学参量振荡器100(OPO100)，该振荡器由连续波(cw)锁模光纤激光器200(泵浦激光器200)泵浦，并且包括用于生成太赫兹辐射的腔内非线性光学介质150。这种系统的示例是可商购的(例如，可从美国微技术仪器公司购得的型号TPO-1500-HP)或者在以上所例举的若干参考文献中被披露(例如，专利号7,349,609、专利号8,599,474、专利号8,599,475以及专利号8,599,476，其每个专利通过引用以其全部内容结合在此)。以下描述TPO-1500-HP，但是在此所披露的多种系统和方法不限于使用那个太赫兹源。
cw锁模光纤激光器200(即，泵浦激光器200)在1064nm的波长处产生约10W的平均功率；其输出包括持续时间约6ps、重复率约110MHz的脉冲序列。泵浦输出功率的一小部分(例如，约100mW；如果期望的话是可调节的，例如，通过采用如图12中的波片202和偏振分光束计204)可以被分离并且用作上变换光束22。泵浦输出功率的大部分用于同步地泵浦OPO100，该OPO100被安排成具有腔镜M1至M6的环形腔，这些腔镜在大约2100nm的范围中是高度反射的；OPO共振器可以按照需要或期望包括附加光学元件(例如，具有1.55THz的自由频谱范围的腔内校准器120)。以任何合适的方式安排的任何合适的非线性光学材料可以充当OPO100的参量增益介质110。在TPO-1500-HP中，参量增益介质110是针对在1064nm处的泵浦辐射成为分别在约2116nm和约2140nm处的信号和闲频辐射的0型准相位匹配(QPM)参量下变频安排的周期性偏振的铌酸锂。
腔内非线性光学介质150包括具有两个或更多个光学接触的砷化镓板的堆叠，这些板是针对信号与闲频辐射之间的II型QPM差频生成安排的，产生在约1.55THz处的太赫兹辐射、具有约100GHz的带宽。通常采用6至12或更多个光学接触的GaAs板，更多的板产生更高的太赫兹生成效率，但是在维护充分的光学质量的同时更难以制造堆叠。每个GaAs板约550μm厚，并且相对于在堆叠中的相邻板具有其绕传播轴线旋转180°的晶体轴线以实现在期望的太赫兹频率和信号和闲频波长(在此示例中分别是1.55THz、2116nm和2140nm)处的准相位匹配。堆叠以法线入射来定向，并且在其第一和第二表面上具有减反射涂层以减少在OPO共振器腔中的插入损耗。太赫兹辐射以离轴抛物面镜130耦接到OPO腔之外，该离轴抛物面镜具有洞孔以准许共振信号和闲频光束108的通过。太赫兹输出包括持续时间约6ps-10ps、重复率为110MHz、并且平均功率约300μW、并且峰值功率约400mW的脉冲序列。太赫兹输出光束被采用作为太赫兹成像光束21并且在透射穿过或围绕对象10之后或者在由对象10反射或散射之后变成太赫兹图像光束20。在下述示例中，观察到在没有饱和的证据的情况下经上变换的图像信号随着太赫兹成像光束功率并且随着上变换光束功率基本上线性地变化。这暗示着可以通过进一步增加太赫兹和上变换光束功率而实现经上变换的图像信号的进一步增加。平均太赫兹和上变换光束功率以及高脉冲重复率使得能够进行近实时太赫兹成像，例如，在约5-30FPS或更多的帧率处的视频速率太赫兹成像。
以上所描述的太赫兹源可以提供大部分大量地在1064nm处的多余辐射；并且在许多示例中灵敏检测器阵列在那个波长区域中的随时可用性使得1064nm成为针对上变换光束22的波长λUC的自然选择。然而，在其他示例中，由OPO100产生的接近2100nm的信号或闲频辐射(或两者)可以被采用作为上变换光束22。可以通过使OPO100的共振腔反射镜中的一个反射镜对信号和闲频波长是稍微可透过的而容易地提供那些光束。砷化镓展现了在1064nm处的不可忽略的双光子吸收，这在某些情形中可以限制入射到非线性光学介质36上的上变换光束22的峰值强度；不存在显著的2100nm辐射的双光子吸收。非线性光学介质36可以使用与非线性光学介质150的那些板基本上完全相同的GaAs板制成。如以上已经讨论的，可以使用SFG、DFG单独采用信号或闲频中任一者或两者作为上变换光束22。如果采用在约2116nm处的信号波长，那么SFG导致在约2094nm处的经上变换的图像，而DFG导致在约2140nm处的经上变换的图像；如果采用在约2140nm处的闲频波长，那么SFG导致在约2116nm处的经上变换的图像，而DFG导致在约2164nm处的经上变换的图像。以上针对使用1064nm上变换光束22的SFG和DFG图像上变换讨论了应用其的这些相同问题中的许多问题(例如，基于波长或偏振的滤波)。针对上变换光束22同时使用信号和闲频波长两者可以提供进一步的优点：两个波长的存在可以起放大太赫兹图像光束24的作用，即，闲频波长的上变换光束22在约2140nm处的存在大大地增强了DFG过程，通过该DFG过程从上变换光束22损失的在约2116nm处的每个信号光子导致在太赫兹图像光束20中的新的太赫兹光子。在约2094nm和约2164nm两处产生经上变换的图像光束24。如以上所描述的，基于波长或偏振的滤波问题将同样适用于这种场景。
图6A至图6C示出了分别在一件金属薄片、螺母和刀片中的十字形孔，它们是使用太赫兹图像的上变换来进行成像的(如对象10；在透射中)。图7A至图7C是在左边的相应的原始的经透射并且经上变换的图像以及在右边的经上变换的太赫兹成像光束21(没有对象10)，并且图8A至图8C是相应的归一化的、经上变换的图像(通过按照经上变换的太赫兹成像光束划分原始经上变换的图像光束而被归一化)。用于收集这些图像的运行参量如下(仅作为示例；可以按照需要或期望采用运行参量的其他合适的组合)：
-上变换光束22：平均功率在1064nm处约600mW；频谱宽度约0.15nm；脉冲持续时间约10ps；重复率约80MHz；在非线性光学介质36中的光束尺寸的直径约7mm，
-太赫兹成像光束21：平均功率在1.55THz处约700μW；频谱宽度约80GHz；脉冲持续时间约8ps；重复率约80MHz；在对象10处光束尺寸直径约20mm，
-如图2那样进行安排：f1＝75mm；f2＝250mm，
-太赫兹图像光束20：在非线性光学介质36中光束尺寸直径约1mm，
-非线性光学介质36：六个GaAs板的堆叠(每个板约300μm厚)，
-偏振片39：格兰(Glan)激光偏振片；消减至少10-4，在某些示例中几乎可能10-5，
-滤波器38：长通滤波器；在1064nm处OD约为6；在1070nm处OD小于0.1，
-检测器阵列40：CMOS检测器阵列(P/NDCC3240N)；1280×1024个像素；传感器面积8.69mm×5.43mm；像素尺寸5.3μm，正方形。
图9A至图9C分别示出了由胶带覆盖的刀片、叶子以及一张带有水的纸，它们使用太赫兹图像的上变换进行成像(如对象10；在透射中)。图10A至图10C是相应的原始的经透射的并且经上变换的图像，而图11A至图11C是相应的归一化的经透射的并且经上变换的图像(通过按照经上变换的太赫兹成像光束划分原始经上变换的图像光束而被归一化)。用于收集这些图像的运行参量类似于以上给出的那些参量；可以按照需要或期望采用运行参量的其他合适的组合。图6A至图8C的示例演示了对于太赫兹辐射来说不透明的对象的经透射的太赫兹图像的上变换(即，这种对象的太赫兹“阴影”的上变换)。图9A至图11C的示例演示了对具有空间上变化的太赫兹透射(例如，叶子中的脉络或者纸张的湿区)的对象或者具有在光照下不可辨别的特征的对象(例如，由胶带隐藏的刀片)的经透射的太赫兹图像的上变换。
在图12中示意性地展示了用于生成并采集经反射和经上变换的太赫兹图像的系统的示例。在此示例中，延迟线42(在此示例中在上变换光束22的路径中)可以被采用对象10内选定的深度，从该深度开始对经反射的太赫兹图像光束20进行上变换以用于检测。上变换光束22的较长延迟对应于从对象10内的相对更大的深度处反射的太赫兹图像光束22，该太赫兹图像光束具有与上变换光束22的脉冲时间上重叠的脉冲。替代地，可以通过移动对象10改变太赫兹图像光束20与上变换光束22的脉冲序列之间的相对延迟。图13A是刀片测试对象的光学图像。图13B是刀片的经反射且经上变换的太赫兹图像。用于收集这些图像的运行参量类似于以上给出的那些运行参量，除了太赫兹成像光束21是以45°入射的并且太赫兹图像光束20是以45°反射的；可以按照需要或期望采用运行参量的其他合适的组合。
可以采用图12的反射安排以提供对象的部分地透射太赫兹辐射的三维(3D)太赫兹成像(即，断层扫描)。测试对象示意性地展示于图14A的分解视图中，并且包括铝镜50、两个间隔环52、两个()晶片54以及铝掩模56(在此示例中具有十字形孔)。晶片54阻挡可见光或近红外光；间隔物确定镜50与掩模56的反射表面之间的深度差。图14B是在延迟线42的不同位置处采集的经反射且经上变换的太赫兹图像的序列。在太赫兹图像光束20的脉冲与上变换光束22的脉冲之间选择特定的相对时间延迟使得能够对从对象内的相应的特定的深度反射的太赫兹图像进行选择性上变换。如果上变换脉冲太早则没有太赫兹被上变换(图14B的0mm帧)；当上变换脉冲时间上覆盖由掩模56反射的太赫兹脉冲时对掩模56的经反射的太赫兹图像进行上变换(2、3、4和5mm帧)；在对应于掩模56与镜50之间的空间的时间延迟处对几乎不可辨别的信号进行上变换(7mm帧)；当上变换脉冲时间上覆盖由镜50反射的太赫兹脉冲并且被掩模56部分地阻止时对掩模56的经反射的负像进行上变换(图14B的8和9mm帧)。
可以有用地以各种设置采用使用太赫兹图像的深度相关的上变换的太赫兹断层扫描。在一个示例中，这种系统可以被用于安全扫描。在另一个示例中，在乳房肿瘤切除术或其他乳房保留外科手术过程中去除的离体乳腺组织可以被检查以基于在针对癌病变的相对非癌病变的组织的太赫兹区域中的不同的吸收系数和折射率迅速地确定在癌病变组织周围的非癌病变组织的厚度或边缘。目前，边缘是通过离体乳腺组织的组织学检查确定的，这种检查通常要求至少一天来完成。1mm至2mm的边缘被认为是令人期望的，并且小于那个厚度的边缘经常要求额外的外科手术。可以在手术室内或附近实现针对深度相关的太赫兹成像的系统以使得能够几乎立即评估组织边缘(例如，在几分钟或更少的时间内)，从而使得可以在相同的外科手术过程中去除附加的组织(如果由于不恰当的边缘而需要的话)。附加的外科手术过程的可能缩减、以及伴随的成本和并发症的风险可以是显著的。
可以实现在此所披露的2D或3D太赫兹成像的无数其他应用。太赫兹成像的广泛潜在应用包括例如检验针对所谓的穿戴式电子装置使用的多层结构，其中，各种传感器、电子装置和显示元件被安排在柔性聚合物材料的多层之中。例如，可以在工业环境中采用这种对象的近实时太赫兹成像用于在生产线上标识对象的结构缺陷。
在图15中示意性地展示了用于使用所谓的零差检测生成并采集经反射且经上变换的太赫兹图像的系统的示例。在前述示例中，经上变换的太赫兹图像的位置相关的强度仅取决于太赫兹图像的强度，即，经上变换的图像的位置相关的强度与那张图像的位置相关的相位基本上无关。在此示例中，采用分光束器44来将太赫兹参考光束23从成像太赫兹光束20中分离出来。分光束器44将太赫兹参考光束23与太赫兹图像光束21进行组合，其然后共同传播通过该非线性光学介质36。例如，如在图15中所示的，可以通过改变延迟线的长度而改变太赫兹参考光束23与太赫兹图像光束21之间的相对相位。在此安排中，每张经上变换的图像的位置相关的强度至少部分地取决于太赫兹图像光束与太赫兹参考光束的相应的相对相位。采集包括在每个图像位置处的强度和相位两者的太赫兹图像比单独采集图像强度可以产生更多的与对象10有关的信息。例如，如果仅检测强度则给定的对象可以产生无特征的图像，但是可以展现按照跨图像的相位变化显现的图像特征。这种示例类同于对可见光均匀透明的但展现了空间相关的折射率的对象；仅由透射强度组成的图像将错过那种空间变化。
在图15的零差检测安排中，组合的太赫兹参考光束23和太赫兹图像光束21作为相干叠加到达非线性光学介质36处。组合光束的总太赫兹强度将包括对应于对应的参考光束和图像光束的平方幅度的相位无关部分，并且还将包括对应于涉及两个幅度的交叉项的相位相关部分。在图16的绘图中示出了这种信号的模拟，其中，根据参考光束与图像光束之间的相对时间延迟(等效于相对相位)来绘制(单个检测器信号的)总强度。总强度源自与强度比图像光束强100倍的参考光束组合的图像光束的上变换(信号被归一化为参考光束强度)。那些光束的干扰引起约±20％的参考强度的相位相关的强度变化。这可以被视为有效地放大了图像光束，例如，在某些情形中，根据如噪声或检测灵敏度的因素，非零背景的±20％模制可以比小于其100倍的标称地零背景信号更容易地被检测到并且被量化。
可以使用单个检测器采用零差检测：穿过上变换图像光束24扫描检测器，并且在每个检测器位置处延迟线被扫描仪改变太赫兹参考光束和图像光束的相对相位。替代地，可以采用阵列检测器，以在每个不同的相对相位处采集完整的图像。在任一种情况中，所产生的图像可以根据用于处理相位相关的数量的标准方法被呈现或者被解释(例如，使用相应的幅度和相位图像，或者使用所谓的“同相”和“正交”图像，其还可以被称为复数值图像的实数或虚数部分)。零差检测技术在光学相干断层扫描的领域中被广泛地采用；在那个领域中开发的各种数值的、计算的或分析方法可以容易地应用于上变换太赫兹图像的零值检测。
在图5的源的变化中，可以以任何合适的方式对OPO100的信号和闲频波长进行调谐(例如，通过温度调谐)。例如，非线性光学介质150可以包括QPM介质(例如，如以上所描述的GaAs板的堆叠)，该QPM介质被安排成用于通过第一阶QPM参量过程在第一太赫兹频率(例如，0.75THz)处生成太赫兹成像光束21，其中，信号和闲频波长分别在2122.4nm和2133.7nm处。当远离那些波长(分开得更远)对信号和闲频波长进行调谐时，最终实现信号与闲频波长的组合，其中，在2.3THz处的太赫兹辐射是通过第三阶QPM参量过程产生的。对信号和闲频的进一步调谐引起由第五阶QPM参量过程产生在3.4THz处的太赫兹辐射。QPM非线性光学介质150将针对那些参量过程中的每个参量过程展现有限接受带宽，由此使得关于输出频率中的每个输出频率的太赫兹输出的某些受限的调谐度是有可能的。使用这种源，可以在多个太赫兹输出频率处产生图像。在某些情形中，可以使用相同的非线性光学介质36或者相同的波长相关的滤波器或滤波器组38在不同的太赫兹频率处完成对那些图像进行上变换和采集；在其他情形中，在不同的太赫兹频率处对图像进行上变换或采集会要求不同的非线性光学介质36或不同的波长相关的滤波器38。在一种安排中，那些不同的介质或滤波器可以被安装在像滤光轮的可移动底座中从而使得每个介质可以在相应的太赫兹成像频率所需要时被移动就位。
可以修改图1和图2的配置以使得能够在其他波长处方便地采集对象10的除了上变换太赫兹图像之外的图像。例如，可以采用可移动光学器件以重新引导上变换光束22沿着太赫兹成像光束21传播。可以安装分光束器34和非线性光学介质36，从而使得可以轻易地从光束路径中将它们移除，并且可以在需要时移除或替换滤波器38或偏振片39。例如，可以采用滤光轮以交换那些元件进入或离开光束路径。以此方式，可以在不同的波长处(例如，1.55THz和1064nm)适当地对给定的对象进行成像并且然后可以在那些图像之间进行比较或关联。此外，可获得的其他波长(除了λUC)也可以用于成像对象10。例如，由OPO100产生的信号或闲频波长可以被引导沿着太赫兹成像光束21的路径以在那些波长的一个或两个波长处对该对象10进行成像。在另一个示例中，可以通过引导其输出沿着太赫兹成像光束21的路径到达图像对象10而采用完全独立的源。
除了前述示例，以下示例落入本披露后所附权利要求书中：
示例1。一种用于采集对象的经上变换的太赫兹图像的方法，该方法包括：(a)用太赫兹成像光束照射该对象，该太赫兹成像光束由在约0.1THz与约10THz之间的太赫兹频率、太赫兹带宽、太赫兹平均功率、太赫兹峰值功率、太赫兹脉冲持续时间以及脉冲重复率表征；(b)收集该太赫兹成像光束的通过或围绕该对象透射或者从该对象反射或散射的至少一部分，并且引导此部分作为太赫兹图像光束透射通过非线性光学介质，其中，该太赫兹图像光束由在该非线性光学介质处的太赫兹图像光束尺寸来表征；(c)引导上变换光束传播通过该非线性光学介质，其中，该上变换光束在该非线性光学介质中至少部分地与该太赫兹图像光束在空间上相重叠，并且由上变换波长、上变换带宽、上变换平均功率、上变换峰值功率、脉冲率、以及在该非线性光学介质处的上变换光束尺寸来表征；(d)通过在该非线性光学介质中对该太赫兹成像光束与该上变换光束进行的非线性光学相互作用来对该太赫兹图像光束的至少一部分进行上变换，以形成由通过该太赫兹图像光束与该上变换光束之间的合频生成或差频生成而产生的一个或两个波长所表征的经上变换的图像光束；(e)使用图像检测器接收该经上变换的图像光束的至少一部分，并且用该图像检测器检测由该经上变换的图像光束在该图像检测器处形成的经上变换的图像；并且(f)使用图像滤波元件允许少于该上变换光束的约108分之一部分到达该图像检测器，(g)其中，该脉冲重复率大于约1MHz，该上变换波长在约400nm与约3500nm之间，该上变换带宽小于约5nm，该上变换脉冲持续时间小于约100ps。
示例2。如示例1所述的方法，其中，该脉冲重复率在约50MHz与约150MHz之间，该上变换波长在约1000nm与约1100nm之间，该上变换带宽小于约2nm，并且该上变换脉冲持续时间小于约10ps。
示例3。如示例1或2中任一项所述的方法，其中，该上变换波长为约1064nm，并且该经上变换的图像波长为以下两者中任一项：(i)约1058nm或约1070nm或两者，或者(ii)约1061nm或约1067nm或两者。
示例4。如示例1所述的方法，其中，该脉冲重复率在约50MHz与约150MHz之间，该上变换波长在约2100nm与约2150nm之间，并且该上变换脉冲持续时间小于约10ps。
示例5。如示例1至4中任一项所述的方法，进一步包括使用包括腔内太赫兹生成介质的同步泵浦光学参量振荡器来生成该太赫兹成像光束，其中，腔内信号和闲频光束在该太赫兹生成介质中通过差频生成来生成该太赫兹成像光束。
示例6。如示例5所述的方法，其中，该上变换光束包括该光学参量振荡器的泵浦源的输出光束的一部分。
示例7。如示例5所述的方法，其中，该上变换光束包括该腔内信号或闲频光束的被引导在该光学参量振荡器外部传播的一部分。
示例8。如示例5至7中任一项所述的方法，其中，该腔内太赫兹生成介质包括针对该腔内信号和闲频光束的准相位匹配差频生成所安排的具有两个或更多个非线性光学材料光学接触板的堆叠。
示例9。如示例8所述的方法，其中，该两个或更多个光学接触板的堆叠包括具有6至12个约550μm厚的GaAs光学接触板的堆叠，该信号波长为约2116nm，该闲频波长为约2140nm，并且该太赫兹频率为约1.55THz。
示例10。如示例1至9中任一项所述的方法，其中，该图像滤波元件包括一个或多个波长相关的滤波器。
示例11。如示例10所述的方法，其中，该一个或多个波长相关的滤波器中的至少一个滤波器包括具有在该上变换波长与这些经上变换的图像波长之一之间的标称截止波长的短通滤波器或长通滤波器。
示例12。如示例10所述的方法，其中，该一个或多个波长相关的滤波器中的至少一个滤波器包括标称地以该上变换波长为中心的陷波滤波器。
示例13。如示例1至12中任一项所述的方法，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是I型或II型过程，从而使得该经上变换的图像光束与该上变换光束的偏振基本上垂直。
示例14。如示例1至13中任一项所述的方法，其中，该上变换光束与该经上变换的图像光束相对于彼此被基本上正交地偏振，并且该图像滤波元件包括被安排成用于基本上阻挡该上变换光束的一个或多个偏振片。
示例15。如示例1至12中任一项所述的方法，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是0型过程，从而使得该经上变换的图像光束与该上变换光束的偏振基本上平行。
示例16。如示例1至15中任一项所述的方法，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是临界相位匹配过程。
示例17。如示例1至15中任一项所述的方法，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是非临界相位匹配过程。
示例18。如示例1至15中任一项所述的方法，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是准相位匹配过程。
示例19。如示例18所述的方法，其中，该非线性光学介质包括周期偏振的非线性光学晶体。
示例20。如示例18所述的方法，其中，该非线性光学介质包括具有两个或更多个非线性光学材料光学接触板的堆叠。
示例21。如示例18所述的方法，其中，该非线性光学介质包括具有6至12个约300μm厚的GaAs光学接触板的堆叠，该太赫兹频率为约1.55THz，并且该上变换波长为约1064nm。
示例22。如示例1至21中任一项所述的方法，其中，(i)第一聚焦元件收集该太赫兹成像光束的该部分并且引导该太赫兹图像光束传播通过该非线性光学介质；(ii)该对象与该非线性光学介质被定位在该第一聚焦元件的对应共轭平面处，从而使得该太赫兹图像光束在该非线性光学介质处形成该对象的太赫兹图像；(iii)第二聚焦元件收集该经上变换的图像光束的该部分并且引导该经上变换的图像光束传播至该图像检测器；并且(iv)该非线性光学介质和该图像检测器定位在该第二聚焦元件的对应共轭平面处，从而使得该经上变换的图像光束在该图像检测器处形成该经上变换的图像。
示例23。如示例1至21中任一项所述的方法，其中，(i)由有效焦距f1表征的第一聚焦元件收集该太赫兹成像光束的该部分并且引导该太赫兹图像光束传播通过该非线性光学介质；(ii)该对象与该非线性光学介质各自定位在与该第一聚焦元件相距约f1的距离处，从而使得该太赫兹图像光束在该非线性光学介质处形成该对象的太赫兹图像的空间傅里叶变换；(iii)由有效焦距f2表征的第二聚焦元件收集该经上变换的图像光束的该部分并且引导该经上变换的图像光束传播至该图像检测器；并且(iv)该非线性光学介质和该图像检测器各自定位在与该第二聚焦元件相距约f2的距离处，从而使得该经上变换的图像光束在该图像检测器处形成该经上变换的图像。
示例24。如示例1至23中任一项所述的方法，其中，该图像检测器包括成像检测器阵列，并且检测该经上变换的图像包括在该成像检测器阵列的多个相应的检测器元件上同时接收该经上变换的图像光束的不同的空间部分。
示例25。如示例1至23中任一项所述的方法，其中，该图像检测器包括单个检测器元件，并且检测该经上变换的图像包括跨该经上变换的图像光束扫描该单个检测器元件以便依序在该单个检测器元件上接收该经上变换的图像光束的多个不同的空间部分。
示例26。如示例1至25中任一项所述的方法，进一步包括在该太赫兹图像光束与该上变换光束的脉冲序列之间在该非线性光学介质处采集具有相应的不同时间偏移的多个经上变换的太赫兹图像，其中，(i)该太赫兹图像光束包括该太赫兹成像光束的从该对象反射或散射的该部分；并且(ii)该多个经上变换的太赫兹图像中的每个经上变换的太赫兹图像对应于在该对象内的不同深度，由此使得能够对该对象进行太赫兹断层扫描。
示例27。如示例1至26中任一项所述的方法，其中，该经上变换的图像的位置相关的强度基本上不依赖于该太赫兹图像的位置相关的相位。
示例28。如示例1至26中任一项所述的方法，进一步包括：分离该太赫兹成像光束的一部分以形成太赫兹参考光束；将该太赫兹参考光束与该太赫兹图像光束相组合以共同传播通过该非线性光学介质；并且采集具有该太赫兹图像光束和该太赫兹参考光束的相应的不同相对相位的多个经上变换的太赫兹图像，其中，每张经上变换的图像的位置相关的强度至少部分地取决于该太赫兹图像光束和该太赫兹参考光束的相应的相对相位。
示例29。一种用于采集对象的经上变换的太赫兹图像的设备，该设备包括：(a)太赫兹源，该太赫兹源被安排成用于用太赫兹成像光束照射该对象，该太赫兹成像光束由在约0.1THz与约10THz之间的太赫兹频率、太赫兹带宽、太赫兹平均功率、太赫兹峰值功率、太赫兹脉冲持续时间以及脉冲重复率表征；(b)一个或多个太赫兹光学部件，该一个或多个太赫兹光学部件被安排成用于收集该太赫兹成像光束的通过或围绕该对象透射或者从该对象反射或散射的至少一部分，并且引导此部分作为太赫兹图像光束透射通过非线性光学介质，其中，该太赫兹图像光束由在该非线性光学介质处的太赫兹图像光束尺寸来表征；(c)光源，该光源被安排成用于发射上变换光束；(d)一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件被安排成用于引导该上变换光束传播通过该非线性光学介质，其中，该上变换光束在该非线性光学介质中至少部分地与该太赫兹图像光束在空间上相重叠，并且由上变换波长、上变换带宽、上变换平均功率、上变换峰值功率、脉冲率以及在该非线性光学介质处的上变换光束尺寸来表征；(e)该非线性光学介质，其中，该非线性光学介质被安排成用于通过在该非线性光学介质中对该太赫兹图像光束与该上变换光束进行的非线性光学相互作用来对该太赫兹图像光束的至少一部分进行上变换，以形成由通过该太赫兹图像光束与该上变换光束之间的合频生成或差频生成而产生的一个或两个波长所表征的经上变换的图像光束；(f)图像检测器，该图像检测器被安排成用于接收该经上变换的图像光束的至少一部分并且检测由该经上变换的图像光束在该图像检测器处形成的经上变换的图像；以及(g)图像滤波元件，该图像滤波元件被安排成用于允许少于该上变换光束的约108分之一部分的光束到达该图像检测器，(h)其中，该脉冲重复率大于约1MHz，该上变换波长在约400nm与约3500nm之间，该上变换带宽小于约5nm，该上变换脉冲持续时间小于约100ps。
示例30。如示例29所述的设备，其中，该脉冲重复率在约50MHz与约150MHz之间，该上变换波长在约1000nm与约1100nm之间，该上变换带宽小于约2nm，并且该上变换脉冲持续时间小于约10ps。
示例31。如示例29或30中任一项所述的设备，其中，该上变换波长为约1064nm，并且该经上变换的图像波长为以下两者中任一项：(i)约1058nm或约1070nm或两者，或者(ii)约1061nm或约1067nm或两者。
示例32。如示例29所述的设备，其中，该脉冲重复率在约50MHz与约150MHz之间，该上变换波长在约2100nm与约2150nm之间，并且该上变换脉冲持续时间小于约10ps。
示例33。如示例29至32中任一项所述的设备，其中，该太赫兹源包括同步泵浦光学参量振荡器，该同步泵浦光学参量振荡器包括腔内太赫兹生成介质，该腔内太赫兹生成介质被安排成用于通过在该太赫兹生成介质中进行差频生成来从腔内信号和闲频光束生成该太赫兹成像光束。
示例34。如示例33所述的设备，其中，该光源包括该光学参量振荡器的泵浦源并且该上变换光束包括该泵浦源的输出光束的一部分。
示例35。如示例33所述的设备，其中，该光源包括该光学参量振荡器并且该上变换光束包括该腔内信号或闲频光束的被引导在该光学参量振荡器外部传播的一部分。
示例36。如示例33至35中任一项所述的设备，其中，该腔内太赫兹生成介质包括针对该腔内信号和闲频光束的准相位匹配差频生成所安排的具有两个或更多个非线性光学材料光学接触板的堆叠。
示例37。如示例36所述的设备，其中，该两个或更多个光学接触板的堆叠包括具有6至12个约550μm厚的GaAs光学接触板的堆叠，该信号波长为约2116nm，该闲频波长为约2140nm，并且该太赫兹频率为约1.55THz。
示例38。如示例29至37中任一项所述的设备，其中，该图像滤波元件包括一个或多个波长相关的滤波器。
示例39。如示例38所述的设备，其中，该一个或多个波长相关的滤波器中的至少一个滤波器包括具有在该上变换波长与这些经上变换的图像波长之一之间的标称截止波长的短通滤波器或长通滤波器。
示例40。如示例38所述的设备，其中，该一个或多个波长相关的滤波器中的至少一个滤波器包括标称地以该上变换波长为中心的陷波滤波器。
示例41。如示例29至40中任一项所述的设备，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是I型或II型过程，从而使得该经上变换的图像光束与该上变换光束的偏振基本上垂直。
示例42。如示例29至41中任一项所述的设备，其中，该上变换光束与该经上变换的图像光束相对于彼此被基本上正交地偏振，并且该图像滤波元件包括被安排成用于基本上阻挡该上变换光束的一个或多个偏振片。
示例43。如示例29至40中任一项所述的设备，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是0型过程，从而使得该经上变换的图像光束与该上变换光束的偏振基本上平行。
示例44。如示例29至43中任一项所述的设备，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是临界相位匹配过程。
示例45。如示例29至43中任一项所述的设备，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是非临界相位匹配过程。
示例46。如示例29至43中任一项所述的设备，其中，该非线性光学介质被安排为使得该非线性光学相互作用是准相位匹配过程。
示例47。如示例46所述的设备，其中，该非线性光学介质包括周期偏振的非线性光学晶体。
示例48。如示例46所述的设备，其中，该非线性光学介质包括具有两个或更多个非线性光学材料光学接触板的堆叠。
示例49。如示例46所述的设备，其中，该非线性光学介质包括具有6至12个约300μm厚的GaAs光学接触板的堆叠，该太赫兹频率为约1.55THz，并且该上变换波长为约1064nm。
示例50。如示例29至49中任一项所述的设备，其中，(i)该一个或多个太赫兹光学部件包括第一聚焦元件，该第一聚焦元件被安排成用于收集该太赫兹成像光束的该部分并且引导该太赫兹图像光束传播通过该非线性光学介质；(ii)该对象与该非线性光学介质被定位在该第一聚焦元件的对应共轭平面处，从而使得该太赫兹图像光束在该非线性光学介质处形成该对象的太赫兹图像；(iii)该一个或多个光学部件包括第二聚焦元件，该第二聚焦元件被安排成用于收集该经上变换的图像光束的该部分并且引导该经上变换的图像光束传播至该图像检测器；并且(iv)该非线性光学介质和该图像检测器定位在该第二聚焦元件的对应共轭平面处，从而使得该经上变换的图像光束在该图像检测器处形成该经上变换的图像。
示例51。如示例29至49中任一项所述的设备，其中，(i)该一个或多个太赫兹光学部件包括由有效焦距f1表征的第一聚焦元件，该第一聚焦元件被安排成用于收集该太赫兹成像光束的该部分并且引导该太赫兹图像光束传播通过该非线性光学介质；(ii)该对象与该非线性光学介质各自定位在与该第一聚焦元件相距约f1的距离处，从而使得该太赫兹图像光束在该非线性光学介质处形成该对象的太赫兹图像的空间傅里叶变换；(iii)该一个或多个光学部件包括由有效焦距f2表征的第二聚焦元件，该第二聚焦元件被安排成用于收集该经上变换的图像光束的该部分并且引导该经上变换的图像光束传播至该图像检测器；并且(iv)该非线性光学介质和该图像检测器各自定位在与该第二聚焦元件相距约f2的距离处，从而使得该经上变换的图像光束在该图像检测器处形成该经上变换的图像。
示例52。如示例29至51中任一项所述的设备，其中，该图像检测器包括成像检测器阵列，该成像检测器阵列被定位并且被安排成用于在该成像检测器阵列的多个相应的检测器元件上同时接收该经上变换的图像光束的不同的空间部分。
示例53。如示例29至51中任一项所述的设备，其中，该图像检测器包括单个检测器元件，该单个检测器元件被安排成用于跨该经上变换的图像光束对其进行扫描以便依序在该单个检测器元件上接收该经上变换的图像光束的多个不同的空间部分。
示例54。如示例29至53中任一项所述的设备，其中，(i)该一个或多个太赫兹光学部件被安排为使得该太赫兹图像光束包括该太赫兹成像光束的由该对象反射或散射的该部分；(ii)该一个或多个太赫兹光学部件或者该一个或多个光学部件中的一者或两者包括光学延迟线，该光学延迟线被安排成用于在该太赫兹图像光束与该上变换光束的脉冲序列之间在该非线性光学介质处提供不同的时间偏移；并且(iii)该一个或多个太赫兹光学部件或者该一个或多个光学部件中的一者或两者被安排为使得在相应的不同的时间偏移处所采集的每个经上变换的太赫兹图像对应于在该对象内的不同深度，由此使得能够对该对象进行太赫兹断层扫描。
示例55。如示例29至54中任一项所述的设备，其中，该一个或多个太赫兹光学部件或者该一个或多个光学部件中的一者或两者被安排为使得该经上变换的图像的位置相关的强度基本上不依赖于该太赫兹图像的位置相关的相位。
示例56。如示例29至54中任一项所述的设备，其中，该一个或多个太赫兹光学部件被安排成用于分离该太赫兹成像光束的一部分以形成太赫兹参考光束，并且将该太赫兹参考光束与该太赫兹图像光束相组合以使用该太赫兹图像光束和该太赫兹参考光束的不同的相对相位来共同传播通过该非线性光学介质，并且每张经上变换的图像的位置相关的强度至少部分地取决于该太赫兹图像光束和该太赫兹参考光束的相应的相对相位。
所披露的示例性实施例和方法的等同物旨在应当落入本披露或随后呈现的权利要求书的范围内。所披露的示例性实施例和方法及其等同物旨在可以被修改而同时保持在本披露的范围内。
在前述详细说明中，出于使本披露简单化目的，在若干示例性实施例中可以将各种特征分组在一起。此披露方法将不被解释为反映任何随后所要求保护的实施例要求比在相应的权利要求书中明确例举的更多特征的意图。而是，发明主题可以在于比单个的所披露的示例性实施例的所有特征少的特征中。因此，本披露还应当被解释为隐含地披露任何实施例，这些实施例具有出现在本披露或任何随后呈现的权利要求书中的一个或多个披露的或要求保护的特征的任何合适的集合(即，互不相容或相互排斥的特征的集合)，包括可能在此未被显示披露的那些集合。
出于本披露和随后呈现的权利要求书的目的，连接词“或(or)”有待被包含地解释(例如，“狗或猫”将被解释为“狗、或猫、或两者”；例如，“狗、猫、或老鼠”将被解释为“狗、或猫、或老鼠、或任何两者、或所有三者”)，除非：(i)以其他方式明确声明，例如，通过使用“或者……或者……”、“仅……之一”或类似的语言；或者(ii)所例举的替代方案中的两个或更多个替代方案在特定的语境中互相排斥，其中，情况“或”将仅包含涉及非互相排斥的替代方案的那些组合。出于本披露和随后呈现的权利要求书的目的，词语“包括(comprising)”、“包含(including)”、“具有(having)”及其变体，无论它们在哪里出现应当被解释为开放性术语，具有相同的含义犹如短语“至少(atleast)”在其每个情形后面被附加。
如果任何一个或多个披露通过引用结合在此并且这种结合的披露部分地或全部地与本披露冲突(或者在范围中与本披露不同)，那么本披露控制更宽泛的披露或者更宽泛的术语定义到冲突的程度上。如果这种结合的披露部分地或全部地彼此冲突，那么稍后过时的披露控制到冲突的程度上。
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