一种利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置的制作方法

本专利涉及一种太赫兹脉冲进行实时成像的光学装置，特别是利用具有空间啁啾特性的太赫兹脉冲实现物体快速成像的装置，属于光电领域。

背景技术：

太赫兹辐射可以穿透大多数非极性的电介质，并且太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏特，小于大多数化学键的键能，与物体相互作用时不会引起有害的电离反应，因此其非常适用于做成像的载波，对不透明的物体进行透视成像。

最基本的太赫兹波成像方式是Roster扫描方式，利用聚焦元件将太赫兹波聚焦于空间一点，将被测物体放置在该焦点处，在与太赫兹波传输方向垂直的平面内对被测物体进行二维扫描，将从物体透射或反射的太赫兹脉冲时域波形记录下来，根据物体的位置信息及采集到的太赫兹电场信息实现被测物体的太赫兹波成像。这种方法不仅需要对透过被测物体的太赫兹波进行时间扫描，而且需要对被测物体进行二维空间扫描，从而得到被测物体的透视成像，因此成像过程耗时较长。

在不需要光谱信息的情况下，可以把时间延迟固定在电场峰值处，通过探测透过被测物体后太赫兹电场峰值变化来成像，这种方法不需要对太赫兹时域信息进行扫描，但是仍需对被测物体进行二维扫描，因而极大的限制了太赫兹波实时成像的实现，并且机械扫描也会使其成像分辨率受到限制。

技术实现要素：

为了解决空间二维扫描带来的一系列问题，本发明提出了一种利用具有空间啁啾特性的太赫兹脉冲实现实时成像的装置，首先对太赫兹脉冲进行空间啁啾调制，然后利用具有空间啁啾特性的太赫兹脉冲对被测物体进行成像，用太赫兹脉冲的频率信息代表被测物不同位置的坐标信息，利用太赫兹频率幅度的变化表示物体形貌特征，因此无需对被测物体进行二维扫描即可实现快速成像，克服了现有技术因为需要二维扫描而耗时长的问题。

结构一

一种利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，用于实现对物体的太赫兹实时成像，其特征在于，包括：

激光器，用于产生激光；

分光器件，用于将激光器产生的激光分成第一光束和第二光束；

脉冲光路单元，接收第一光束，包括依次通过光路连接的半导体天线、一对相互不重合布置的硅棱镜、成像透镜、用于接收成像透镜透过的光的电光晶体；

探测光路单元，接收第二光束，包括依次通过光路连接的用于时间延迟的高反镜组和反射件，

反射件设置在成像透镜和电光晶体之间，用于使得反射光和成像透镜透过的光汇合后照射到电光晶体上；以及

信号采集和处理单元，和电光晶体连接，采集电光晶体上的信号后进行处理得到物体的太赫兹图像，

其中，物体放置在硅棱镜和成像透镜之间。

结构二

一种利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，用于实现对物体的太赫兹实时成像，其特征在于，包括：

激光器，用于产生激光；

分光器件，用于将激光器产生的激光分成第一光束和第二光束；

脉冲光路单元，接收第一光束，包括依次通过光路连接的用于时间延迟的高反镜组、第一光电导天线、一对相互不重合布置的硅棱镜、成像透镜、用于接收成像透镜透过的光的第二光电导天线；

探测光路单元，接收第二光束，包括将第二光束会聚到第二光电导天线上的凸透镜；以及

信号采集和处理单元，和第二光电导天线连接，采集第二光电导天线上的信号后进行处理得到物体的太赫兹图像，

其中，物体放置在硅棱镜和成像透镜之间。

本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，激光器为飞秒激光器。

本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，分光器件为分束片。

本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，一对相互不重合布置的硅棱镜是相互垂直布置的。

本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，脉冲光路单元的半导体天线或第一光电导天线和一对相互不重合布置的硅棱镜之间设置有反射面镜。

本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，反射面镜为抛物面镜。

本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，成像透镜为聚乙烯凸透镜。

本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，信号采集和处理单元包括依次通过光路连接的四分之一玻片、PBS偏振分光棱镜、用于接收从该分光棱镜射出的两束光的两个光电探头和以及和两个光电探头连接的处理器。

本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，高反镜组包括固定设置的定反射镜和可移动的动反射镜，调节动反射镜与定反射镜的相对位置，用于改变高反镜组的延迟时间的长短。

发明作用与效果

根据本发明提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，与传统光学棱镜对可见光的空间色散作用类似，利用无掺杂高阻硅为材料制成的棱镜对太赫兹脉冲进行空间上的色散作用，使其频率分别在横向和纵向空间上线性展开，从而使得不同频率成分代表了不同的空间位置。将具有空间啁啾特性的太赫兹脉冲照射到物体，对物体进行成像，采集透过被测物体的太赫兹时域波形，经过快速傅里叶变换得到频谱信息，即可利用频率空间分布对应的坐标信息来表示被测物体的空间位置信息，不同频率的幅度反映成像物体的形貌特征，从而通过单次脉冲探测实现被测物体的成像。解决了对物体二维扫描导致成像时间较长和光路较复杂的问题，可以实现太赫兹实时成像。

为此，本发明的成像装置通过改变两个硅棱镜的放置角度来调节频率空间分布阵列的精细程度，从而提高成像分辨率。

与传统太赫兹成像相比，本发明不需要对物体进行机械二维扫描，可实现太赫兹实时快速成像。

附图说明

图1本发明的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置的原理示意图；

图2为形成啁啾太赫兹脉冲的基本原理示意图；

图3为本发明的结构一的实时成像的装置的结构示意图；以及

图4为本发明的结构二的实时成像的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置的原理、结构和使用方法作具体阐述。

图1本发明的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置的原理示意图。

图2为形成啁啾太赫兹脉冲的基本原理示意图。

如图1所示，左侧飞秒激光器输出的激光脉冲被分束镜分成两束光，一束作为泵浦光，用来产生太赫兹脉冲，产生的太赫兹脉冲先经过一个水平放置的硅棱镜，使其频率在纵向空间上线性展开，然后再通过一个放置角度不同的硅棱镜(以垂直放置为例)，从而使其频率分布在纵向展开基础上再在横向空间进行更加精细的线性展开。此时的太赫兹脉冲具有空间啁啾特性，其频率分布为按照一定顺序相互交错排布的空间网络如图2所示。因此，太赫兹波的频率代表了太赫兹光斑的不同位置信息，利用太赫兹波对物体成像时，就可以利用太赫兹波的频率空间分布坐标位置来表示成像物体的位置信息，利用不同交点处的频率幅度的变化情况来表示成像物体的形貌特征；另外一束激光脉冲作为探测光，与经过成像物体的啁啾太赫兹脉冲共同作用到电光晶体或半导体天线上，利用信号采集模块采集探测到的信号，利用线性平台扫描可得到太赫兹时域信号，对太赫兹时域信号进行快速傅里叶变换得到频谱信息，利用不同频率成分代表相应的位置信息，根据电场强度变化来描述成像物体的形貌特征，再用光学成像系统处理即可实现物体成像。

如图2所示，太赫兹脉冲依次经过垂直方向和水平方向的啁啾调制，在成像物体处形成空间频率有序分布阵列，例如纵向频率1THz处分别与横向0-1THz有交点，可以用二维坐标对它们定位即(1THz,0.1THz),(1THz,0.2THz)…(1THz,1THz)…(nTHz，nTHz)以此类推可以把空间频率分布标记为无数个二维坐标点，并且每个坐标点都是唯一的。两个硅棱镜放置角度有差异时才会出现横向和纵向上交错的频率阵列，可以通过调节两个硅棱镜的放置角度，改变太赫兹脉冲频率在两个方向上展开方式，所构成的频率阵列也会不相同。所以成像时应该按照阵列分布情况确定物体的位置信息。

下面结合附图3，4对本发明提供的两种结构的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置的具体光路元件和光电硬件做详细具体介绍。

图3为本发明的结构一的实时成像的装置的结构示意图。

附图3为利用啁啾太赫兹脉冲实现成像的一种结构示意图。该结构采用电光晶体探测，光路包括：

301：中心波长为780nm，脉宽为100fs的飞秒激光器；302：780nm分束片；303：780nm高反镜；304：凸透镜；305：半导体天线：306：镀金抛物面镜；307：高阻硅棱镜；308：成像物体；309：聚乙烯透镜；310:高阻硅(也可使用薄膜分束片)；311：碲化锌ZnTe电光晶体；312：1/4波片；313:PBS偏振分光棱镜；314：光电探头PD。

图3光路图中飞秒激光器301发出的飞秒激光脉冲作为泵浦源，被分束片302分成两束光，有一束光经过透镜304聚焦到半导体天线305上，天线在激光脉冲和外加偏置电场同时作用下产生太赫兹辐射。太赫兹辐射经抛物面镜306汇聚作用后，平行照到水平放置的硅棱镜307(1)上使其在纵向上频率展开，再经过硅棱镜307(2)横向展开后形成空间频率分布阵列，再经过成像物体308，透射的太赫兹脉冲经过聚乙烯透镜309聚焦作用，在其焦点处放置电光晶体311。另一束光作为探测光经过由三个高反镜303和线性平移台组成的时间延迟线(图中虚线框部分)反射作用，再经过高阻硅或薄膜分束片310反射，与太赫兹脉冲共线作用到电光晶体311上，探测光束与太赫兹波在电光晶体中相互作用后，太赫兹电场在晶体上的分布可以用对探测光偏振的调制来表示，被调制的探测光再经过1/4波片312调节偏振，由PBS313将探测脉冲分成s偏振和p偏振，再利用两个光电探头PD314将光信号转换为电信号。

通过调节图中虚线框中的时间延迟系统使探测脉冲和太赫兹脉冲到达电光晶体的空间光程相等，用锁相放大器放大采集信号，利用线性平移台扫描即可得到太赫兹脉冲的时域波形，经快速傅里叶变换得出频谱信息，运用计算机程序对频谱信号进行处理，用频率阵列坐标对成像物体的相应位置定位，用对应位置处电场强度变化实现成像。

图4为本发明的结构二的实时成像的装置的结构示意图。

如图4所示，该结构的光路包括：

401：飞秒激光器；402：分束片；403：高反镜；404：凸透镜；405：光电导天线；406：抛物面镜；407：硅棱镜；408：成像物体；409：聚乙烯透镜。省略同结构1类似的1/4波片，PBS偏振分光棱镜以及光电探头PD。

利用飞秒激光器401作为泵浦源，被分束片402分成两束光，一束用来泵浦产生太赫兹，另一路作为探测光脉冲。泵浦光由高反镜403反射经过由两个高反镜403和线性平移台构成的时间延迟线(图中虚线框部分)，再经过透镜404聚焦到半导体天线405(1)上，在天线上再加上偏置电压来产生太赫兹脉冲。经抛物面镜406汇聚作用使太赫兹平行打到硅棱镜407(1)上，实现竖直方向上的频率线性有序分布，而后在经过硅棱镜407(2)实现水平方向的频率有序分布，然后透过成像物体408，由聚乙烯透镜409使太赫兹脉冲聚焦到探测光电导天线405(2)上，同时另一束探测光经两个高反镜403后，被透镜聚焦到光电导天线405(2)上，然后经过1/4波片，PBS偏振分光棱镜以及光电探头PD，以实现太赫兹信号的探测和成像。

利用线性平移台扫描即可得到太赫兹脉冲的时域波形，时域信号经处理可得出频域信号，同样用太赫兹频率阵列实现成像物体的位置定位，用频率幅度变化表示物体形貌，对数据进行处理即可得到物体的太赫兹像。

实施例的有益作用和效果

根据本实施例提供的利用空间啁啾太赫兹脉冲进行实时成像的装置，与传统光学棱镜对可见光的空间色散作用类似，利用无掺杂高阻硅为材料制成的棱镜对太赫兹脉冲进行空间上的色散作用，使其频率分别在横向和纵向空间上线性展开，从而使得不同频率成分代表了不同的空间位置。将具有空间啁啾特性的太赫兹脉冲照射到物体，对物体进行成像，采集透过被测物体的太赫兹时域波形，经过快速傅里叶变换得到频谱信息，即可利用频率空间分布对应的坐标信息来表示被测物体的空间位置信息，不同频率的幅度反映成像物体的形貌特征，从而通过单次脉冲探测实现被测物体的成像。解决了对物体二维扫描导致成像时间较长和光路较复杂的问题，可以实现太赫兹实时成像。

为此，本发明的成像装置通过改变两个硅棱镜的放置角度来调节频率空间分布阵列的精细程度，从而提高成像分辨率。

与传统太赫兹成像相比，本发明不需要对物体进行机械二维扫描，可实现太赫兹实时快速成像。