用于太赫兹图像的高对比度、近实时采集的系统和方法与流程
本申请要求2016年6月3日以vladimirg.kozlov和patrickf.tekavec的名义提交的美国非临时性申请号15/173,504的优先权。所述申请在此通过援引并入，如同在本文完整陈述一样。
本发明的领域涉及使用太赫兹频率辐射的成像。特别地，披露了用于太赫兹图像的高对比度、近实时采集的系统和方法。
背景技术
先前已经披露了用于使用太赫兹频率辐射生成、检测或成像的大量系统和方法。其中一些披露于：
-1997年4月22日授权给nuss(朗讯科技有限公司)的标题为“methodandapparatusforterahertzimaging”(用于太赫兹成像的方法和装置)的美国专利号5,623,145；
-1998年1月20日授权给nuss(朗讯科技有限公司)的标题为“methodandapparatusforterahertzimaging”(用于太赫兹成像的方法和装置)的美国专利号5,710,430；
-1998年8月4日授权给nuss(朗讯科技有限公司)的标题为“opticalsystememployingterahertzradiation”(采用太赫兹辐射的光学系统)的美国专利号5,789,750；
-1997年8月18日授权给brener等人(朗讯科技有限公司)的标题为“nearfieldterahertzimaging”(近场太赫兹成像)的美国专利号5,894,125；
-1999年8月17日授权给jacobsen等人(朗讯科技有限公司)的标题为“systemsandmethodsforprocessingandanalyzingterahertzwaveforms”(用于处理和分析太赫兹波形的系统和方法)的美国专利号5,939,721；
-1999年9月14日授权给zhang等人(rensselaerpolytechnicinstitute)的标题为“electro-opticalsensingapparatusandmethodforcharacterizingfree-spaceelectromagneticradiation”(用于表征自由空间电磁辐射的电光传感装置和方法)的美国专利号5,952,721；
-2000年6月20日授权给mittleman等人(朗讯科技有限公司)的标题为“methodandapparatusforterahertztomographicimaging”(用于太赫兹层析成像的方法和装置)的美国专利号6,078,047；
-2002年7月2日授权给zhang等人(rensselaerpolytechnicinstitute)的标题为“electro-optic/magneto-opticmeasurementofelectromagneticradiationusingchirpedopticalpulse”(使用啁啾光学脉冲的电磁辐射电光/磁光测量)的美国专利号6,414,473；
-2003年5月22日以ferguson等人(rensselaerpolytechnicinstitute)的名义公布的标题为“methodandsystemforperformingthree-dimensionalterahertzimagingonanobject”(用于对物体进行三维太赫兹成像的方法和系统)的公布号wo2003/042670；
-2007年9月18日授权给hayes等人的标题为“highlyefficientwaveguidepulsedthzelectromagneticradiationsourceandgroup-matchedwaveguidethzelectromagneticradiationsource”(高效波导脉冲式太赫兹电磁辐射源和组匹配式波导太赫兹电磁辐射源)的美国专利号7,272,158；
-2008年3月4日授权给vodopyanov等人(microtechinstruments、俄勒冈州立大学、斯坦福大学)的标题为“generationofterahertzradiationinorientation-patternedsemiconductors”(取向图案化半导体中太赫兹辐射的生成)的美国专利号7,339,718；
-2008年3月25日授权给vodopyanov等人的标题为“terahertzradiationgenerationandmethodstherefor”(太赫兹辐射的生成及其方法)的美国专利号7,349,609；
-2011年4月19日授权给moeller(alcatel-lucentusainc.)的标题为“inexpensiveterahertzpulsewavegenerator”(廉价太赫兹脉冲波发生器)的美国专利号7,929,580；
-2011年10月11日授权给kozlov等人(microtechinstrumentsinc.)的标题为“terahertztunablesources,spectrometers,andimagingsystems”(太赫兹可调谐源、光谱仪和成像系统)的美国专利号8,035,083；
-2012年1月12日以khan等人(麻省理工学院)的名义公布的标题为“terahertzsensingsystemandmethod”(太赫兹传感系统和方法)的美国公布号2012/0008140(现在为2013年8月20日颁发的专利号8,514,393)；
-2013年12月3日授权给kozlov等人(microtechinstruments)的标题为“alignmentandoptimizationofasynchronouslypumpedopticalparametricoscillatorfornonlinearopticalgeneration”(用于非线性光学生成的同步泵浦光参量振荡器的对准和优化)的美国专利号8,599,474；
-2013年12月3日授权给kozlov等人(microtechinstruments)的标题为“alignmentandoptimizationofasynchronouslypumpedopticalparametricoscillatorfornonlinearopticalgeneration”(用于非线性光学生成的同步泵浦光参量振荡器的对准和优化)的美国专利号8,599,475；
-2013年12月3日授权给kozlov等人(microtechinstruments)的标题为“alignmentandoptimizationofasynchronouslypumpedopticalparametricoscillatorfornonlinearopticalgeneration”(用于非线性光学生成的同步泵浦光参量振荡器的对准和优化)的美国专利号8,599,476；
-wu等人；“two-dimensionalelectro-opticimagingofthzbeams”(太赫兹光束的二维电光成像)；appliedphysicsletters(应用物理快报)第69卷第8期第1026页(1996)；
-jiang等人；“terahertzimagingviaelectroopticeffect”(通过电光效应的太赫兹成像)；ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques(电气和电子工程师协会微波理论技术会报)第47卷第12期第2644页(1999)；
-jiang等人；“improvementofterahertzimagingwithadynamicsubtractiontechnique”(使用动态减影技术对太赫兹成像的改进)；appliedoptics(应用光学)第39卷第17期第2982页(2000)；
-nahata等人；“two-dimensionalimagingofcontinuous-waveterahertzradiationusingelectro-opticdetection”(使用光电检测的连续波太赫兹辐射的二维成像)；appliedphysicsletters(应用物理快报)第81卷第6期第963页(2002)；
-sutherland等人；handbookofnonlinearoptics(非线性光学手册)第2版(2003)；纽约：marceldekker；
-yonera等人；“millisecondthzimagingbasedontwo-dimensionaleosamplingusingahighspeedcmoscamera”(使用高速cmos相机基于二维eo采样的毫秒太赫兹成像)；conferenceonlasersandelectro-optics(激光与电光会议)，论文号cmb3(2004)；
-ding等人；“phase-matchedthzfrequencyupconversioninagapcrystal”(gap晶体中相位匹配的太赫兹频率上转换)；conferenceonlasersandelectro-optics(激光与电光会议)，论文号ctul3(2006)；
-ding等人；“observationofthztonear-infraredparametricconversioninzngep2crystal”(在zngep2晶体中对太赫兹向近红外参量转换的观察)；opticsexpress(光学快报)第14卷第18期第8311页(2006)；
-hurlbut等人；“quasi-phasematchedthzgenerationingaas”(gaas中准相位匹配的太赫兹生成)；conferenceonlasersandelectro-optics(激光与电光会议)，论文号ctugg(2006)；
-cao等人；“coherentdetectionofpulsednarrowbandterahertzradiation”(脉冲窄带太赫兹辐射的相干检测)；appliedphysicsletters(应用物理快报)第88卷第011101页(2006)；
-vodopyanov；“opticalgenerationofnarrow-bandterahertzpacketsinperiodicallyinvertedelectro-opticcrystals:conversionefficiencyandoptimallaserpulseformat”(周期反相电光晶体中的窄带太赫兹包的光学生成：转换效率和最佳激光脉冲格式)；opticsexpress(光学快报)第14卷第6期第2263页(2006)；
-lee等人；“generationofmulticycleterahertzpulsesviaopticalrectificationinperiodicallyinvertedgaasstructures”(周期反相gaas结构中通过光学整流的多周期太赫兹脉冲的生成)；appliedphysicsletters(应用物理快报)第89卷第181104页(2006)；
-khan等人；“opticaldetectionofterahertzradiationbyusingnonlinearparametricupconversion”(通过使用非线性参量上转换对太赫兹辐射的光学检测)；opticsletters(光学通讯)第32卷第22期第3248页(2007)；
-schaar等人；“intracavityterahertz-wavegenerationinasynchronouslypumpedopticalparametricoscillatorusingquasi-phase-matchedgaas”(使用准相位匹配的gaas在同步泵浦光参量振荡器中的腔内太赫兹波生成)；opticsletters(光学快报)第32卷第10期第1284页(2007)；
-khan等人；“opticaldetectionofterahertzusingnonlinearparametricupconversion”(通过使用非线性参量上转换对太赫兹的光学检测)；opticsletters(光学快报)第33卷第23期第2725页(2008)；
-vodopyanov等人；“resonantly-enhancedthz-wavegenerationviamultispectralmixinginsidearing-cavityopticalparametricoscillator”(通过环形腔内光参量振荡器的多光谱混合的共振增强的太赫兹波生成)；conferenceonlasersandelectro-optics(激光与电光会议)，论文号ctug1(2009)；
-pedersen等人；“enhanced2d-imageupconversionusingsolid-statelasers”(使用固态激光器的增强2d图像上转换)；opticsexpress(光学快报)第17卷第23期第20885页(2009)；
-hurlbut等人；“thz-wavegenerationinsideahigh-finessering-cavityopopumpedbyafiberlaser”(由光纤激光器泵浦的高精细环形腔opo内的太赫兹波生成)；conferenceonlasersandelectro-optics(激光与电光会议)，论文号cwf3(2010)；
-tekavec等人；“efficienthigh-powertunableterahertzsourcesbasedonintracavitydifferencefrequencygeneration”(基于腔内差频生成的高效高功率可调谐太赫兹源)；论文号irmmw-thz，第36届红外、毫米和太赫兹波国际会议(2011)；
-tekavec等人；“terahertzgenerationfromquasi-phasematchedgalliumarsenideusingatypeiiringcavityopticalparametricoscillator”(使用ii类环形腔光学参量振荡器通过准相位匹配砷化镓生成太赫兹)；proc.spie8261，terahertztechnologyandapplicationsv(太赫兹技术和应用v)，82610v；doi:10.1117/12.909529(2012)；
-clerici等人；“ccd-basedimagingand3dspace-timemappingofterahertzfieldsviakerrfrequencyconversion”(通过kerr频率转换的太赫兹场基于ccd的成像和3d空间时间映射)；opticsletters(光学快报)第38卷第11期第1899页(2013年6月1日)；
-fan等人；“roomtemperatureterahertzwaveimagingat60fpsbyfrequencyup-conversionindastcrystal”(以60fps通过dast晶体中的频率上转换的室温太赫兹波成像)；proc.spie8964，nonlinearfrequencygenerationandconversion:materials,devices,andapplicationsxiii(非线性频率生成和转换：材料、设备和应用xiii)，89640b(2014年2月20日)；doi:10.1117/12.2038685；
-fan等人；“real-timeterahertzwaveimagingbynonlinearopticalfrequencyup-conversionina4-dimethylamino-n′-methyl-4′-stilbazoliumtosylatecrystal”(通过4-二甲氨基-n′-甲基-4′-有机吡啶盐甲苯磺酸盐晶体中非线性光学频率上转换的实时太赫兹波成像)；appliedphysicsletters(应用物理快报)第104卷第101106页(2014)；doi:10.1063/1.4868134；以及
-tekavec等人；“videorate3dthztomography”(视频速率3d太赫兹层析)；逾期论文，conferenceonlasersandelectro-optics(激光与电光会议)(2014年6月8日至13日，加利福尼亚圣何塞)；这些文献通过援引并入，如同在本文完整陈述一样。
技术实现要素：
太赫兹图像光束通过非线性光学过程进行上转换(例如，采用可见光或近ir上转换光束的和频或差频生成)。经上转换的图像通过可见光或近ir图像检测器采集。太赫兹图像光束和上转换光束包括连续波(cw)光束。太赫兹图像光束和上转换光束的频带宽度和中心波长为使得当阻挡或大幅度衰减上转换光束时，可以采用波长滤波来允许经上转换的图像光束到达检测器。
通过参考附图中所示和以下书面描述中披露的示例性实施例，关于太赫兹图像的上转换以及经上转换的图像的检测的目标和优点会变得清楚。
提供本发明内容用以通过简化的形式介绍概念选集，在下文的具体实施方式中会进一步说明这些概念。本发明内容并非旨在确定披露的或要求保护的主题的关键特征或基本特征，也并非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
图1示意性地展示了用于采集经上转换的太赫兹图像的装置的第一实例。
图2示意性地展示了用于采集经上转换的太赫兹图像的装置的第二实例。
图3a-3d和图3f是上转换光束和经上转换的太赫兹图像光束的光谱的实例，其中(i)两种光束均包括飞秒脉冲串(图3a)，(ii)太赫兹成像光束为cw光束并且上转换光束为纳秒脉冲串(图3b)，(iii)两种光束均包括连续波(cw)光束(图3b和图3f)，或者(iv)两种光束在基于最大偏振或波长的滤波之前均包括皮秒脉冲串(图3c和图3d)；图3e是使用皮秒脉冲的经上转换的太赫兹图像光束和残余上转换光束的偏振和波长滤波光谱的实例。
图4是一个表格，比较了用于使用纳秒脉冲串、皮秒脉冲串或飞秒脉冲串或连续波(cw)光束采集太赫兹图像的若干技术的估计信号强度。
图5示意性地示出了cw太赫兹成像光束的示例性安排，该光束从样本被反射并且通过cw上转换光束进行上转换。
图6a-6c是三个测试物体的可见图像；图7a-7c是那些物体在透射时的原始上转换太赫兹图像；图8a-8c是那些物体在透射时的归一化、上转换太赫兹图像。
图9a-9c是其他三个测试物体的可见图像；图10a-10c是那些物体在透射时的上转换太赫兹图像；图11a-11c是那些物体在透射时的归一化、上转换太赫兹图像。
图12示意性地展示了用于使用cw太赫兹成像光束和cw上转换光束采集经上转换的太赫兹图像的装置的另一个实例。
仅示意性地示出了所描绘的实施例：所有特征可能没有以完全详细或以正确比例示出，为清楚起见，某些特征或结构可能相对于其他特征或结构被放大，并且附图不应当被视为是按比例的。所示实施例仅为实例：不应当将它们理解为限制本披露内容或所附权利要求的范围。
具体实施方式
本文披露的主题可能涉及以下文献中披露的主题，(i)2014年12月4日以vladimirg.kozlov和patrickf.tekavec的名义提交的美国非临时性申请号14/561,141(现在为美国专利号9,377,362)，(ii)2013年12月4日以vladimirg.kozlov和patrickf.tekavec的名义提交的美国非临时性申请号61/912,004，以及(iii)2014年6月4日以vladimirg.kozlov和patrickf.tekavec的名义提交的美国非临时性申请号62/007,904。所述申请中的每一个在此通过援引并入，如同在本文完整陈述一样。
出于本披露内容和所附权利要求的目的，并且不考虑在本文所列的任何引用或结合的参考文献中的使用，术语“连续波”和“cw”在没有术语“锁模”跟随时，表示光束或太赫兹光束，其中平均功率和峰值功率基本上彼此相等。换言之，连续波或cw光束不包括峰值功率高于平均功率(通常高出多个数量级)的脉冲串。相反地，术语“连续波锁模”和“cw锁模”表示包括峰值功率高于平均功率的脉冲串并且通常脉冲重复率对应于光学谐振腔的往返时间的光束或太赫兹光束。
电磁光谱的太赫兹(thz)波区域(即，约0.05thz至约10thz)，微波与长波红外光谱区域之间相对未充分开发的光谱“间隙”，由于若干原因而令人关注。许多生物和化学化合物在该光谱区域具有独特的吸收特征，使得太赫兹辐射对于国防、安全、生化和工业环境中的成像具有吸引力。太赫兹辐射可以具有很少衰减或没有衰减地穿过对于具有很少衰减的光、紫外线或红外辐射不透明的许多物质(例如，陶瓷、织物、干燥有机物质、塑料、纸张，或各种包装材料)。利用太赫兹辐射的成像能实现亚毫米空间分辨率，与在较长波长(例如，使用毫米波)下获得的图像相比可能提供更高质量的图像。
在太赫兹频率下对图像的直接采集或检测因适合的检测器(例如，辐射热计、高莱探测器或微测辐射热计阵列)通常较低的灵敏度或低空间分辨率、在使用单通道检测器时需要光栅扫描来获得二维图像、或者需要低温冷却辐射热计检测器或阵列而受到阻碍。可在室温下工作的具有高空间分辨率的灵敏的二维检测器阵列(例如，ccd阵列、cmos阵列或ingaas阵列)现成可供用于检测电磁光谱的可见光和近红外光(近ir)部分(即，波长从约400nm至约3000nm)中的图像；通过使用此类检测器可避免上面针对直接检测太赫兹频率图像提到的问题，但是那些检测器对于太赫兹辐射不敏感。可以采用各种非线性光学效果来实现可见光或近ir检测器或阵列的使用，以采集太赫兹图像。
可以采用所谓的相干检测，使用可见光或近ir检测器来采集太赫兹图像；在wu等人、yonera等人、jiang等人和zhang等人的参考文献(上文所引用)中披露了实例。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波长下<100飞秒(fs))来形成宽频带太赫兹脉冲。在电光晶体中，太赫兹脉冲的相干检测可以通过将其与短光学探测脉冲(例如，在可见光或近ir波长下<100fs；通常是泵浦脉冲的振幅缩放复制)混合来实现。光学探测脉冲的偏振由于泡克耳斯效应而通过太赫兹脉冲电场旋转；旋转量与太赫兹场幅度成比例并且可以通过分析器偏振器的检测进行测量。可以使用单检测器元件结合物体或太赫兹图像的光栅扫描实施相干检测，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，采集的图像的图像对比度通常受到低信噪比限制。此外，由短光学脉冲生成的太赫兹辐射的宽光学频率频带宽度(通常约2至3太赫兹)常常导致引起该频带宽度内的特定频率的显著大气吸收，从而导致太赫兹功率损耗以及太赫兹频率光谱畸变。
本文所披露的是相干检测的替代方案，其中可以采用可见光或近ir检测器或阵列来采集太赫兹图像，方法是(i)那些图像到光学或近红外波长(即，约400nm至约3000nm)的非线性光学上转换以及(ii)使用检测器或阵列检测经上转换的图像。在图1和图2中示意性地示出了用于生成和采集经上转换的太赫兹图像的系统的实例。在每个实例中，通过波长为λthz＝c/νthz(c为光的速度)的太赫兹辐射光束(即，太赫兹成像光束21)照射物体10。可以通过来自物体10的反射或散射或通过穿过或围绕物体10的透射生成太赫兹图像。通过第一聚焦元件31(显示为图1和图2中的单个透镜；可以采用偏轴抛物面反射器或适合太赫兹辐射的其他一个或多个透射或反射聚焦元件)收集反射或透射的太赫兹图像光束20，并将其中继到上转换非线性光学介质36。可见光或近ir波长λuc的上转换光束22通过光束组合器34与太赫兹图像光束20组合(通常基本上共线)；光束组合器可以是任何合适的类型或构造(例如，薄膜)，并且可以在透射太赫兹图像光束20时反射上转换光束22(如图1和图2所示)，或者可以在反射太赫兹图像光束20时透射上转换光束22(未示出)。
太赫兹图像光束20和上转换光束22同向-传播透过上转换非线性光学介质36，其中一个或多个经上转换的图像光束24通过太赫兹图像光束20与上转换光束22之间的非线性光学相互作用(和频或差频生成；分别为sfg或dfg)生成。来自上转换光束22的残余辐射通过一个或多个波长相关的滤波器38或一个或多个偏振器39(它们共同构成图像滤波元件)衰减或被阻挡。通过第二聚焦元件32(显示为图1和图2中的单个透镜；可以采用适合于一个或多个经上转换的图像光束的一个或多个波长的任何一个或多个透射或反射聚焦元件)收集一个或多个经上转换的图像光束24(在1/λdfg＝1/λuc-1/λthz或1/λsfg＝1/λuc+1/λthz或二者处)，并且将其中继到可见光或近ir检测器阵列40以检测经上转换的图像。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在很大程度上是不相关的，因为太赫兹辐射通常在可见光或近ir检测器阵列40上没有可辨别出的影响。然而，检测阵列40对于来自上转换光束22的残余辐射敏感；到达检测器阵列40的任何这种残余上转换辐射都代表用于检测一个或多个经上转换的图像光束24的不期望的背景信号(下文将进一步讨论)。
在实例中示出并描述了检测器阵列40，该检测器阵列能够通过在检测器阵列的多个对应的检测器元件上同时接收经上转换的图像光束的不同空间部分来采集整个图像。然而，本披露内容或随附的权利要求还可以涵盖跨越经上转换的图像光束扫描的单个检测器元件的使用，以在单个检测器元件上顺序地接收经上转换的图像光束的不同空间部分。
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，或多部件聚焦元件的有效焦距)为f1；第二聚焦元件32的有效焦距为f2。在图1的构造中，物体10与第一聚焦元件31之间的距离为do1，第一聚焦元件31与非线性光学介质36之间的距离为di1，并且物体10、第一聚焦元件31和非线性光学介质36被定位成使得1/do1+1/di1＝1/f1，即物体10和非线性光学介质36被定位在由聚焦元件31限定的共轭平面处，使得物体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。太赫兹图像在非线性光学介质36中使用上转换光束22通过sfg或dfg进行上转换。非线性光学介质36与第二聚焦元件32之间的距离为do2，第二聚焦元件32与检测器阵列40之间的距离为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被定位成使得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限定的共轭平面处，使得在非线性光学介质36中生成的经上转换的图像以-di2/do2的放大率在检测器阵列40上重新成像。相对于物体10在检测器阵列40上形成的图像的整体放大率为(di1·di2)/(do1·do2)。
在图2的构造中，物体10与第一聚焦元件31之间的距离为f1，并且第一聚焦元件31与非线性光学介质36之间的距离也为f1。因此，在非线性光学介质36上形成了太赫兹图像的空间傅立叶变换；在非线性光学介质36中使用上转换光束22通过sfg或dfg进行上转换的该空间傅立叶变换，生成太赫兹图像的一个或多个上转换空间傅立叶变换。非线性光学介质36与第二聚焦元件32之间的距离为f2，并且第二聚焦元件32与检测器阵列40之间的距离也为f2。因此，通过非线性光学介质36中生成的上转换空间傅立叶变换在检测器阵列40上形成经上转换的图像。相对于物体10在检测器阵列40上形成的图像的整体放大率为-(λuc·f2)/(λthz·f1)。图2的构造在一些实例中可产生更为紧凑的图像上转换系统安排，因为通常di1+di2+do1+do2大于2·(f2+f1)。
在任何实际系统中，物体10、聚焦元件31和32、非线性光学介质36或检测器阵列40的位置可能与针对上述两种构造给出的确切位置有偏差。出于本披露内容或所附权利要求的目的，如果经上转换的图像形成于对于给定应用而言具有足够好的质量的检测器阵列40处，将考虑使给定的成像安排符合那些构造中的一种。
在上述两种构造中，上转换聚焦元件33将上转换光束22传递到非线性光学介质36中以与太赫兹图像光束20相互作用。优选地使非线性光学介质36处的上转换光束22尽实际可能的小(因为增加上转换光束的强度会导致上转换效率提升)，同时仍然基本上在空间上与整个太赫兹图像光束20重叠并展现出基本上平坦的波前，并且跨越太赫兹图像或傅立叶变换的空间范围的空间强度变化足够小。为了这些目的，通常聚焦元件33(例如，单透镜、单曲面镜、望远镜或一个或多个透射或反射聚焦部件的合适组合)被安排成在非线性光学介质36上形成上转换光束22的相对轻柔聚焦的光束腰。例如，聚焦元件33可以被安排成在非线性光学介质36上生成大约7mm宽(半极大处全宽度，即，fwhm)的光束腰；可以采用其他合适的宽度。过小的上转换光束尺寸的效果取决于成像系统的构造。在图1的构造中，如果没有上转换太赫兹图像的周边部分，则较小上转换光束22可能会导致经上转换的图像的周边部分丢失。在图2的构造中，如果没有上转换太赫兹图像的较大波矢分量(即，空间傅立叶变换的周边部分)，较小上转换光束22可能会导致经上转换的图像的清晰度受损。在任一构造中，通常可以容许与上转换光束22的平坦波前或均匀强度的偏差；可以容许的此类偏差的大小可能发生变化，并且通常取决于经上转换的图像所需的或期望的图像质量。
在图3a-3f中示出了上转换光束22和一个或多个经上转换的图像光束24的波长光谱的实例。在每个实例中，一个或两个经上转换的图像光束24通过太赫兹图像光束20(以νthz≈1.55thz为中心)与上转换光束22(在图3a中以λuc≈800nm为中心；在图3b-3e中以λuc≈1064nm为中心；在图3f中以λuc≈1550nm为中心)之间的和频或差频生成(分别为sfg或dfg)中的一种或两种形成于非线性光学介质36中。根据sfg和dfg非线性光学过程的性质，在一些实例中，仅那些过程中的一个将产生对应的经上转换的图像光束24。
在展现出与图3a的光谱相似的光谱的先前实例中(例如，在上面引用的wu等人、yonera等人、jiang等人和zhang等人的参考文献中所披露的)，上转换光束22包括持续时间约100fs的脉冲串，其中约15nm的对应光谱频带宽度以λuc≈800nm为中心。经上转换的图像光束24具有λsfg≈796nm和λdfg≈804nm的对应中心波长和相似的光谱频带宽度。在该实例中，由于在非线性光学介质36中对sfg和dfg采用的非线性光学过程的性质(例如，i型或ii型非线性光学过程)，经上转换的图像光束24相对于上转换光束22正交地偏振。除了上面讨论的太赫兹图像光束20和上转换光束22的空间重叠外，还需要那些光束的相应脉冲串的大幅度时间重叠，来实现期望的太赫兹图像上转换效率。将合适的延迟线插入太赫兹图像光束20或上转换光束22中的一个或两个的光束路径中；可以调节延迟线以实现上转换效率的优化。更短的脉冲持续时间(大约100fs)提升了sfg和dfg过程的效率，但是伴随的更大的频带宽度(大约15nm)会引起上转换光束22和经上转换的图像光束24的大幅度光谱重叠。由于该重叠，波长相关的滤波器38通常无法用作用于衰减残余上转换光束22的图像滤波元件的一部分。上转换光束22和经上转换的图像光束24的正交偏振使得偏振器39能够用作图像滤波元件来衰减残余上转换光束22。然而，对于受阻偏振状态，偏振器最好展现出约10-6的衰减(10-4至10-5更现实)，并且由于透过非线性光学介质36和各种其他光学部件，残余上转换光束22通常不处于纯线性偏振状态。通过偏振器39泄漏的残余上转换光束22的那部分的强度通常基本上可能比经上转换的图像光束24大得多。此外，太赫兹图像光束20的宽光学频率频带宽度发生特定频率分量的显著大气吸收，如上面所指出的。出于所有这些原因，这种持续时间短的脉冲(数百飞秒或更短，具有对应较大的光谱频带宽度)不是特别适合于太赫兹图像的上转换。
在各种其他先前实例中(例如，在上面引用的khan等人、nahata等人、cao等人和ding等人的参考文献中披露的实例；在图3b示出了代表性光谱，其中λuc≈1064nm、λsfg≈1058nm并且λdfg≈1070nm)，采用了连续波太赫兹光束和上转换光束，上转换光束包括持续时间为数纳秒(ns)并具有对应的窄光谱频带宽度(例如，<0.1nm)的脉冲，由此使得能够在图像滤波元件中采用波长相关的滤波器，用于在检测经上转换的信号之前衰减残余上转换辐射。然而，较长的脉冲需要上转换光束的脉冲能量接近非线性光学介质36的损伤阈值，以实现太赫兹图像的可检测的上转换。此类脉冲能量通常仅可用在低重复率脉冲激光器中(例如，大约10hz的脉冲重复率)，但是，脉冲间的波动往往使经上转换的图像的小信号电平的检测变得模糊。大多数检测器阵列对于平均功率敏感，平均功率在此类低重复率下非常低。重复率也与近实时视频成像的期望帧率相当，并且因此不是很适合该应用；视频速率成像需要每帧单次拍摄。此外，上转换光束通常必须包括期望的dfg波长的辐射，使得能够检测经上转换的图像，从而使该检测成为固有的非零背景过程(例如，cao等人的参考文献中所披露的)。出于所有这些原因，这种持续时间长的脉冲(数纳秒或更长，具有对应的窄光谱频带宽度)和这种大脉冲能量不是特别适合于太赫兹图像的上转换。
在kozlov等人披露的实例中(us2015/0153234；图3c中示出的示例性光谱)，太赫兹图像光束20和上转换光束22包括持续时间约6-10皮秒(ps；fwhm)的脉冲串，上转换光束的频带宽度为约0.3nm(fwhm)，并且太赫兹图像光束的频率光谱相似地窄(例如，小于100ghz(fwhm)，以约1.55thz为中心，由此能够基本避免大气吸收频带)。对于以λuc≈1064nm为中心的上转换光束22，经上转换的图像光束24具有λsfg≈1058nm和λdfg≈1070nm的对应中心波长和相似窄的光谱频带宽度。如在先前实例中那样，由于在非线性光学介质36中对sfg和dfg采用的非线性光学过程的性质(例如，i型或ii型非线性光学过程)，经上转换的图像光束24相对于上转换光束22正交地偏振。上转换光束22和经上转换的图像光束24的正交偏振使得偏振器39能够用在图像滤波元件中来衰减残余上转换光束22。相对于图3a的实例的更长的脉冲会导致峰值强度减小以及sfg和dfg过程的效率降低，但那些过程仍然比图3b的实例中的过程更有效率。然而，对应更小的光谱频带宽度基本上消除了上转换光束22和经上转换的图像光束24的光谱重叠，使得替代或除偏振器39之外，还能够在图像滤波元件中使用一个或多个波长相关的滤波器38来衰减残余上转换光束22。一个或多个波长相关的滤波器38和偏振器39的组合可以保守地使残余上转换光束22的衰减大约10-8、可能高达10-10或10-12。替代性地，没有上转换光束22与经上转换的图像光束24的光学重叠可以使得从图像滤波元件中消除偏振器39，并在非线性光学介质36中使用替代性的、可能更高效的非线性光学过程，例如，0型非线性光学过程，其中所有偏振彼此平行。脉冲持续时间还使得太赫兹图像采集能够与太赫兹层析成像技术组合，以采集源自样本中不同深度的图像，其中空间分辨率大约为数毫米。
由kozlov等人披露的另一实例(图3d)与图3c的实例相似，区别在于采用的脉冲持续时间为约1-2ps(fwhm)，其中频带宽度为约1nm(fwhm)。这些参数可以提升太赫兹图像上转换的效率(由于脉冲持续时间更短，因此强度更高)，同时仍然能够实现残余上转换光束基于波长的有效过滤。当太赫兹图像采集与太赫兹层析成像技术组合以采集源自样本中不同深度的图像时，较短的脉冲持续时间还实现了改善的空间分辨率(例如，大约一毫米)。
在由kozlov等人披露的另一个实例中，太赫兹图像光束可以以约0.85thz为中心，其中光谱宽度与前述实例中的光谱宽度相似(能够基本避免大气吸收频带)。如果上转换光束以约λuc≈1064nm为中心并具有相似光谱宽度，则经上转换的图像光束将具有λsfg≈1061nm和λdfg≈1067nm的对应中心波长以及相似的光谱宽度。上转换光束与经上转换的图像光束之间较小的光谱间距可能需要偏振器或增强的光谱滤波以充分衰减上转换光束。
在根据本披露内容的发明性实例中，太赫兹成像光束21(并且因此也是太赫兹图像光束20)和上转换光束22二者都是连续波(cw)光束(图1、图2和图5)。使用cw光束起初似乎是不期望的；通常采用脉冲光束(如在上面披露的先前实例中)来利用伴随的更高的峰值功率推动非线性光学上转换过程。然而，可以采用更高功率的cw太赫兹源(例如，在从约0.05thz至约0.4thz、最高至约1.5thz、或最高至约3thz的频率范围产生大约0.1w至1w的平均功率)，该太赫兹光源在cw太赫兹图像光束20中提供的功率与先前实例中的峰值功率相当。然而，cw太赫兹图像光束20和上转换光束22的高得多的占空比(即，cw光束的统一与典型锁模源重复率下皮秒脉冲的大约10-4的比较)在经上转换的图像光束24中产生相当或更大的平均上转换平均功率。通常采用的成像检测器40对经上转换的图像光束24中的平均功率敏感。在图5中示意性地示出了示例性装置，其中cw太赫兹光源100产生太赫兹成像光束21，并且cw可见光或近ir光源200生成上转换光束22。在图1和图2的实例中，太赫兹图像由透过或围绕物体10的透射形成；在图5的实例中，太赫兹图像由来自物体10的反射或散射形成。典型的光谱类似于图3b的实例(νthz≈1.55thz、λuc≈1064nm、λsfg≈1058nm以及λdfg≈1070nm)或图3f的实例(νthz≈0.3thz、λuc≈1550nm、λsfg≈1547.6nm以及λdfg≈1552.5nm)。连续波光束20和22的平均太赫兹功率和上转换光束功率使经上转换的图像光束24中有足够的功率(参见图4的表格)来实现近实时太赫兹成像，例如，在约5-30fps或更高帧率下的视频速率太赫兹成像。已经观察到经上转换的图像信号基本上随太赫兹成像光束功率并且随上转换光束功率呈线性地变化，没有饱和的迹象。这表明可以通过进一步增大太赫兹光束功率和上转换光束功率来实现经上转换的图像信号的进一步增大。
可以采用连续波(cw)太赫兹成像光束21的任何合适光源100，该光源在期望的太赫兹频率范围内产生足够的功率。一些实例利用所谓的返波振荡器(bwo)效应，并且包括由
可以采用可见光或近红外上转换光束22的任何合适的光源200，该光源在期望的上转换波长处生成足够功率并且具有足够小的上转换频带宽度。典型的光源200包括在可见光或近红外光下工作的固态激光器、半导体激光器或光纤激光器。实例包括可购自nktphotonicsa/s的
在上述实例上转换光源200中，对应的上转换频带宽度可以小至数十khz。典型地，上转换频带宽度小于约0.1nm，这针对λuc≈1000nm对应于约30ghz或针对λuc≈1500nm对应于约20ghz。因此，上转换频带宽度可以对采用的太赫兹频率施加下限，同时保持上转换光束22和经上转换的图像光束24在光谱上分离。然而，即使上转换频带宽度非常窄(如上述示例性光源一样)，使得上转换光谱和经上转换的图像光谱不重叠并且完全分离，但由于使用相对较低太赫兹频率而导致它们的间距较近(例如，对于小于约0.3thz的太赫兹频率，间隔仅约2纳米或更小)可能会导致在透射一个或两个经上转换的图像光束24时对上转换光束22的带阻不足(或至少存在问题)，或者在基本上阻碍上转换光束22时经上转换的图像光束24的透射不足(将在下文进一步讨论)。
可以采用任何合适的非线性光学介质36来生成一个或多个经上转换的图像光束24。一种合适的介质包括两个或更多个光学接触砷化镓(gaas)或磷化镓(gap)片堆叠体。选择片的厚度以通过太赫兹图像光束20的上转换光束22对一个或多个经上转换的图像光束24产生准相位匹配上转换。在一个实例中，可以采用6至12个gaas片的堆叠体(每个片约300μm厚)，通过在约1.55thz处从太赫兹图像光束20和在约1064nm处从上转换光束22产生经上转换的图像光束24(在1058nm和1070nm处)，其中上转换光束22的偏振基本上与上转换光束24的偏振正交。更多的片可以得到更高的上转换效率，但是维持足够高的光学质量的难度随片的数量增加而增大。在另一个实例中，可以采用高达约8至9mm厚(即，小于或大约等于上转换过程的相干长度)的单个gaas片，通过在约0.3thz处从太赫兹图像光束20和在约1550nm处从上转换光束22生成经上转换的图像光束24(在约1547.6nm和约1552.4nm处)，并且上转换光束相对于经上转换的图像光束24正交地偏振。对于太赫兹频率和上转换波长的其他组合，可以采用其他片数目或厚度。可以采用一种或多种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。
如果介质36中的非线性光学过程仅产生一个经上转换的图像光束24，或者如果在检测器阵列40上仅需检测多个经上转换的图像光束24中的一个，则可以采用短通或长通截止滤波器38来衰减或阻挡上转换光束22，同时使一个经上转换的图像光束的至少一部分(在光谱上)能够到达检测器40。例如，可以采用具有在上转换波长与差频波长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该上转换波长处的残余上转换光束22以及和该频波长处的经上转换的图像光束24(如果存在)，但是会将差频波长处的经上转换的图像光束24的至少一部分透射至检测器阵列40；在图3e中针对由kozlov等人披露的实例中的一个示出了通过这种安排透射的光谱的实例。相似地，可以使用具有在上转换波长与和频波长之间的截止波长的短通滤波器38，以在衰减或阻挡该上转换波长处的残余上转换光束22和该差频波长处的经上转换的图像光束24(如果存在)时，使该和频波长处的经上转换的图像光束能够到达检测器阵列40。
在另一个实例中，可以采用标称地以上转换波长为中心的所谓陷波滤波器38(例如，布拉格滤波器或多层薄膜干涉型滤波器)来衰减或阻挡残余上转换光束22，同时使两个经上转换的光束24的至少一部分(在光谱上)能够到达检测器40。实际上，适合于图3b、图3c、图3d或图3f中所示的特定波长组合的薄膜陷波滤波器可能不会在上转换光束22与经上转换的图像光束24之间提供足够的区分，即，当前难以设计和制造这种具有足够窄的带阻频带宽度的薄膜陷波滤波器，该滤波器在那些波长处同时展现出残余上转换光束22的充分衰减和经上转换的图像光束24的充分透射。另外，根据上转换光束22的光源的性质，其光谱在一些实例中可以展现出过大的频带宽度或不需要的边频带；该问题在一些实例中可以通过使用带通滤波器(用在透射中)或以λuc为中心的陷波滤波器(用在反射中)来“清理”上转换光束22的光谱从而得到缓解。在任何情况下，都可以对其他相隔更宽的波长的组合适当地采用当前可用的陷波滤波器，或者可以采用改善了设计和性能的未来陷波滤波器与图3b、图3c、图3d或图3f的波长的组合。
替代或除一个或多个薄膜滤波器之外，还可以采用一个或多个布拉格滤波器来减少上转换光束22至成像检测器阵列40的透射。布拉格型陷波滤波器通常展现出比薄膜陷波滤波器的光谱带阻频带宽度更窄的光谱带阻频带宽度。此类布拉格滤波器的合适实例包括例如，由optigrate公司制造的braggratetmraman滤波器、在授权给elimov等人的美国专利号6,673,497(该专利通过援引并入，如同在本文完整陈述一样)中披露的布拉格滤波器、或胶体晶体布拉格滤波器，诸如在asher等人，spectroscopy(光谱学)第1卷第12期第26页(1986)(该文献通过援引并入，如同在本文完整陈述一样)中披露的滤波器。即使采用了会导致上转换光谱与经上转换的图像光谱之间的间距相对近的相对低的太赫兹频率(例如，对于小于约0.3thz的太赫兹频率，间隔约2至3纳米或更小，如图3f中所示；或对于小于约0.1thz的太赫兹频率，间隔小于约1纳米)，此类布拉格滤波器也可以在经上转换的图像光束24与上转换光束20之间提供足够的区分。替代地或此外，可以采用其他类型的波长相关滤波器(例如，在dwdm光电电信系统中采用的滤波器)对经上转换的图像光束24与残余上转换光束20之间进行区分。
替代或(更典型地)除该一个或多个滤波元件38(短通、长通或两者)之外，如果光束22和光束24正交偏振，则可以采用任何合适类型的偏振器39。在本披露内容和所附权利要求的范围内，可以采用任何合适的一个或多个偏振器或一个或多个光谱滤波元件，无论是现有的还是未来开发的。在上转换光谱和经上转换的图像光谱的间距相对近的实例中，替代或除该一个或多个波长相关滤波器38之外使用的一个或多个偏振器39可以在上转换光束22与经上转换的图像光束24之间提供足够区分。无论采用什么滤波安排，对于光束22与24之间仅数纳米或更小的光谱间隔，上转换光束22的透射在一些实例中可以为大约以106计的一份、以107计的一份或以108计的一份，而在其他实例中可以实现更令人满意的以1010计的一份或以1012计的一份(如上述相对较大的光谱间隔一样)。
注意，即使将在检测器阵列40仅采集一个经上转换的图像光束24，产生dfg上转换图像光束24也可能是有利的。每个sfg光子以太赫兹图像光束20中损失对应太赫兹光子为代价而产生；sfg上转换图像光束24的强度因此受到太赫兹图像光束20中可用的光子数目的限制。相比之下，在经上转换的图像光束24中产生的每个dfg光子也引起新的光子在太赫兹图像光束20中产生。dfg上转换图像光束24的强度因此受到上转换光束22中(大得多的)可用光子数目的限制。因此，如果仅将采集一个经上转换的图像，则可能需要采用dfg来生成经上转换的图像。然而，dfg上转换图像光束24的生成使太赫兹图像光束20中有额外的光子可用于sfg。即使dfg上转换图像光束24被滤波器38衰减或阻挡，并且仅sfg上转换图像光束24到达检测器阵列40，dfg上转换图像光束24的生成也可以增大检测到的sfg上转换图像光束24的强度。
注意，在之前段落中所述的同时sfg和dfg仅在特定情况下发生。在本文所述的实例中，准相位匹配的sfg和dfg过程的接受频带宽度足够大，使得两个过程可以针对图3b-3d的实例中所示的λuc≈1064nm、λsfg≈1058nm和λdfg≈1070nm的组合、或针对图3f中所示的λuc≈1550nm、λsfg≈1547.6nm和λdfg≈1552.4nm的组合以近似最佳效率发生。对于间隔更宽的sfg和dfg波长(即，对于更高的太赫兹频率)，或者对于具有较小接受频带宽度的非线性光学介质，可能无法同时产生sfg和dfg上转换图像光束24。
图6a-6c示出了使用太赫兹图像的上转换分别成像的一件金属片中的十字形孔、螺母和剃刀刀片(在透射中，作为物体10)。图7a-7c为左侧的对应原始透射且经上转换的图像以及右侧的经上转换的太赫兹成像光束21(没有物体10)，并且图8a-8c为对应的归一化经上转换的图像(通过将原始经上转换的图像光束除以经上转换的太赫兹成像光束进行归一化)。图9a-9c示出了使用太赫兹图像的上转换分别成像的、由胶带覆盖的剃刀刀片、树叶、一张有水的纸(在透射中，作为物体10)。图10a-10c是对应的原始透射图像且经上转换的图像，并且图11a-11c是对应的归一化透射且经上转换的图像(通过将原始经上转换的图像光束除以经上转换的太赫兹成像光束进行归一化)。图6a-8c的实例展示了对于太赫兹辐射不透明的物体的透射太赫兹图像的上转换(即，此类物体的太赫兹“阴影”的上转换)。图9a-11c的实例演示了物体的透射太赫兹图像的上转换，这些物体具有空间上不同的太赫兹透射(例如，树叶中的脉络或纸张的湿润区域)或者具有在光照射下不能辨别的特征(例如，被胶带隐藏的剃刀刀片)。
在图12中示意性地展示了用于使用所谓零差检测生成和采集反射且经上转换的太赫兹图像的系统的另一个实例。在前述实例中，经上转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，经上转换的图像的位置相关的强度基本上与该图像的位置相关的相位无关。在该实例中，采用分束器44来将太赫兹参考光束23从成像太赫兹光束20中分开。分束器44将太赫兹参考光束23与太赫兹图像光束21组合，然后这两个光束同向传播透过非线性光学介质36。太赫兹参考光束23和太赫兹图像光束21的相对相位可能会随改变延迟线的长度而变化，例如，如图15中所示。在这种安排中，每个经上转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和太赫兹参考光束的对应相对相位。采集包括在每个图像位置处的强度和相位的太赫兹图像可以比仅包括图像强度得到更多有关物体10的信息。例如，如果仅检测到强度，给定物体可能得到无特征的图像，但是可能展现出表现为图像上的相位变化的图像特征。这种实例与对于可见光均匀透明的物体相似，但是展现出空间相关的折射率；仅由透射强度组成的图像将没有空间变化。
在图12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。组合光束的总太赫兹强度将包括与相位无关的部分，这些部分对应于相应参考光束和图像光束的平方振幅，并且还将包括与涉及两个振幅的交叉项相对应的相位相关部分。在一个实例中，从与参考光束组合的图像光束的上转换得到的总强度是图像光束强度的100倍。那些光束的干扰导致参考强度约±20％的相位相关强度变化。这可以被视为有效地放大图像光束，例如，在一些实例中，根据诸如噪声或检测灵敏度等因素，与只有100倍小的标称零背景信号相比，对非零背景的±20％的调制更易于被检测和量化。
使用单检测器可以采用零差检测：跨越经上转换的图像光束24扫描检测器，并且在每个检测器位置处扫描延迟线以改变太赫兹参考光束和图像光束的相对相位。替代性地，可以采用阵列检测器，在每个不同的相对相位处采集完整图像。在任一情况下，可以根据用于处理相位相关数量的标准方法呈现或解释所得的图像(例如，使用对应的振幅和相位图像，或者使用所谓的“同-相”和“正交”图像，其也可以被称为复数图像的实部和虚部)。零差检测技术在光学相干层析领域得到广泛采用；在该领域中开发的各种数字、计算或分析方法可易于应用至上转换太赫兹图像的零差检测。
可以修改图1、图2或图5的构造，使得除经上转换的太赫兹图像之外，能够在其他波长处实现物体10的图像的方便采集。例如，可以采用可移动的光学器件来重新引导上转换光束22沿着太赫兹成像光束21的路径传播。可以安装分束器34和非线性光学介质36，使得易于将它们从光束路径移除，并且可以视情况而定移除或更换滤波器38或偏振器39。例如，可以采用滤波轮，用于将那些元件换进或换出光束路径。用这种方式，可以在不同波长处(例如，1.55thz和1064nm)在适当的地方将给定物体成像，然后在这些图像中进行比较或关联。此外，也可以将可能可用的其他波长(除了λuc之外)用于使物体10成像。
除了前述内容，以下实例也属于本披露内容或所附权利要求的范围：
实例1。一种用于采集物体的经上转换的太赫兹图像的方法，该方法包括：(a)用连续波太赫兹成像光束照射该物体，该太赫兹成像光束由在约0.05thz与约10thz之间的太赫兹频率、太赫兹频带宽度和太赫兹平均功率表征；(b)收集该太赫兹成像光束的至少一部分，该太赫兹成像光束通过该物体或围绕该物体透射或从该物体反射或散射，并且引导该部分作为太赫兹图像光束传播透过非线性光学介质，其中该太赫兹图像光束由该非线性光学介质处的太赫兹图像光束尺寸表征；(c)引导连续波上转换光束传播透过该非线性光学介质，其中该上转换光束与该太赫兹图像光束在该非线性光学介质中至少部分地在空间上重叠并且由上转换波长、上转换频带宽度、上转换平均功率和该非线性光学介质处的上转换光束尺寸表征；(d)通过该太赫兹图像光束和该上转换光束在该非线性光学介质中的非线性光学相互作用，上转换该太赫兹图像光束的至少一部分以形成经上转换的图像光束，该经上转换的图像光束由该太赫兹图像光束与该上转换光束之间的和频或差频生成产生的一个或两个波长表征；(e)使用图像检测器接收该经上转换的图像光束的至少一部分，并通过该图像检测器检测通过该经上转换的图像光束形成于该图像检测器处的经上转换的图像；以及(f)用图像滤波元件，允许小于以106计的约1份该上转换光束到达该图像检测器，(g)其中该太赫兹平均功率大于约0.1w，该上转换波长在约400nm与约3500nm之间，该上转换频带宽度小于约0.1nm，并且该上转换平均功率大于约1w。
实例2。如实例1所述的方法，其中该上转换波长在约1000nm与约1100nm之间，该上转换频带宽度小于约0.01nm，并且该上转换平均功率大于约10w。
实例3。如实例1所述的方法，其中该上转换波长在约1500nm与约1600nm之间，该上转换频带宽度小于约0.01nm，并且该上转换平均功率大于约5w。
实例4。如实例1至3中任一个所述的方法，其中该上转换光束的光源为固态激光器、光纤激光器或半导体激光器。
实例5。如实例1至4中任一个所述的方法，其中：(i)该太赫兹频率小于约3thz，并且该太赫兹平均功率大于约0.3w，或(ii)该太赫兹频率小于约1.6thz，并且该太赫兹平均功率大于约0.5w。
实例6。如实例1至5中任一个所述的方法，其中该太赫兹光束的光源包括返波型振荡器、一个或多个太赫兹放大器或一个或多个谐波发生器。
实例7。如实例1至6中任一个所述的方法，其中该经上转换的图像波长为：(i)在该上转换波长之下小于约1nm或在该上转换波长之上小于约1nm、或这两种情况，(ii)在该上转换波长之下约1nm至2nm或在该上转换波长之上约1nm至2nm、或或这两种情况，(iii)在该上转换波长之下约2nm至3nm或者在该上转换波长之上约2nm至3nm、或这两种情况，(iv)在该上转换波长之下约3nm至4nm或在该上转换波长之上约3nm至4nm、或这两种情况，(v)在该上转换波长之下约4nm至5nm或在该上转换波长之上约4nm至5nm、或这两种情况，(vi)在该上转换波长之下约5nm至6nm或在该上转换波长之上约5nm至6nm、或这两种情况。
实例8。如实例1至7中任一个所述的方法，其中该图像滤波元件被安排成允许：(i)小于以106计的约1份该上转换光束到达该图像检测器；(ii)小于以107计的约1份该上转换光束到达该图像检测器；(iii)小于以108计的约1份该上转换光束到达该图像检测器；(iv)小于以1010计的约1份该上转换光束到达该图像检测器；或(v)小于以1012计的约1份该上转换光束到达该图像检测器。
实例9。如实例1至8中任一个所述的方法，其中该图像滤波元件包括一个或多个波长相关的滤波器。
实例10。如实例9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包括短通或长通滤波器，该滤波器具有在该上转换波长与经上转换的图像波长中的一个之间的标称截止波长。
实例11。如实例9或10中任一个所述的方法，其中该一个或多个波长相关的滤波器中的至少一个包括标称地以该上转换波长为中心的陷波滤波器。
实例12。如实例1至11中任一个所述的方法，其中该非线性光学介质被安排成使得该经上转换的图像光束的偏振基本上垂直于该上转换光束的偏振。
实例13。如实例1至12中任一个所述的方法，其中该上转换光束和该经上转换的图像光束相对于彼此基本上正交偏振，并且该图像滤波元件包括被安排成基本上阻挡该上转换光束的一个或多个偏振器。
实例14。如实例1至11中任一个所述的方法，其中该非线性光学介质被安排成使得该经上转换的图像光束的偏振基本上平行于该上转换光束的偏振。
实例15。如实例1至14中任一个所述的方法，其中该非线性光学介质被安排成使得该非线性光学相互作用为关键相位匹配过程。
实例16。如实例1至14中任一个所述的方法，其中该非线性光学介质被安排成使得该非线性光学相互作用为非关键相位匹配过程。
实例17。如实例1至14中任一个所述的方法，其中该非线性光学介质被安排成使得该非线性光学相互作用为准相位匹配过程。
实例18。如实例17所述的方法，其中该非线性光学介质包括周期性极化的非线性光学晶体。
实例19。如实例17所述的方法，其中该非线性光学介质包括非线性光学材料的两个或多个光学接触片的堆叠体。
实例20。如实例17所述的方法，其中该非线性光学介质包括约300μm厚的6至12个光学接触gaas片的堆叠体，太赫兹频率为约1.55thz，并且上转换波长为约1064nm。
实例21。如实例1至16中任一个所述的方法，其中该非线性光学介质包括最高约8mm至9mm厚的单个gaas片，太赫兹频率为约0.3thz，并且上转换波长为约1550nm。
实例22。如实例1至21中任一个所述的方法，其中(i)第一聚焦元件收集该太赫兹成像光束的一部分并引导该太赫兹图像光束传播透过该非线性光学介质，(ii)该物体和该非线性光学介质被定位在该第一聚焦元件的相应共轭平面上，使得该太赫兹图像光束在该非线性光学介质处形成该物体的太赫兹图像，(iii)第二聚焦元件收集该经上转换的图像光束的一部分并引导该经上转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被定位在该第二聚焦元件的相应共轭平面上，使得该经上转换的图像光束在该图像检测器处形成该经上转换的图像。
实例23。如实例1至21中任一个所述的方法，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一部分并引导该太赫兹图像光束传播透过该非线性光学介质，(ii)该物体和该非线性光学介质各自被定位在距该第一聚焦元件约f1的距离处，使得该太赫兹图像光束在该非线性光学介质处形成该物体的太赫兹图像的空间傅立叶变换，(iii)由有效焦距f2表征的第二聚焦元件收集该经上转换的图像光束的一部分并引导该经上转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被定位在距该第二聚焦元件约f2的距离处，使得该经上转换的图像光束在该图像检测器处形成该经上转换的图像。
实例24。如实例1至23中任一个所述的方法，其中该图像检测器包括成像检测器阵列，并且检测该经上转换的图像包括在该成像检测器阵列的多个对应检测器元件上同时接收该经上转换的图像光束的不同空间部分。
实例25。如实例1至23中任一个所述的方法，其中该图像检测器包括单个检测器元件，并且检测该经上转换的图像包括跨越该经上转换的图像光束扫描该单个检测器元件，以便在该单个检测器元件上顺序地接收该经上转换的图像光束的不同空间部分。
实例26。如实例1至25中任一个所述的方法，其中该经上转换的图像的位置相关的强度与该太赫兹图像的位置相关的相位基本上无关。
实例27。如实例1至25中任一个所述的方法，进一步包括：分离出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组合以同向-传播透过该非线性光学介质；以及利用该太赫兹图像光束和该太赫兹参考光束的对应不同相对相位采集多个经上转换的太赫兹图像，其中每个经上转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对应位置相关的相对相位。
实例28。一种用于采集物体的经上转换的太赫兹图像的装置，该装置包括：(a)连续波太赫兹光源，该太赫兹光源被安排成用太赫兹成像光束照射该物体，该太赫兹成像光束由在约0.05thz与约10thz之间的太赫兹频率、太赫兹频带宽度和太赫兹平均功率表征；(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至少一部分，该太赫兹成像光束通过该物体或围绕该物体透射或从该物体反射或散射，并且引导该部分作为太赫兹图像光束传播透过非线性光学介质，其中该太赫兹图像光束由该非线性光学介质处的太赫兹图像光束尺寸表征；(c)光源，该光源被安排成用于发射连续波上转换光束；(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转换光束传播透过该非线性光学介质，其中该上转换光束与该太赫兹图像光束在该非线性光学介质中至少部分地在空间上重叠并且由上转换波长、上转换频带宽度、上转换平均功率和该非线性光学介质处的上转换光束尺寸表征；(e)该线性光学介质，其中该线性光学介质被安排成用于通过该太赫兹图像光束和该上转换光束在该非线性光学介质中的非线性光学相互作用，上转换该太赫兹图像光束的至少一部分以形成经上转换的图像光束，该经上转换的图像光束由该太赫兹图像光束与该上转换光束之间的和频或差频生成产生的一个或两个波长表征；(f)图像检测器，该图像检测器被安排成用于接收该经上转换的图像光束的至少一部分并通过该经上转换的图像光束检测在该图像检测器处形成的经上转换的图像；以及(g)图像滤波元件，该图像滤波元件被安排成允许小于以106计的约1份该上转换光束到达该图像检测器，(h)其中该上转换波长在约400nm与约3500nm之间，该上转换频带宽度小于约0.1nm，并且该上转换平均功率大于约1w。
实例29。如实例28所述的装置，其中该上转换波长在约1000nm与约1100nm之间，该上转换频带宽度小于约0.01nm，并且该上转换平均功率大于约10w。
实例30。如实例28所述的装置，该上转换波长在约1500nm与约1600nm之间，该上转换频带宽度小于约0.01nm，并且该上转换平均功率大于约5w。
实例31。如实例28至30中任一个所述的装置，其中该上转换光束的光源为固态激光器、光纤激光器或半导体激光器。
实例32。如实例28至31中任一个所述的装置，其中：(i)该太赫兹频率小于约3thz并且该太赫兹平均功率大于约0.3w，或者(ii)该太赫兹频率小于约1.6thz并且该太赫兹平均功率大于约0.5w。
实例33。如实例28至32中任一个所述的装置，其中该太赫兹光束的光源包括返波型振荡器、一个或多个太赫兹放大器或一个或多个谐波发生器。
实例34。如实例28至33中任一个所述的装置，其中该经上转换的图像波长为：(i)在该上转换波长之下小于约1nm或在该上转换波长之上小于约1nm、或这两种情况，(ii)在该上转换波长之下约1nm至2nm或在该上转换波长之上约1nm至2nm、或或这两种情况，(iii)在该上转换波长之下约2nm至3nm或者在该上转换波长之上约2nm至3nm、或这两种情况，(iv)在该上转换波长之下约3nm至4nm或在该上转换波长之上约3nm至4nm、或这两种情况，(v)在该上转换波长之下约4nm至5nm或在该上转换波长之上约4nm至5nm、或这两种情况，(vi)在该上转换波长之下约5nm至6nm或在该上转换波长之上约5nm至6nm、或这两种情况。
实例35。如实例28至34中任一个所述的装置，其中该图像滤波元件被安排成允许：(i)小于以106计的约1份该上转换光束到达该图像检测器；(ii)小于以107计的约1份该上转换光束到达该图像检测器；(iii)小于以108计的约1份该上转换光束到达该图像检测器；(iv)小于以1010计的约1份该上转换光束到达该图像检测器；或(v)小于以1012计的约1份该上转换光束到达该图像检测器。
实例36。如实例28至35中任一个所述的装置，其中该图像滤波元件包括一个或多个波长相关的滤波器。
实例37。如实例36所述的装置，其中该一个或多个波长相关的滤波器中的至少一个包括短通或长通滤波器，该滤波器具有在该上转换波长与经上转换的图像波长中的一个之间的标称截止波长。
实例38。如实例36或37中任一个所述的装置，其中该一个或多个波长相关的滤波器中的至少一个包括标称地以该上转换波长为中心的陷波滤波器。
实例39。如实例28至38中任一个所述的装置，其中该非线性光学介质被安排成使得该经上转换的图像光束的偏振基本上垂直于该上转换光束的偏振。
实例40。如实例28至39中任一个所述的装置，其中该上转换光束和该经上转换的图像光束相对于彼此基本上正交偏振，并且该图像滤波元件包括被安排成基本上阻挡该上转换光束的一个或多个偏振器。
实例41。如实例28至38中任一个所述的装置，其中该非线性光学介质被安排成使得该经上转换的图像光束的偏振基本上平行于该上转换光束的偏振。
实例42。如实例28至41中任一个所述的装置，其中该非线性光学介质被安排成使得该非线性光学相互作用为关键相位匹配过程。
实例43。如实例28至41中任一个所述的装置，其中该非线性光学介质被安排成使得该非线性光学相互作用为非关键相位匹配过程。
实例44。如实例29至41中任一个所述的装置，其中该非线性光学介质被安排成使得该非线性光学相互作用为准相位匹配过程。
实例45。如实例44所述的装置，其中该非线性光学介质包括周期性极化的非线性光学晶体。
实例46。如实例44所述的装置，其中该非线性光学介质包括非线性光学材料的两个或多个光学接触片的堆叠体。
实例47。如实例44所述的装置，其中该非线性光学介质包括约300μm厚的6至12个光学接触gaas片的堆叠体，太赫兹频率为约1.55thz，并且上转换波长为约1064nm。
实例48。根据实例28至43中任一项的装置，其中该非线性光学介质包括最高约8mm至9mm厚的gaas片，太赫兹频率为约0.3thz，并且上转换波长为约1550nm。
实例49。如实例28至48中任一个所述的装置，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一部分并引导该太赫兹图像光束传播透过该非线性光学介质，(ii)该物体和该非线性光学介质被定位在该第一聚焦元件的相应共轭平面上，使得该太赫兹图像光束在该非线性光学介质处形成该物体的太赫兹图像，(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转换的图像光束的一部分并引导该经上转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被定位在该第二聚焦元件的相应共轭平面上，使得该经上转换的图像光束在该图像检测器处形成该经上转换的图像。
实例50。如实例28至48中任一个所述的装置，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一部分并引导该太赫兹图像光束传播透过该非线性光学介质，(ii)该物体和该非线性光学介质各自被定位在距该第一聚焦元件约f1的距离处，使得该太赫兹图像光束在该非线性光学介质处形成该物体的太赫兹图像的空间傅立叶变换，(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转换的图像光束的一部分并引导该经上转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被定位在距该第二聚焦元件约f2的距离处，使得该经上转换的图像光束在该图像检测器上形成该经上转换的图像。
实例51。如实例28至50中任一个所述的装置，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和安排成用于在该成像检测器阵列的多个对应检测器元件上同时接收该经上转换的图像光束的不同空间部分。
实例52。如实例28至50中任一个所述的装置，其中该图像检测器包括单个检测器元件，并且被安排成跨越该经上转换的图像光束被扫描，以便在该单个检测器元件上顺序地接收该经上转换的图像光束的不同空间部分。
实例53。如实例28至52中任一个所述的装置，其中该一个或多个太赫兹光学部件或该一个或多个光学部件中的一者或两者被安排成使得该经上转换的图像的位置相关的强度基本上与该太赫兹图像的位置相关的相位无关。
实例54。如实例28至52中任一个所述的装置，其中该一个或多个太赫兹光学部件被安排成分离出该太赫兹成像光束的一部分以形成太赫兹参考光束，并组合该太赫兹参考光束和该太赫兹图像光束以该太赫兹图像光束和该太赫兹参考光束的不同相对相位同向-传播透过该非线性光学介质，并且每个经上转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对应的相对相位。
在前述具体实施方式中，出于精简本披露的目的，在若干示例性实施例中可能将不同特征分组在一起。本披露内容的这种方法不应当被解释为反映任何所要求保护的实施例需要的特征比在对应权利要求中明确叙述的特征多的意图。而是，如所附权利要求所反映的，本发明的主题仰赖的特征可能少于单个披露的示例性实施例的所有特征。因此，所附权利要求在此合并到具体实施方式中，其中每项权利要求作为单独披露的实施例而独立存在。但是，本披露内容还应被理解为隐含地披露具有任何合适的一个或多个所披露或所要求的特征组(即，既不相容也不相互排斥的一组特征)的任何实施例，这些特征出现在本披露内容或所附权利要求中，包括可能没有在本文中明确披露的那些特征组。此外，出于本披露内容的目的，所附相关权利要求中的每一项应理解为如以多个相关形式书面呈现的一样，并且取决于与其不一致的所有前述权利要求。应当指出的是，所附权利要求的范围不一定涵盖本文所披露的主题的全部。
出于本披露内容和所附权利要求的目的，连词“或”将被解释为包含在内(例如，“狗或猫”将被视为“狗、猫、或两者”；例如，“狗、猫、或老鼠”将被解释为“狗、猫、或老鼠、或任意两者、或所有三者”)，除非：(i)另外明确说明，例如，通过使用“或者…或者”、“仅其中一个”或相似措辞来说明；或者(ii)在特定上下文中列出的替代方案中的两个或更多个互相排斥，在这种情况下“或”将仅涵盖涉及非相互排斥替代方案的那些组合。出于本披露内容和所附权利要求的目的，字词“包含”、“包括”、“具有”和其变型，一旦出现，将被视为开放式的术语，与词语“至少”附加在其每种情况后面时的含义相同，除非另外明确说明。出于本披露内容和所附权利要求的目的，当采用了诸如“约等于”、“基本上等于”、“大于约”、“小于约”等涉及数量的术语时，关于测量精度和有效位的标准惯例将适用，除非明确提出了不同的解释。对于通过以下词语描述的完整数量：“基本上阻止”、“基本上没有”、“基本上消除”、“约等于零”、“可以忽略”等，每个此类短语将表示相关数量已经出于所披露或所要求保护的装置或方法的预期操作或用途的上下文中的实用目的而被减少或削减到这种程度，使得装置或方法的整体行为或性能和完全去除、确切等于零或以其他方式确切为空的空数量情况没有区别。
在所附的权利要求中，权利要求的元素、步骤、限制或其他部分(例如第一、第二等，(a)、(b)、(c)等，或(i)、(ii)、(iii)等)的标记将仅是为了清晰，不应当视为暗示如此标记的权利要求部分的任何类型的排序或优先级。如果旨在进行排序或划分优先级，将会在权利要求中明确表述，或者在一些情况下，根据权利要求的具体内容，其为隐含的或固有的。在所附的权利要求中，如果在装置权利要求中需要援用35usc§112(f)的规定，则在该装置权利要求中将出现字词“方法”。如果在方法权利要求中需要援用这些规定，在该方法权利要求中将出现字词“步骤”。相反地，如果在权利要求中没有出现字词“方法”或“步骤”，则并非旨在为该权利要求援用35usc§112(f)的规定。
如果任何一个或多个披露内容通过引用援引并入本文并且此类结合的披露内容部分或整体与本披露内容冲突，或者在范围上不同，则在冲突、更宽的披露内容、更宽的术语定义程度上，以本披露内容为准。如果此类结合的披露内容部分或整体彼此冲突，则在冲突的程度，以日期更靠后的披露内容为准。
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