鬼影像，基于單個像素的探測和多模式照明，是一個針對難以到達(dá)的波長范圍的比較關(guān)鍵的研究手段。在太赫茲所占據(jù)的區(qū)域，此時高分辨率的圖像在大多數(shù)情況下是不易獲得的，鬼圖像是一個優(yōu)化的選擇，可以植入到時間維度，創(chuàng)造出一個高光譜的圖像。在這一框架中，高分辨率比較容易實現(xiàn)。因此，這在發(fā)展實際的影像觀察的時候就非常重要。在這里，來自瑟賽克斯大學(xué)的研究人員為大家展示了時間分辨率的非線性鬼圖像，這是一種基于近場，光——太赫茲的非線性轉(zhuǎn)換技術(shù)和探測照明模式。研究人員展示了空間——時間耦合效應(yīng)時如何影響近場時間占據(jù)主導(dǎo)的圖像，并且研究人員發(fā)展了一個完整的辦法來克服基礎(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建的問題。研究人員的理論——實驗平臺使得高可靠性的亞波長影像和攜帶相關(guān)的限制在非線性生成晶體厚度方面得到了解決。這一工作使得構(gòu)建復(fù)雜樣品在使用常規(guī)固定時間的手段難以獲得高光譜影像建立了嚴(yán)格的框架。

太赫茲場傳輸后窺見不可見物體的藝術(shù)構(gòu)圖

This is an artistic rendering of the terahertz field transmitted by an abstract object. Credit: University of Sussex

Terahertz camera uses laser light patterns to ‘see inside’ objects — Terahertz imaging can reveal tiny hidden features of living things.太赫茲相機使用激光來看見物體的內(nèi)部細(xì)節(jié)——太赫茲影像可以揭示活體內(nèi)部的隱藏的微小的細(xì)節(jié)問題。

來自瑟賽克斯大學(xué)（University of Sussex ）的物理學(xué)家團(tuán)隊成功的發(fā)展了第一個非線性相機，該相機可以利用太赫茲輻射捕獲固態(tài)物體內(nèi)部的高分辨特征。

時間分辨率的非線性鬼照相技術(shù)的原理圖

在新興光子學(xué)實驗室的教授 Marco Peccianti的領(lǐng)導(dǎo)下， Luana Olivieri, Dr. Juan S. Totero Gongora和一個研究生團(tuán)隊構(gòu)建了一個新型的太赫茲相機，該相機可以捕獲探測THz電磁波，且探測的精度達(dá)到前所未有的精度。

TNGI 測量的概念性描述圖

采用THz發(fā)射所獲得圖像稱之為超光譜，這是因為這些圖像是由像素(組成屏幕圖像的最小獨立元素)所組成的，每一個像素包含目標(biāo)物體相應(yīng)點的電磁信號。

THz 波位于微波和紅外波之間的電磁波，THz的發(fā)射比較容易的就可以穿透諸如紙張，衣服，塑料等，其穿透形式同X射線一樣，在穿透的時候不會對物體產(chǎn)生破壞。該THz在使用的時候是比較安全的，即使是對比較敏感的生物學(xué)樣品也是安全無害的。THz圖像使得我們可以非常容易的觀察目標(biāo)物體的分子成分和區(qū)分出不同的材料——諸如區(qū)分糖和可卡因。

時間分辨率非線性鬼照相相機使用非線性的晶體來將標(biāo)準(zhǔn)的激光轉(zhuǎn)換成THz的模式，使得采用單個的THz像素構(gòu)建成復(fù)雜的物體

在解釋這一最新研究成果的重要性的時候， Peccianti教授認(rèn)為：THz相機所面臨的最大挑戰(zhàn)在于并不是收集圖像，而在于保留目標(biāo)物體的指紋，而指紋的保留在使用其他技術(shù)的時候非常容易受到損壞。這就是我們的技術(shù)所取得的成就的關(guān)鍵所在。影像的所有細(xì)節(jié)的指紋信息會被這一方式所保留，由此我們可以對物體進(jìn)行更加完全詳細(xì)的調(diào)查研究。

直到今天，可以捕獲高光譜影像能力的相機可以保留THz發(fā)射所揭示的精細(xì)的襲擊，這在以前是不可能的。

新型光子學(xué)實驗室的團(tuán)隊使用一個單像素的相機，利用THz光的模式來對物體進(jìn)行影像。他們構(gòu)建的原型可以探測出目標(biāo)物體在THz光的不同模式下是如何變化的。通過綜合每一原始模式形狀的這一信息，相機可以揭示出目標(biāo)物體的圖像以及其化學(xué)成分。

THz發(fā)射源一般來說比較脆弱，而且高光譜圖像，直到今天，屬于有限保真度。為了克服這一弊端，薩塞克斯大學(xué)的研究團(tuán)隊將一束標(biāo)準(zhǔn)的激光照射到一個獨特的非線性材料中，該材料可以將可見光轉(zhuǎn)換成THz。這一原型相機制造出的THz電磁波非常接近樣品，有點同顯微鏡工作的時候相類似。當(dāng)THz波可以穿透物體且不會對物體產(chǎn)生影響，獲得的圖像就可以揭示目標(biāo)物體的3D形狀和三維的成分分布。

Totero Gongora博士認(rèn)為：目前的這一研究成果是一大進(jìn)展，這是因為我們所研究的成果展示了我們早先的理論研究所探索的可能性，不僅是可行的，而且我們的工作甚至比以前所預(yù)期的還要好。在構(gòu)建我們的裝置的時候，我們發(fā)現(xiàn)了幾個不同的途徑來優(yōu)化圖像的過程，現(xiàn)在這一技術(shù)比較穩(wěn)定和工作可靠。下一步我們的研究將聚焦在加速圖像的構(gòu)建過程和進(jìn)一步的使用THz相機來在真實世界中盡快得到應(yīng)用，諸如機場的安檢，智能汽車所用的傳感，制造工藝過程中的質(zhì)量監(jiān)控，以及健康問題，諸如皮膚癌的掃描探測。

這一研究成果發(fā)表在期刊《Optica》上。

文章來源： “Hyperspectral terahertz microscopy via nonlinear ghost-imaging” by Luana Olivieri, Juan S. Totero Gongora, Luke Peters, Vittorio Cecconi, Antonio Cutrona, Jacob Tunesi, Robyn Tucker, Alessia Pasquazi and Marco Peccianti, 19 February 2020, Optica.

DOI: 10.1364/OPTICA.381035以及University of Sussex

Ref：Cite this: ACS Photonics 2018, 5, 8, 3379–3388，Publication Date:July 3, 2018，Time-Resolved Nonlinear Ghost Imaging，