摘要：太赫茲（THz））實(shí)時(shí)成像是THz技術(shù)中頗具潛力的一個(gè)領(lǐng)域，具有成像速度快、成像分辨率高等特點(diǎn)，基于THz量子 級(jí)聯(lián)激光器（QCL）的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)是其中最重要的一種，系統(tǒng)體積小、重量輕、成像信噪比高等特點(diǎn)使其在實(shí)際應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文主要介紹了THzQCL器件及其實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展，采用超半球高阻硅透鏡改善了THzQCL的輸出激光，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)高斯光束輸出，搭建了基于二維擺鏡消干涉技術(shù)的THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，單幀成像光斑面積45mmx30mm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀片、藥片的實(shí)時(shí)成像演示，成像分辨率優(yōu)于0.5mm；最后對(duì)成像系統(tǒng)激光源、成像光路和探測(cè)端的改進(jìn)以及成像效果的改善方面進(jìn)行了綜述，并探討了THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及其在材料分析和生物醫(yī)學(xué) 成像方面的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：太赫茲；實(shí)時(shí)成像；量子級(jí)聯(lián)激光器；焦平面陣列

1. 引言

太赫茲（THz）輻射通常指頻率介于1.0~10THz（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)30μｍ~3ｍｍ）的電磁波，其研究范疇屬于紅外光子學(xué)與微波電子學(xué)交叉領(lǐng)域，也稱為宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過(guò)渡的區(qū)域。THz成像技術(shù)是THz技術(shù)中頗具潛力的一個(gè)方向，基于THz輻射的特點(diǎn)，如輻射能量低、對(duì)非極性和非金屬材料透過(guò)率高、能量尺度對(duì)應(yīng)于有機(jī)和無(wú)機(jī)材料中振動(dòng)能級(jí)以及大分子結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)振能級(jí)等，THz成像應(yīng)用于上述物質(zhì)時(shí)，具有比紅外和可見(jiàn)光更好的穿透特性以及比微波毫米波更好的分辨率，這一特點(diǎn)使其在生物醫(yī)學(xué)、安全控制、工業(yè)監(jiān)測(cè)、無(wú)損檢測(cè)分析等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，隨著THz輻射源和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，THz成像技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段并獲得不斷改進(jìn)，從基于THz時(shí)域光譜（TDS）系統(tǒng)的成像到基于各種輻射源的快速掃描成像，再到基于焦平面陣列探測(cè)的實(shí)時(shí)成像，成像系統(tǒng)的性能得到很大提升，系統(tǒng)的應(yīng)用水平也不斷提高，尤其是THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的出現(xiàn)和完善，將THz成像的速度和精度提高到可實(shí)際應(yīng)用的水平，有望在材料分析、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

本文主要講述了THz量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascadelaser,QCL）及其實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展，著重對(duì)成像系統(tǒng)激光源、成像光路和探測(cè)端的改進(jìn)以及成像效果的改善方面進(jìn)行了綜述，并進(jìn)一步展望了THz實(shí)時(shí)成像未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及其在材料分析和生物醫(yī)學(xué)成像方面的應(yīng)用前景。

2. THz量子級(jí)聯(lián)激光器

THzQCL是1~5THz頻段輻射源中非常重要的一種緊湊型激光源，具有體積小、易集成、壽命長(zhǎng)、功率高、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。2002年，THzQCL首次由意大利和英國(guó)的科學(xué)家合作研制成功，當(dāng)時(shí)器件采用啁啾超晶格結(jié)構(gòu)，只能脈沖激射，最大輸出功率約23mW，隨后人們通過(guò)對(duì)激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了器件的連續(xù)激射，最大輸出功率0.41mW。QCL的工作原理如圖1所示，器件中的增益介質(zhì)是由幾百層交替生長(zhǎng)的半導(dǎo)體薄層材料（通常是GaAs和AI-GaAs，采用分子束外延方法生長(zhǎng)）組成，在這種增益介質(zhì)中電子被限制在分立的子能級(jí)中。這些薄層形成周期性的模塊，當(dāng)施加外部電場(chǎng)時(shí)，電子通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式從一個(gè)周期到達(dá)另一個(gè)周期，每一步躍遷輻射出一個(gè)低能量的光子（見(jiàn)圖1），多個(gè)周期輻射出的光子通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式匯集到一起，在器件脊條形成的腔體中增益后輸出。同樣的光子能量也不是取決于材料的帶隙，而是通過(guò)控制半導(dǎo)體薄層的厚度在很寬范圍的值里選擇。

圖1. THz量子級(jí)聯(lián)激光器工作原理示意圖

THzQCL的成功研制開(kāi)啟了人們對(duì)半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)THz器件的研究熱潮。通過(guò)各國(guó)研究人員的努力，THzQCL在輸出功率、工作溫度、工作頻率范圍等方面均得到了很大的提高。截至目前，器件激射頻率可覆蓋1.2~5.2THz范圍，在連續(xù)波工作模式下，最高激射溫度為129K，最大輸出功率為230mW；脈沖工作模式下，最高激射溫度近200K（見(jiàn)圖2），最大峰值輸出功率達(dá)156W。這一點(diǎn)使其成為THZ實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的首選。器件最近被證明存在亞KHz的量子噪聲限線寬，并且也出現(xiàn)了潛在的可調(diào)諧性，有望在多頻點(diǎn)THz實(shí)時(shí)成像方面獲得應(yīng)用。就器件而言，THz QCLs在成像能力方面，其輻射功率可超過(guò)光學(xué)泵浦源和熱輻射源好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；并且其在緊湊型成像系統(tǒng)的潛在發(fā)展能力也使我們不再依賴龐大而昂貴的超快激光源或氣體激光器。上述吸引人的特性不僅僅促使人們對(duì)基于THzQCL的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)產(chǎn)生極大的研究興趣，還為進(jìn)一步改進(jìn)THz成像技術(shù)提供了巨大潛力。

圖2. 不同時(shí)期THzQCL的最高工作溫度

3. 基于THzQCL的實(shí)時(shí)成像研究進(jìn)展

THz實(shí)時(shí)成像以陣列探測(cè)器為基礎(chǔ)，配以合適的激光光源，當(dāng)陣列探測(cè)器工作在一定幀率的情況下，相鄰兩幀圖像在眼睛看來(lái)是連續(xù)出現(xiàn)時(shí)，我們稱之為實(shí)時(shí)成像（Real-time imaging），當(dāng)成像幀率達(dá)到25Hz甚至更高時(shí)，我們稱之為視頻成像（Video rate imaging）。THz實(shí)時(shí)成像具有成像速度快和分辨率高等特點(diǎn)，是THz成像應(yīng)用中頗具潛力的一種成像手段，未來(lái)在材料分析、物質(zhì)反應(yīng)分析和生物醫(yī)學(xué)成像分析等方面具有重要應(yīng)用前景。

3.1 紅外焦平面陣列探測(cè)

早期THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)采用二氧化碳?xì)怏w激光器為激光源，由于氣體激光器輸出光束質(zhì)量好，在成像效果上主要受限于陣列探測(cè)器的水平。不過(guò)氣體激光器體積龐大，設(shè)備昂貴，使得成像系統(tǒng)一直停留在實(shí)驗(yàn)室演示的層面，難以獲得實(shí)際應(yīng)用。

圖3. 紙質(zhì)信封中鉛筆字可見(jiàn)光照片（a）及其在封閉信封內(nèi)THz透射（b）和反射（c）成像效果對(duì)比和大拇指指紋的可見(jiàn)光照片（d）和THz反射成像（e）效果對(duì)比

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5. 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)基于THzQCL的實(shí)時(shí)成像技術(shù)，綜述了THzQCL及其成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展，采用二維擺鏡消干涉光學(xué)部件搭建了單幀成像范圍45mmx30mm的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀片、藥片等樣品的實(shí)時(shí)成像演示，分辨率優(yōu)于0.5mm。重點(diǎn)分析了成像光源需要改善的幾個(gè)方面，并對(duì)成像系統(tǒng)光路的改進(jìn)和探測(cè)端性能的提高進(jìn)行了討論。從系統(tǒng)的角度來(lái)看，基于 THzQCL的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)已具備可應(yīng)用的潛力，但還需要進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積，優(yōu)化成像光路和成像光束質(zhì)量?？紤]到THzQCL輸出的激光頻率范圍主要覆蓋1.5~5THz，該頻段成像分辨率相對(duì)較高，且成像光源輸出功率大，發(fā)展基于THzQCL的顯微實(shí)時(shí)成像技術(shù)是未來(lái)的重要發(fā)展方向。通過(guò)探索其在材料分析、生物醫(yī)學(xué)成像等方面的應(yīng)用，以期在例如癌細(xì)胞切除手術(shù)、相變材料分析、半導(dǎo)體材料載流子分析中獲得應(yīng)用。