摘要：太赫茲（THz））實時成像是THz技術中頗具潛力的一個領域，具有成像速度快、成像分辨率高等特點，基于THz量子 級聯激光器（QCL）的實時成像系統是其中最重要的一種，系統體積小、重量輕、成像信噪比高等特點使其在實際應用中具有獨特的優勢。本文主要介紹了THzQCL器件及其實時成像系統的研究進展，采用超半球高阻硅透鏡改善了THzQCL的輸出激光，實現了準高斯光束輸出，搭建了基于二維擺鏡消干涉技術的THz實時成像系統，單幀成像光斑面積45mmx30mm，實現了對刀片、藥片的實時成像演示，成像分辨率優于0.5mm；最后對成像系統激光源、成像光路和探測端的改進以及成像效果的改善方面進行了綜述，并探討了THz實時成像系統未來的發展趨勢及其在材料分析和生物醫學 成像方面的應用前景。
關鍵詞：太赫茲；實時成像；量子級聯激光器；焦平面陣列
1. 引言
太赫茲（THz）輻射通常指頻率介于1.0~10THz（對應波長30μｍ~3ｍｍ）的電磁波，其研究范疇屬于紅外光子學與微波電子學交叉領域，也稱為宏觀電子學向微觀光子學過渡的區域。THz成像技術是THz技術中頗具潛力的一個方向，基于THz輻射的特點，如輻射能量低、對非極性和非金屬材料透過率高、能量尺度對應于有機和無機材料中振動能級以及大分子結構中的轉振能級等，THz成像應用于上述物質時，具有比紅外和可見光更好的穿透特性以及比微波毫米波更好的分辨率，這一特點使其在生物醫學、安全控制、工業監測、無損檢測分析等領域具有廣闊的應用前景。
近年來，隨著THz輻射源和探測技術的發展，THz成像技術的發展經歷了多個階段并獲得不斷改進，從基于THz時域光譜（TDS）系統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的實時成像，成像系統的性能得到很大提升，系統的應用水平也不斷提高，尤其是THz實時成像系統的出現和完善，將THz成像的速度和精度提高到可實際應用的水平，有望在材料分析、生物醫學成像等領域獲得重要應用。
本文主要講述了THz量子級聯激光器（quantum cascadelaser,QCL）及其實時成像系統的研究進展，著重對成像系統激光源、成像光路和探測端的改進以及成像效果的改善方面進行了綜述，并進一步展望了THz實時成像未來的發展趨勢及其在材料分析和生物醫學成像方面的應用前景。
2. THz量子級聯激光器
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、功率高、能量轉換效率高等特點。2002年，THzQCL首次由意大利和英國的科學家合作研制成功，當時器件采用啁啾超晶格結構，只能脈沖激射，最大輸出功率約23mW，隨后人們通過對激光器有源區結構的改進，實現了器件的連續激射，最大輸出功率0.41mW。QCL的工作原理如圖1所示，器件中的增益介質是由幾百層交替生長的半導體薄層材料（通常是GaAs和AI-GaAs，采用分子束外延方法生長）組成，在這種增益介質中電子被限制在分立的子能級中。這些薄層形成周期性的模塊，當施加外部電場時，電子通過級聯的方式從一個周期到達另一個周期，每一步躍遷輻射出一個低能量的光子（見圖1），多個周期輻射出的光子通過級聯的方式匯集到一起，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，而是通過控制半導體薄層的厚度在很寬范圍的值里選擇。
圖1. THz量子級聯激光器工作原理示意圖
THzQCL的成功研制開啟了人們對半導體量子級聯THz器件的研究熱潮。通過各國研究人員的努力，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（見圖2），最大峰值輸出功率達156W。這一點使其成為THZ實時成像系統的首選。器件最近被證明存在亞KHz的量子噪聲限線寬，并且也出現了潛在的可調諧性，有望在多頻點THz實時成像方面獲得應用。就器件而言，THz QCLs在成像能力方面，其輻射功率可超過光學泵浦源和熱輻射源好幾個數量級；并且其在緊湊型成像系統的潛在發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基于THzQCL的實時成像系統產生極大的研究興趣，還為進一步改進THz成像技術提供了巨大潛力。
圖2. 不同時期THzQCL的最高工作溫度
3. 基于THzQCL的實時成像研究進展
THz實時成像以陣列探測器為基礎，配以合適的激光光源，當陣列探測器工作在一定幀率的情況下，相鄰兩幀圖像在眼睛看來是連續出現時，我們稱之為實時成像（Real-time imaging），當成像幀率達到25Hz甚至更高時，我們稱之為視頻成像（Video rate imaging）。THz實時成像具有成像速度快和分辨率高等特點，是THz成像應用中頗具潛力的一種成像手段，未來在材料分析、物質反應分析和生物醫學成像分析等方面具有重要應用前景。
3.1 紅外焦平面陣列探測
早期THz實時成像系統采用二氧化碳氣體激光器為激光源，由于氣體激光器輸出光束質量好，在成像效果上主要受限于陣列探測器的水平。不過氣體激光器體積龐大，設備昂貴，使得成像系統一直停留在實驗室演示的層面，難以獲得實際應用。
圖3. 紙質信封中鉛筆字可見光照片（a）及其在封閉信封內THz透射（b）和反射（c）成像效果對比和大拇指指紋的可見光照片（d）和THz反射成像（e）效果對比
......
5. 結束語
本文主要針對基于THzQCL的實時成像技術，綜述了THzQCL及其成像系統的研究進展，采用二維擺鏡消干涉光學部件搭建了單幀成像范圍45mmx30mm的實時成像系統，實現了對刀片、藥片等樣品的實時成像演示，分辨率優于0.5mm。重點分析了成像光源需要改善的幾個方面，并對成像系統光路的改進和探測端性能的提高進行了討論。從系統的角度來看，基于 THzQCL的實時成像系統已具備可應用的潛力，但還需要進一步縮小系統體積，優化成像光路和成像光束質量。考慮到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較高，且成像光源輸出功率大，發展基于THzQCL的顯微實時成像技術是未來的重要發展方向。通過探索其在材料分析、生物醫學成像等方面的應用，以期在例如癌細胞切除手術、相變材料分析、半導體材料載流子分析中獲得應用。
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