太赫茲頻率上轉換成像系統
電磁波譜中的太赫茲波段（1-10THz）是一個(gè)相對未被大家深入研究的波段。太赫茲波段的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是太赫茲波對衣物，陶瓷，塑料以及包裝盒材料等非極性材料具有高的穿透性，這使得太赫茲可以在國防，安檢，生產(chǎn)過(guò)程等領(lǐng)域實(shí)現極具吸引力的無(wú)損探測功能。太赫茲波同時(shí)對生物組織也是無(wú)損傷的，因此它也可以對生物組織以及藥品進(jìn)行無(wú)損成像。但是太赫茲源和探測器的稀缺讓太赫茲波的實(shí)際應用受到阻礙。
對于一個(gè)實(shí)用的太赫茲成像系統，高功率源和高效率檢測相結合是可行且必需的。檢測太赫茲有兩種方法:1）直接探測，即使用能夠感應太赫茲波的檢測器；2)主動(dòng)探測，其中太赫茲光束與光頻率場(chǎng)混頻，探測其混頻場(chǎng)。直接探測器往往速度慢且缺乏靈敏度，這使得它們在實(shí)際應用中很麻煩。主動(dòng)檢測依賴(lài)于一個(gè)非線(xiàn)性過(guò)程，其中太赫茲光束被轉換到一個(gè)光信號。太赫茲輻射可以與可見(jiàn)光或近紅外光非線(xiàn)性混合，產(chǎn)生“上-”轉換后的信號可以被高度靈敏、快速和相對便宜的CCD或CMOS檢測到相機。太赫茲到光學(xué)的轉換效率取決于所使用的峰值功率，因此是短脈沖是可取的。因為使用的近紅外光通常比上轉換光波強很多個(gè)數量級，提高圖像質(zhì)量需要最大限度的增加混頻光，并且盡可能多的移除背景噪聲。
TPO太赫茲參數振蕩器是太赫茲上轉換成像的理想光源
? THz和IR輻射的同步脈沖。
? 高重頻在上轉換信號中提供高平均功率，易于檢測CCD或CMOS相機的探測。
? 窄帶脈沖產(chǎn)生的頻譜分離上轉換信號可以利用彩色濾光片從強泵浦光束中分離出來(lái)。
? 短脈沖有效地驅動(dòng)非線(xiàn)性上轉換過(guò)程
圖1所示。實(shí)驗圖顯示了THz非線(xiàn)性成像裝置。THz輻射入射到一個(gè)物體上(“物體”) 然后聚焦到一個(gè)位于傅里葉變換平面上的非線(xiàn)性晶體中。在1064nm處的紅外光譜結束與晶體中的太赫茲光重疊，將太赫茲圖像的空間頻率向上轉換到中紅外。使用鏡頭在CCD或CMOS相機上對上轉換光進(jìn)行反變換，形成圖像。一個(gè)是偏光鏡和長(cháng)通濾波器用于去除殘留的1064 nm光，只留下1070 nm的上轉換光。
圖2所示：上轉換光的光譜。少量殘余泵光@1063.8 nm時(shí)，而在1069.5nm處出現了一個(gè)強峰值，對應于這個(gè)差值正是泵浦紅光和THz（1.5太赫茲)之間的頻率差。
與任何非線(xiàn)性交互作用一樣，上轉換過(guò)程的效率隨著(zhù)峰值功率的增加而增加。為因此，較短的脈沖提供了較高的信號功率的優(yōu)勢。通過(guò)保持較窄的帶寬，上轉換信號的頻譜可以很好地與強紅外光分離(圖2)，起到了濾波作用。
圖3，以每秒8幀的速度拍攝的視頻。中間一列是未處理圖像，右邊一列是圖像顯示歸一化的結果。
泵浦光束與上轉換光束光譜分離的能力是該方法的關(guān)鍵因為它能在很少或沒(méi)有圖像處理的情況下實(shí)現快速成像。實(shí)時(shí)圖像可以采取簡(jiǎn)單將一個(gè)物體置于THz光束中。如果光束的參考圖像是在物體插入之前拍攝的，則對圖像進(jìn)行歸一化處理，實(shí)現了對整個(gè)視場(chǎng)的相對傳輸量的真實(shí)測量時(shí)間。圖3突出顯示了系統的實(shí)時(shí)成像功能。左邊的一列是對象和中心列顯示沒(méi)有圖像處理的以8幀/秒拍攝的視頻的一幀。在右邊的柱，圖像已經(jīng)被光束的參考圖像分割，該參考圖像是在光束之前拍攝的視頻。最上面一排顯示了隱藏在電子膠帶中的剃須刀片，這清楚地顯示了它的穿透能力帶子露出了金屬刀片。第二行是葉子的傳輸圖像，顯示了其靜脈結構。
輸出頻率為1.5 THz是通過(guò)大氣透射窗傳播的理想頻率。另外波長(cháng)200um足以使得其分辨率分辨出大部分小物體。成像系統的調制傳遞函數(MTF)的測量使用傾斜邊緣方法，成像如圖4a所示。圖4b中的MTF計算結果顯示在0.5行對/處的值為0.4毫米，為毫米級的成像提供足夠的對比度。
圖4，利用刀口圖像(a)獲得調制傳遞函數(b)。
新鮮樹(shù)葉的成像演示視頻：
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