激光测试原理

摘要

太赫兹成像技术的研究是目前太赫兹研究领域的热门课题，本论文主要针对太赫兹成像技术进行了系统的介绍与分析。与光学相干层析成像技术相结合，我们提出了一种太赫兹相干层析技术。该技术的纵向分辨率可达100μm以下，这一实验结果高于太赫兹飞行时间成像技术和合成孔径成像技术。此外，该技术具有系统结构简单、紧凑等特点，在高精度的材料无损探伤领域具有及其巨大的应用前景。

关键词：太赫兹成像技术相干层析成像材料无损探伤分辨率

引言

由于太赫兹对大部分非金属材料和非极性物质具有极强的穿透能力，并且对单光子能量低，不会对生物组织产生有害的电离作用，因此太赫兹技术被广泛的应用于材料无损探测、安检机生物组织病变检测等成像领域。

1995年，Hu等人首次在太赫兹时域光谱系统中加入一二维扫描的载物台，待测样品被放置在太赫兹聚焦点上，并在与太赫兹垂直方向进行二维扫描，通过记录下每个扫描点透过的太赫兹时域波形，形成样品的太赫兹图像。他们使用这种方法完成了对微电子芯片内部结构的成像。此后，太赫兹成像引起了研究人员的极大关注，并逐渐发展起来了一些新的太赫兹成像技术，主要包括以下几种：

(1) 连续太赫兹波二维成像技术

(2) 合成孔径成像技术

(3) 太赫兹近场成像技术

(4) 脉冲太赫兹波飞行时间成像技术

(5) 太赫兹波计算机辅助层析成像技术

研究一种系统结构及扫描方式简单、成像精度高的太赫兹三维层析成像技术在材料高精度无损探测领域具有及其重要的意义。学相干层析成像技术是基于宽带光源的弱相干特性对待测物体内部结构进行高分辨率层析成像的技术，它依靠光源的时间相干性，对物体进行三维结构重构。太赫兹对非金属材料很强的穿透能力，其穿透深度很高，将太赫兹技术与光学相干层析技术结合起来，我们提出了太赫兹相干层析技术。

一太赫兹相干层析技术

相对红外和微波，由于太赫兹波较低的单光子能量和对大部分非金属材料具有较高的穿透性能等特点，近几十年来逐渐引起了人们的研究热潮。自1995年Hu 等人[10]首次利用太赫兹辐射进行二维成像实验以来，太赫兹成像技术受到世界许多研究人员的关注。2002年，B. Ferguson等人将X射线波段的层析成像技术移植到太赫兹波段，提出太赫兹三维层析成像的概念[47]。该技术原理是一束太赫兹波穿透被成像物体后，然后通过平移和转动，使太赫兹以不同位置和不同角度穿透被

成像物体，通过Radon变换计算物体吸收率的空间分布，实现对物体三维重构。但是，在某些场合，待成像物体无法绕轴旋转，应用受到极大的限制。2009年，德国Synview公司报道了一种基于连续太赫兹波的三维成像技术。该技术使用一个中心频率为300GHz的返波管作为太赫兹源，利用电学调制的方法测量不同反射波到达探测器所需的时间，计算待测物体离探测器的相对距离，实现对待测物体的三维重构。由于所使用的是单频长波长的太赫兹源，考虑到衍射极限的限制，该技术的最佳纵向分辨率为0.5mm，对于某些需要高精度测量的应用领域是不够的。

光学相干层析成像技术（Optical Coherent Tomography, OCT）是一种高分辨率光学无损成像技术，可以无损伤地探测样品结构及成分，可以实现二维或三维成像，在基础与临床医学研究和应用领域有着巨大的应用潜力。从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考虑，光学相干层析术被认为是很有发展前途的一种新型光学成像技术。D. Huang等人在1991年首次提出OCT的概念，并成功对人类视网膜和冠状动脉壁进行了活体成像。这一研究使用波长为830nm的SLD光源的光纤迈克尔逊干涉仪，达到精度为10微米的纵向分辨率。此后，OCT技术得到了快速发展，其分辨率和性能有了很大的提高，并同时开发出多种成像模式，如多普勒OCT、光谱OCT、差分吸收型OCT和偏振敏感OCT等。由于具有极高的纵向分辨率，OCT技术逐渐引起人们极大的研究兴趣。但光学相干层析技术一般采用工作在近红外区波段的发光二极管(SLD)或超快激光作为光源，该波段穿透能力不强，探测深度只有2~3毫米，很大程度上限制了光学相干层析技术的应用。

本章基于OCT技术，利用太赫兹辐射具有良好穿透能力的特点，提出一种全新的太赫兹相干层析技术(Terahertz Coherent Tomography, TCT)方案。该方案使用中压汞灯作为辐射源，成像系统的纵向分辨率由辐射源的相干长度决定，最小可以达到100μm以下。该技术具有纵向分辨率高、探测深度深等特点，在高精度的材料三维无损探测和生物组织层析成像等领域具有非常广阔的应用前景。

二相干层析原理

相干层析系统由低相干宽频辐射源，迈克尔逊干涉仪以及数据采集处理系统构成。宽频光源辐射出的低相干光经过光分束器（50:50）被分为强度相同的两束，称为参考光和样品光。参考光束经过参考臂，被参考臂上的反射镜反射回分束镜，参考臂是一个精密电控平移台以及固定在上面的反射镜组成的，平移台可以沿光束传播方向一维移动来改变参考臂的长度。样品光经过透镜聚集后入射到待测样品上，散射回来的光再经过透镜收集后入射到分束镜。参考臂反射回来的光从分束镜透射，样品光经过分束镜被反射，这两束光就耦合在一条直线上传播，然后经过抛物面镜聚焦，最后被探测器接收。

当参考臂长度与样品臂长度相当时，反射回来的参考光和样品光的光程差相匹配（在干涉系统的相干长度之内）时就会产生干涉。样品光经过样品反射其信号相位与强度被样品调制，包含了样品内部的结构信息，反射信号的强度直接反应了样品的内部不同层的反射率的大小。改变参考臂的长度即调节参考臂反射镜的位置，就可以获得样品不同深度的信息；控制载物台使样品移动，这样光就可以对样品进行横向扫描，获得的一系列干涉信号被探测器接收，经过光电转换，被数据采集系统采集。采集的数据经过计算机进行相关处理并分析，形成不同深度的二维横截面图像，根据信号的强弱可以获得样品的三维灰度图。由于辐射光源是宽频光，其相干长度很短，根据干涉理论只有当样品光与参考光的光程差小于相干长度时，两束光才能发生干涉，因此只有垂直反射的散射光能参与干涉，而其他方向的杂散光以及经过待测样品多次散射回来的光程较长的光被极大的抑制。