【摘要】：太赫茲(Terahertz,THz)成像技術(shù)作為太赫茲波段的關(guān)鍵技術(shù)之一,已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、安全檢查、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢及潛在的應(yīng)用價值。然而,根據(jù)瑞利判據(jù),常規(guī)遠(yuǎn)場太赫茲成像技術(shù)的分辨率受衍射極限(0.61λ/NA)的限制,一般為毫米量級,難以滿足實際應(yīng)用的需求。而現(xiàn)有的太赫茲近場成像技術(shù)往往無法克服分辨率的提高與信號通量和光譜信息損失的矛盾。針對這一現(xiàn)象,本論文提出了一種介質(zhì)半球耦合太赫茲高分辨率成像的方法,利用介質(zhì)半球耦合太赫茲波產(chǎn)生的太赫茲噴射效應(yīng)來產(chǎn)生和調(diào)控具有亞波長尺寸的太赫茲光場,有望突破衍射極限對顯微系統(tǒng)的空間分辨率的限制,獲取樣品的多維度時域和頻域信息。本論文主要包括以下幾個部分:首先,基于有限元的數(shù)值模擬方法研究了介質(zhì)半球產(chǎn)生太赫茲噴射波束的傳輸特性,利用CST軟件在不同頻率下對不同直徑、不同折射率以及復(fù)合結(jié)構(gòu)的介質(zhì)半球進(jìn)行了仿真,探索了介質(zhì)半球與太赫茲成像分辨率的關(guān)系。仿真結(jié)果表明,采用介質(zhì)半球的結(jié)構(gòu)不僅可以進(jìn)行高分辨率成像,而且所產(chǎn)生的噴射焦距也比較大(距離球體1.4 mm左右),有利于拓展實驗操作空間;采用雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)將聚焦光束直徑提高到λ/2左右,但其噴射距離與介質(zhì)半球相比較短,在0.8 mm左右。為了驗證以上模擬結(jié)果,實驗測量了介質(zhì)半球耦合太赫茲成像系統(tǒng)的性能,發(fā)現(xiàn)經(jīng)介質(zhì)半球耦合后,系統(tǒng)的信號通量有明顯增強(qiáng)而光譜帶寬幾乎沒有損耗,證明該方法是一種高通量、寬光譜的遠(yuǎn)場太赫茲高分辨率成像方法。然后我們利用刀口法測量了有無介質(zhì)半球時的光束直徑,發(fā)現(xiàn)介質(zhì)半球?qū)⑾到y(tǒng)的光斑直徑縮小了55.1%,系統(tǒng)的分辨率最小達(dá)到100μm。最后,利用3 mm聚四氟乙烯介質(zhì)半球分別對全介質(zhì)硅光柵和新版100元人民幣進(jìn)行了成像。成像結(jié)果表明,加入介質(zhì)半球后,無論是時域模式還是頻域模式均能對光柵條紋和人民幣安全線內(nèi)“100”的字樣進(jìn)行有效分辨,而在自由空間中對該樣品進(jìn)行成像,則無法有效辨別。這說明3 mm的介質(zhì)半球耦合太赫茲成像可以有效的提高太赫茲系統(tǒng)的成像分辨率。本論文提出的介質(zhì)半球耦合太赫茲成像方法將常規(guī)遠(yuǎn)場太赫茲成像的分辨率提高一個數(shù)量級。另外,該方法操作簡單、造價低、對測試樣品沒有任何限制(介質(zhì)、金屬等都可以),且該方法是一種高通量和寬光譜的成像技術(shù),從而為今后提高太赫茲成像分辨率提供了一個新的思路,對太赫茲波段遠(yuǎn)場成像分辨率的提高具有重要的意義。
【圖文】：

貝爾實驗室的Ｈｕ等人［｜９］在１９９５年建立了逐點掃描的太赫茲光譜成像系統(tǒng)，并成功逡逑樹葉和電子芯片內(nèi)部的集成電路進(jìn)彳于了成像，成像分辨率在４00邐左右，此后各種逡逑赫茲成像技術(shù)飛速發(fā)展。然而由于衍射極限的存在，使得太赫茲成像的分辨率不高。逡逑場成像是突破衍射極限，獲得亞波長分辨圖像的研究熱點之一，該技術(shù)的實現(xiàn)主要得逡逑于隱矢波的產(chǎn)生和利用，成像性能的提升取決于太赫茲波的局域、增強(qiáng)或者增透程逡逑，方法大致有四類：分別為利用亞波長物理孔徑或虛擬孔徑局域的太赫茲波［２？２３］、亞逡逑長針尖局域或增強(qiáng)的太赫茲波［￣２７］、激光聚焦后產(chǎn)生的亞波長尺寸太赫茲輻射源逡逑３１］、微納結(jié)構(gòu)材料局域或增透的太赫茲波進(jìn)行近場成像［３２？］。下面將對國外在太赫茲逡逑場成像方面取得的代表性做簡單介紹。逡逑１９９８年，Ｈｕｎｓｃｈｅ等人［２１］第一次將太赫茲波通過離軸拋物鏡匯聚到特制金屬孔徑后逡逑射到待測樣品，如圖１－１所示，，這種方法的空間分辨率在５０邋（ｉｍ左右。２０００年，逡逑Ｍｉｔｒｏｆａｎｏｖ等人［２３］將光電導(dǎo)天線與金屬孔徑結(jié)合，設(shè)計了一種新型探測器，如圖１－２逡逑示，探頭尺寸為３０ｘ３００邋ｐｍ２，空間分辨率小于４０邋｜ａｍ。逡逑１邐ｃｏｌｌｉｍａｌｉｎｑ邋＆邋ｆｏｃｕｓｓｉｎｑ逡逑

對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)了邋１２邋ｐｍ的空間分辨率，與之前的結(jié)構(gòu)相比該結(jié)構(gòu)有更高的逡逑透射強(qiáng)度。２０１４年Ｌｕ和Ａｒｇｙｎ＾３８］將格子光纖引入光譜系統(tǒng)中作為內(nèi)窺鏡，引導(dǎo)輻射進(jìn)逡逑如樣品，如圖１－３所示，該結(jié)構(gòu)通過掃描探針的端面而不是太赫茲系統(tǒng)本身的樣品或組逡逑件來進(jìn)行高光譜成像，通過識別圖像中的各種物質(zhì)并通過偽彩色系統(tǒng)的實現(xiàn)可視化來證逡逑明高光譜成像。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中央民族大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O441;TP391.41

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