Sussex研究團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家們研發(fā)出第一臺(tái)能夠利用太赫茲（THz）輻射捕捉固體內(nèi)部高分辨率圖像的非線性相機(jī)。

太赫茲輻射穿過抽象物體的藝術(shù)渲染圖

英國薩塞克斯大學(xué)（University of Sussex）的這項(xiàng)研究突破由Emergent Photonics（EPic）Lab的Marco Peccianti教授所領(lǐng)導(dǎo)，研究團(tuán)隊(duì)成員有Luana Olivieri、Juan S. Totero Gongora博士和研究生團(tuán)隊(duì)。

據(jù)Sussex研究團(tuán)隊(duì)稱，利用太赫茲輻射生成的圖像被稱為“高光譜”，這是由于這種圖像由像素組成，而每個(gè)像素都包含該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)物體的電磁特征。太赫茲輻射位于電磁波譜中微波與紅外線之間，像X射線一樣能穿透紙、衣服和塑料等材料，且不會(huì)造成傷害。因此太赫茲輻射用于生物樣本檢測(cè)是安全的，太赫茲成像使觀察物體的分子組成并區(qū)分不同材料成為可能。

“太赫茲相機(jī)的核心挑戰(zhàn)并非收集圖像，而是保存物體的光譜指紋，這些光譜指紋很容易被相關(guān)技術(shù)破壞?！盤eccianti教授在一份聲明中表示，“這就是體現(xiàn)我們成果重要性的所在。圖像中所有的光譜指紋細(xì)節(jié)均可以保存，這樣我們就可以詳細(xì)地研究所拍攝物體的性質(zhì)。”

Sussex團(tuán)隊(duì)的研究人員使用單像素相機(jī)，利用太赫茲光圖案對(duì)樣本物體進(jìn)行成像。他們打造的太赫茲相機(jī)原型可以探測(cè)物體如何改變太赫茲光的不同圖案。并將這些信息與每個(gè)原始圖案的形狀相結(jié)合，這樣太赫茲相機(jī)就能揭示出該物體的圖像及其化學(xué)成分。

葉片的高光譜成像過程。時(shí)間分辨的非線性鬼影成像相機(jī)使用非線性晶體將標(biāo)準(zhǔn)激光轉(zhuǎn)換為太赫茲圖案，從而實(shí)現(xiàn)利用單個(gè)太赫茲像素重建復(fù)雜樣本。

基于單像素探測(cè)和多模式照明的鬼影成像，是難以探測(cè)波譜區(qū)域的關(guān)鍵研究工具。在太赫茲波譜中，高分辨率成像通常難以獲得，鬼影成像則成為嵌入時(shí)間維度的最佳方法，由此原理打造出“太赫茲高光譜成像儀”。

太赫茲輻射源非常微弱，高光譜成像迄今為止保真度有限。為了克服這個(gè)問題，Sussex研究團(tuán)隊(duì)將標(biāo)準(zhǔn)激光照射到一種獨(dú)特的非線性材料上，這種材料能將可見光轉(zhuǎn)化為太赫茲波。從而讓該原型相機(jī)在非常接近樣品的地方產(chǎn)生太赫茲波，這與顯微鏡工作原理類似。由于太赫茲波可直接穿透物體而不影響物體本身，因此所產(chǎn)生的圖像能在三維空間揭示物體的形狀和組成。

時(shí)間分辨的圖像重建：逆推法

“這是技術(shù)重大進(jìn)步，因?yàn)槲覀円呀?jīng)證明，以往在理論研究中探索的所有可能性不僅是可行的，而且我們的太赫茲相機(jī)證明了它們比預(yù)期的還優(yōu)秀。”Totero Gongora博士解釋道，“在制造該相機(jī)過程中，我們發(fā)現(xiàn)了幾種優(yōu)化成像過程的方法，目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)很穩(wěn)定并且效果顯著?！?

Gongora表示，其研究團(tuán)隊(duì)下一階段研究將加速圖像重建過程，并逐漸將太赫茲相機(jī)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界，如機(jī)場(chǎng)安檢、智能汽車傳感器、制造中的質(zhì)量控制以及檢測(cè)皮膚癌等健康問題的掃描儀等。

該研究成果已于2020年2月20日發(fā)表于OSA Optica，題目為“Hyperspectral terahertz microscopy via nonlinear ghost imaging”，論文地址：https://doi.org/10.1364/OPTICA.381035。