導讀

據英國薩塞克斯大學官網近日報道，該校物理學家團隊成功開發出首款非線性相機，它能夠採用太赫茲輻射採集固體內部的高解析度影象。

背景

赫茲波，是指頻率範圍在100GHz到10THz之間，介於微波和紅外線之間的電磁波。

（圖片來源：維基百科）

它對於人眼來說是不可見的，然而卻可以像X射線一樣輕易穿透紙張、衣服和塑料等材料，還不會造成傷害。即便是最脆弱的生物樣本也可以安全使用它。太赫茲成像使人們有可能“看清楚”物體的分子組成，並區分不同的材料，例如糖與可卡因。

太赫茲波具有穿透性強、安全性高、定向性好、頻寬高、時間與空間解析度高等技術優勢。因此，太赫茲技術可應用於成像、儲存、通訊、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學、安全檢測、無損檢測等多個領域。

創新

近日，英國薩塞克斯大學的物理學家團隊成功開發出首款非線性相機，它能夠採用太赫茲（THz）輻射採集固體內部的高解析度影象。

下圖所示：時間分辨的非線性鬼成像相機採用非線性晶體將標準的鐳射轉化為太赫茲圖案，從而用單個太赫茲畫素重構出複雜的樣本。

在新興光子學（EPic）實驗室教授 Marco Peccianti 領導下，Luana Olivieri、Juan S. Totero Gongora 以及一個研究生團隊構造出一款新型太赫茲相機，它能以前所未有的精度探測太赫茲電磁波。

採用太赫茲輻射拍攝的影象被稱為“高光譜（hyperspectral）”，因為組成影象的每個畫素點都含有物體在那一點上的電磁簽名。

技術

為了解釋他們所取得的成就的重要性，Peccianti 教授說：“太赫茲相機的核心挑戰並不是採集影象，而是保留物體的頻譜指紋，這些指紋很容易被你的技術破壞。這就是我們取得的成就的重要性所在。影象的所有細節的指紋都以一種讓我們可以全面詳細了解物體特性的方式被保留下來。”

目前為止，可採集高光譜影象的相機保留了太赫茲輻射展示的所有細節，而之前這被認為是不可能的。

EPic 實驗室團隊使用了一款單畫素相機，利用太赫茲光圖案對樣本物體進行成像。他們構造的這一原型可檢測物體是如何改變太赫茲光的不同圖案的。通過將這個資訊與每個原始圖案的形狀結合起來，相機就可以展示物體的影象及其化學組成。

太赫茲輻射源非常虛弱，並且到目前為止，高光譜成像的保真度有限。為了克服這一點，薩塞克斯大學團隊用標準的鐳射照射一個獨特的非線性材料，這種材料能將可見光轉化為太赫茲。這款原型相機創造出非常接近於樣本的太赫茲電磁波，類似顯微鏡的工作方式。因為太赫茲波穿過物體並不會影響它，所以生成的影象以三維的方式展示了物體的形狀和組成。

價值

Totero Gongora 博士表示：“這是一個巨大的進步，因為我們論證了不僅我們之前理論研究中的所有可能性都是可行的，而且我們的相機工作得比預計的還好。在打造這款裝置時，我們探索出了幾個可以優化成像過程的方案，現在這項技術不僅穩定，而且工作得很好。下一步我們研究的將加速影象重建過程，讓我們更接近太赫茲相機的真實世界應用，例如機場安檢、智慧汽車感測器、生產過程中的品質控制，甚至是檢測面板癌等健康問題的掃描器。”

關鍵字

成像、太赫茲、相機

參考資料

【1】Luana Olivieri, Juan S. Totero Gongora, Luke Peters, Vittorio Cecconi, Antonio Cutrona, Jacob Tunesi, Robyn Tucker, Alessia Pasquazi, Marco Peccianti. Hyperspectral terahertz microscopy via nonlinear ghost imaging. Optica, 2020; 7 (2): 186 DOI: 10.1364/OPTICA.381035

【2】https://www.sussex.ac.uk/news/features/all?id=51331