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1 引言
太赫兹(Terahertz, THz)成像技术，因其具有能量低、穿透性强、波谱范围宽等独特的分析能力，已经在生物医学、安全检查、航空航天等领域展现出巨大的优势及潜在的应用价值[1-2]。然而，由于太赫兹波波长较长，受衍射极限的限制，常规远场THz成像技术的分辨率较低，难以满足当前日益提高的应用需求。为了提高分辨率，在过去的几十年里，各种THz超分辨率成像技术相继被提出，包括THz近场成像[3-4]、THz共焦扫描成像[5-6]、THz图像复原处理[7-9]等，使分辨率达到了微米或纳米尺度。其中，近场探测技术通过产生和探测含有超精细信息的倏逝波，突破衍射极限，获得亚波长分辨率，是太赫兹成像领域研究的热点之一。目前，在THz频率范围已经开展的近场显微方法中，大致有四类：分别为利用亚波长物理孔径(或虚拟孔径)的方法[10-13]、亚波长针尖局域(或增强)的方法[14-17]、激光聚焦后产生的亚波长尺寸THz辐射源显微术[18-22]、微纳结构材料局域或增透的THz超透镜[23-26]等。但是以上方法在提高分辨率的同时，严重地限光作用和频率选择特性导致光通量急剧下降，同时损耗了大量的高频分量，不但降低了测量的灵敏度和信噪比，也损失了THz成像的宽谱分析能力，削弱了THz成像的技术优势。
近年来，在可见光领域，研究人员发现纳米、微米尺寸介质球的光子纳米喷射效应(photonic nanojet)具有超分辨能力[27]。类比于可见光波段的纳米喷射(nanojet)效应，在太赫兹波段，基于介观尺寸介质结构的太喷射(terajet)效应的THz显微技术也相继应用在连续和脉冲THz成像技术中，有效提高目前常规的THz远场成像分辨率[28-29]。相对于其它超分辨成像技术，基于太喷射的THz高分辨成像有以下独特的优点：1)非倏逝波：超分辨的太赫兹喷射光束持续至少2λ的长度，并能传输到远场，使得对具有一定厚度样品的高分辨成像成为可能；2)高通量特性：光谱宽度和光谱能量几乎没有损失，适合宽光谱成像，且成像样品不受限制；3)设备成本低、操作简便：介质超透镜的尺寸在1 mm~6 mm范围内，操作简便，可以进行大面积成像。本文将对基于喷射效应的THz高分辨成像技术进行详细的介绍。第二部分介绍基于纳米喷射的微球透镜显微技术，第三部分介绍基于太喷射的连续波显微技术，第四部分介绍我们提出的几种实现高通量、脉冲太赫兹波高分辨成像的方案，第五部分是总结和展望。
2 基于纳米喷射的微球透镜显微技术
2011年，在可见光领域，英国曼彻斯特大学的Wang等[27]将光学透明微球(直径在2 ñm到9 ñm之间的二氧化硅微球)与传统的光学显微镜结合实现微球超显微技术：将直径几微米至几十微米的微球直接置于样品表面，球体收集近场信息，能够成倍提高传统光学显微镜的成像能力，分辨率达到50 nm，如图 1所示。
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为了进一步改进微球超分辨显微技术，不同性能的微透镜(形状、尺寸、材料以及折射率等)、不同浸没条件(不同液体、浸没、半浸没等)等方案相继被提出，成像分辨率和对比度获得一定的增强效果[30-38]。比如，浙江大学刘旭研究组的郝翔等[30]将介质微球浸入到乙醇溶液内，在透射模式和反射模式下分别进行成像，发现如果把微球半浸没于液体时，成像对比度会大幅增强；但将微球完全浸没于液体时，并没有获得明显的增强效果。由于乙醇具有挥发性，他们还通过视频记录了成像的动态过程。当微球慢慢露出乙醇时，暗条纹出现在微球内，并且逐渐变得清晰，边缘也变得更加尖锐；当乙醇完全挥发后图像变得再次模糊。2013年，曼彻斯特大学的Li等[33]把直径100 ñm的BaTiO3微球和光学显微镜的物镜同时浸没在水中，利用微球的近场放大效应，用光学显微镜观察到75 nm的腺病毒(adenoviruses)。
以上所发现的介质微球超分辨能力既无法用传统几何光学解释，也不能简单归类在近场光学中。2004年，美国西北大学的Chen等[39]通过理论计算认为微球超分辨成像是微球的光子学纳米喷射(photonic nanojet)效应引起的。微球通过光子纳米喷射效应可以收集、传递倏逝波，减慢倏逝波衰减，从而可以在远场看到超分辨成像，如图 2(a)所示。2014年，圣路易斯华盛顿大学Shen等[40]研究了两层电介质微球，发现采用常规材料制成的双层介质微球比单个微球具有更长的纳米喷射能力，如图 2(b)所示。当光进入到球体内时，其能量流向前传播的过程中是收敛的，而对于两层微球来说，能量流在球体内交替发生了收敛和发散，其中发散能够起到平衡和减缓收敛的作用，通过适当选择双层介质球的尺寸和折射率参数，可以有效地使焦点处的发散角最小，传输距离延长。2017年，以色列理工学院的Yacob[41]提出了产生纳米喷射的无衍射贝塞尔光束理论，如图 2(c)所示，平面波垂直照射到样品上，透射波经微球汇聚到焦平面上。具体来说，通过接触点O附近的倏逝波携带样品的超精细结构信息，并通过接触点O传输到微球中，转换成传输波；而远离接触点O的入射波以入射角θin在介质球表面发生折射(折射角为θT)；最终，将球差叠加在所有几何光线上，得到产生纳米喷射流的贝塞尔光束。由于纳米喷射流受倏逝波的调制，通过将p点附近的行波场传输到共焦显微镜中获得物体的精细结构。光子纳米喷射具有优异的光学性能，如非交联性、较强的局部电场以及尖锐的焦点，目前已经应用于纳米颗粒检测、光学纳米光刻和超分辨率成像等领域。
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3 基于太喷射的连续波显微技术
与可见光波段已经广泛研究的微球显微成像技术相比，基于太喷射效应的THz波远场聚焦特性和高分辨成像研究仅处于起步阶段。2014年，西班牙Pacheco-Pena等人和俄罗斯Minin等[28, 42-45]将200 GHz的平面波垂直照射在无损耗的长方体介质上，在平面波的照射下产生的“太喷射”具有一定的汇聚能力。模拟结果显示，其主要特性在于太喷射波具有亚波长的束腰半径，并且在传播几个波长的距离之后光束发散很小，这表明聚焦光斑焦点附近的半高宽会比较小，可在远场实现亚波长分辨率。另外，通过改变介质长方体的折射率，当折射率n从2减小到1.4时，太喷射波束的焦点位置沿着光轴从立方体内部向表面外移，如图 3(a)所示[28]。
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2017年，日本大阪大学Pham等[45]将折射率为1.46的聚四氟乙烯(Teflon)立方体放置在反射式太赫兹成像系统中(如图 3(b)示)，对具有0.63λ沟槽的铝板进行成像，成像结果显示：使用了介质立方体的图像可以清楚地分辨铝板上的空气沟槽，而没有使用介质立方体的图像由于分辨率不足而模糊不清。在此基础上，他们使用耦合长方体阵列的全介质周期性太喷射波导，使THz波束进一步聚焦，光束半高宽达到λ/2，如图 4(a)所示[46]。2018年，又在长方体介质透镜的前表面放置金属掩膜，通过减小喷射光束的束腰半径进一步增加空间分辨率和聚焦光强，如图 4(b)所示[47-48]。
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另外，研究人员们又设计一种基于具有高金属填充因子和穿孔电介质的金属光子晶体超材料，可以产生太赫兹喷射，如图 5(a)所示[49]。仿真结果表明，不同结构和填充因子影响材料的有效介电常数以及太喷射波束的光场分布[50]。Cruz等[51]通过仿真模拟研究了非常规几何结构(如图 5(b)~5(e)所示)介电材料在0.1 THz频率下的太赫兹喷射效应，并与球形结构做对比，发现三角椎形介电体对入射波的功率增强了32倍，分辨率高达0.396λ。
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在实际应用中，由于样品具有一定的厚度，喷射波束的作用长度也是提高成像分辨率和对比度的一个重要指标。最近，华中科技大学的王可嘉课题组采用3D打印技术打印的锥透镜，将平行的太赫兹高斯光束变换成无衍射的贝塞尔光束，该光束持续的长度可达50 mm，并应用于太赫兹反射成像中[52]。为了进一步增加无衍射THz波束的作用长度，他们又联合首都师范大学张振伟等人设计了一个透镜组系统，如图 6(a)所示[53]。发散的高斯光束经过准直透镜后成为准直的高斯光束，再经过锥透镜(A1)变换为无衍射光束；该无衍射光束进一步经过柱透镜(C1)和锥透镜(A2)，使得其作用长度达到250 mm，如图 6(c)所示。实验证明，这种光束可以用来扩展太赫兹传输成像系统的景深，其成像效果如图 6(b)所示。
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4 基于太喷射的脉冲波显微技术
宽谱分析是太赫兹成像技术的重要优势之一，虽然基于连续毫米波的太喷射效应初步提高了成像分辨率，但成像信息少(单频，缺少相位信息)，并且无法进行光谱分析。2018年，中央民族大学杨玉平课题组提出并开发了基于介电小球的太赫兹喷射显微技术，即在常规远场8f太赫兹脉冲成像系统上进行改进，在两个抛物面镜的中间放置直径为3 mm的聚四氟乙烯介质小球，入射THz波经过二次聚焦和调制，实现亚波长太喷射波束，将样品放置在太喷射光束的合适位置，对透射(或反射)THz波进行测试和成像，如图 7(a)所示。利用刀口法测量了常规太赫兹成像系统的分辨率及加入介质球后的分辨率，结果显示，加入介质球后能够显著提高系统的分辨率，最大提高了66.7%，且在一定范围内，介质球与刀片的距离越远，成像分辨率越好，如图 7(b)所示。对宽度为110 ñm的硅基介质光栅进行成像，结果显示：在时域显示模式下，介质球辅助THz最大值成像和最小值成像均能够明显地分辨出介质光栅条纹，而不放介质球直接成像时则不能将两者分辨。在频域显示模式下，高频处的成像效果比低频成像效果更好，这是因为频率越高，太喷射光束的尺寸越小，能量密度越高，分辨率和对比度越高；而不放介质球直接成像时，无论在低频还是高频，均无法辨别出光栅条纹，如图 7(c)所示[29]。
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太喷射现象不但具有优异的调控THz波束的能力，在远场实现超分辨THz成像，并且具有高通量和超宽带等优点。我们比较有无介质球的“太喷射”效应下，系统在信号通量和光谱带宽方面的性能，如图 8所示。实验发现：由于太喷射对THz波束的调制与优化，和自由空间的THz信号相比，经过介质超透镜的THz脉冲除有一定的时间延迟外，信号还有较大的提高，如图 8(a)所示；其对应的FFT频谱如图 8(b)所示，在高于0.5 THz的范围内THz信号具有明显的提高；两者的相对振幅透过率如图 8(c)所示，在1 THz以上的高频区，加介质球的振幅信号提高了一倍以上，对应的能量(振幅的平方)变为4倍以上，表明介质球耦合THz成像技术具有高通量和超宽带的优点[54]。
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模拟结果表明，入射波的频率分量、介质球的尺寸、折射率等因素对太喷射波束具有不同程度的调节作用，极大地影响THz成像的超分辨能力。当介质球尺寸(d=3 mm)一定时，仿真结果表明：随着频率的增大，聚焦光斑的尺寸逐渐减小，同时焦点距介质球的距离增大，如图 9(a)所示。当介质球尺寸(d=3 mm)和频率(f=1.5 THz)都固定时，随着折射率的增加，聚焦光束位置发生变化。当折射率从1.4增加到1.6的过程中，喷射光束沿着z轴向球体表面移动；折射率从1.6增大到1.8的过程中，喷射状的光斑的位置开始向球体内部移动，而且焦点束腰处的半高宽由0.48λ减小到0.35λ。当折射率从1.8继续增大到2.0的过程中，喷射状光斑的位置继续沿着球体半径方向向球中心移动，即距离小于半径，喷射光束束腰从0.33λ减小到0.30λ，如图 9(b)所示。
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不难看出，介质小球产生的太喷射光束都位于球体表面附近，使得实验时小球要紧靠样品表面，可能会污染样品。我们进一步提出了一种介质半球耦合太赫兹高分辨率成像的方法，来提高THz波经过介质后的喷射焦距和喷射光束的工作距离[54-56]。模拟结果显示，介质半球产生的太喷射波束受入射波的频率分量、介质球的尺寸、折射率等因素的调制作用呈现出与介质小球类似的规律。随着频率的增加，THz波通过介质半球后所产生的聚焦光束更加收敛，即“太喷射”的光斑越来越细长，焦点开始外移，且焦点处能量密度越来越大，如图 10所示。值得注意的是，焦点的位置(最佳成像分辨率的位置)距离介质半球的范围为1.1 mm~1.5 mm，实际操作空间大，避免了对样品的直接接触。
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5 结论和展望
太喷射效应对入射太赫兹波具有较好的调节能力，在提高分辨率的同时频率分量和信号通量也有所增加。结合我们的实验结果和模拟结果可知，与传统的远场太赫兹成像相比，基于太喷射的THz成像技术分辨率提高了一个数量级。此外，该方法有效地避免了强度和频谱分量的损失；且方法简单，易操作；对测试样品没有任何限制(介质与金属都可)，为今后提高太赫兹成像分辨率提供了一个新的思路，对高分辨的太赫兹无损检测应用具有重要的实用价值。
然而相对于传统的近场成像，分辨率还有待进一步提高；且太赫兹波经过介质结构后所产生的光场形状、大小是否与仿真结果一致还有待进一步实验验证；携带样品高频信息的倏逝波传向远场的机理也还尚不明确；以及超精细结构信息的增强与探测、超分辨信息的提取等也有待进一步的研究与探讨。
光电工程 2020, Vol. 47 Issue (5): 190590 DOI: 10.12086/oee.2020.190590
Citation
Ma X M, Jiang Z C, Qu Q S, et al. Research advances of high-resolution THz imaging based on terajet effect[J]. Opto-Electronic Engineering, 2020, 47(5), 190590
Research advances of high-resolution THz imaging based on terajet effect
Ma Xiaoming1, Jiang Zaichao1, Qu Qingshan1, Cui Bin1, Zhang Zhenwei2, Yang Yuping1
1. School of Science, Minzu University of China, Beijing 100081, China;
2. Department of Physics, Capital Normal University; Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Technology; Beijing Key Laboratory for Terahertz Spectroscopy and Imaging; Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, Beijing 100048, China
Correspondence: Yang Yuping, E-mail:[email protected].
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Overview: In the past decades, great advancements have been made to achieve super-resolution imaging, including near-field THz microscopy, metamaterial superlens, fluorescence microscopy and so on, pushing the resolution...