摘要：太赫茲(zi) （THz））實時成像是THz技術中頗具潛力的一個(ge) 領域，具有成像速度快、成像分辨率高等特點，基於(yu) THz量子 級聯激光器（QCL）的實時成像係統是其中最重要的一種，係統體(ti) 積小、重量輕、成像信噪比高等特點使其在實際應用中具有獨特的優(you) 勢。本文主要介紹了THzQCL器件及其實時成像係統的研究進展，采用超半球高阻矽透鏡改善了THzQCL的輸出激光，實現了準高斯光束輸出，搭建了基於(yu) 二維擺鏡消幹涉技術的THz實時成像係統，單幀成像光斑麵積45mmx30mm，實現了對刀片、藥片的實時成像演示，成像分辨率優(you) 於(yu) 0.5mm；最後對成像係統激光源、成像光路和探測端的改進以及成像效果的改善方麵進行了綜述，並探討了THz實時成像係統未來的發展趨勢及其在材料分析和生物醫學 成像方麵的應用前景。

關(guan) 鍵詞：太赫茲(zi) ；實時成像；量子級聯激光器；焦平麵陣列

1. 引言

太赫茲(zi) （THz）輻射通常指頻率介於(yu) 1.0~10THz（對應波長30μｍ~3ｍｍ）的電磁波，其研究範疇屬於(yu) 紅外光子學與(yu) 微波電子學交叉領域，也稱為(wei) 宏觀電子學向微觀光子學過渡的區域。THz成像技術是THz技術中頗具潛力的一個(ge) 方向，基於(yu) THz輻射的特點，如輻射能量低、對非極性和非金屬材料透過率高、能量尺度對應於(yu) 有機和無機材料中振動能級以及大分子結構中的轉振能級等，THz成像應用於(yu) 上述物質時，具有比紅外和可見光更好的穿透特性以及比微波毫米波更好的分辨率，這一特點使其在生物醫學、安全控製、工業(ye) 監測、無損檢測分析等領域具有廣闊的應用前景。

近年來，隨著THz輻射源和探測技術的發展，THz成像技術的發展經曆了多個(ge) 階段並獲得不斷改進，從(cong) 基於(yu) THz時域光譜（TDS）係統的成像到基於(yu) 各種輻射源的快速掃描成像，再到基於(yu) 焦平麵陣列探測的實時成像，成像係統的性能得到很大提升，係統的應用水平也不斷提高，尤其是THz實時成像係統的出現和完善，將THz成像的速度和精度提高到可實際應用的水平，有望在材料分析、生物醫學成像等領域獲得重要應用。

本文主要講述了THz量子級聯激光器（quantum cascadelaser,QCL）及其實時成像係統的研究進展，著重對成像係統激光源、成像光路和探測端的改進以及成像效果的改善方麵進行了綜述，並進一步展望了THz實時成像未來的發展趨勢及其在材料分析和生物醫學成像方麵的應用前景。

2. THz量子級聯激光器

THzQCL是1~5THz頻段輻射源中非常重要的一種緊湊型激光源，具有體(ti) 積小、易集成、壽命長、功率高、能量轉換效率高等特點。2002年，THzQCL首次由意大利和英國的科學家合作研製成功，當時器件采用啁啾超晶格結構，隻能脈衝(chong) 激射，最大輸出功率約23mW，隨後人們(men) 通過對激光器有源區結構的改進，實現了器件的連續激射，最大輸出功率0.41mW。QCL的工作原理如圖1所示，器件中的增益介質是由幾百層交替生長的半導體(ti) 薄層材料（通常是GaAs和AI-GaAs，采用分子束外延方法生長）組成，在這種增益介質中電子被限製在分立的子能級中。這些薄層形成周期性的模塊，當施加外部電場時，電子通過級聯的方式從(cong) 一個(ge) 周期到達另一個(ge) 周期，每一步躍遷輻射出一個(ge) 低能量的光子（見圖1），多個(ge) 周期輻射出的光子通過級聯的方式匯集到一起，在器件脊條形成的腔體(ti) 中增益後輸出。同樣的光子能量也不是取決(jue) 於(yu) 材料的帶隙，而是通過控製半導體(ti) 薄層的厚度在很寬範圍的值裏選擇。

圖1. THz量子級聯激光器工作原理示意圖

THzQCL的成功研製開啟了人們(men) 對半導體(ti) 量子級聯THz器件的研究熱潮。通過各國研究人員的努力，THzQCL在輸出功率、工作溫度、工作頻率範圍等方麵均得到了很大的提高。截至目前，器件激射頻率可覆蓋1.2~5.2THz範圍，在連續波工作模式下，最高激射溫度為(wei) 129K，最大輸出功率為(wei) 230mW；脈衝(chong) 工作模式下，最高激射溫度近200K（見圖2），最大峰值輸出功率達156W。這一點使其成為(wei) THZ實時成像係統的首選。器件最近被證明存在亞(ya) KHz的量子噪聲限線寬，並且也出現了潛在的可調諧性，有望在多頻點THz實時成像方麵獲得應用。就器件而言，THz QCLs在成像能力方麵，其輻射功率可超過光學泵浦源和熱輻射源好幾個(ge) 數量級；並且其在緊湊型成像係統的潛在發展能力也使我們(men) 不再依賴龐大而昂貴的超快激光源或氣體(ti) 激光器。上述吸引人的特性不僅(jin) 僅(jin) 促使人們(men) 對基於(yu) THzQCL的實時成像係統產(chan) 生極大的研究興(xing) 趣，還為(wei) 進一步改進THz成像技術提供了巨大潛力。

圖2. 不同時期THzQCL的最高工作溫度

3. 基於(yu) THzQCL的實時成像研究進展

THz實時成像以陣列探測器為(wei) 基礎，配以合適的激光光源，當陣列探測器工作在一定幀率的情況下，相鄰兩(liang) 幀圖像在眼睛看來是連續出現時，我們(men) 稱之為(wei) 實時成像（Real-time imaging），當成像幀率達到25Hz甚至更高時，我們(men) 稱之為(wei) 視頻成像（Video rate imaging）。THz實時成像具有成像速度快和分辨率高等特點，是THz成像應用中頗具潛力的一種成像手段，未來在材料分析、物質反應分析和生物醫學成像分析等方麵具有重要應用前景。

3.1 紅外焦平麵陣列探測

早期THz實時成像係統采用二氧化碳氣體(ti) 激光器為(wei) 激光源，由於(yu) 氣體(ti) 激光器輸出光束質量好，在成像效果上主要受限於(yu) 陣列探測器的水平。不過氣體(ti) 激光器體(ti) 積龐大，設備昂貴，使得成像係統一直停留在實驗室演示的層麵，難以獲得實際應用。

圖3. 紙質信封中鉛筆字可見光照片（a）及其在封閉信封內(nei) THz透射（b）和反射（c）成像效果對比和大拇指指紋的可見光照片（d）和THz反射成像（e）效果對比

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5. 結束語

本文主要針對基於(yu) THzQCL的實時成像技術，綜述了THzQCL及其成像係統的研究進展，采用二維擺鏡消幹涉光學部件搭建了單幀成像範圍45mmx30mm的實時成像係統，實現了對刀片、藥片等樣品的實時成像演示，分辨率優(you) 於(yu) 0.5mm。重點分析了成像光源需要改善的幾個(ge) 方麵，並對成像係統光路的改進和探測端性能的提高進行了討論。從(cong) 係統的角度來看，基於(yu) THzQCL的實時成像係統已具備可應用的潛力，但還需要進一步縮小係統體(ti) 積，優(you) 化成像光路和成像光束質量。考慮到THzQCL輸出的激光頻率範圍主要覆蓋1.5~5THz，該頻段成像分辨率相對較高，且成像光源輸出功率大，發展基於(yu) THzQCL的顯微實時成像技術是未來的重要發展方向。通過探索其在材料分析、生物醫學成像等方麵的應用，以期在例如癌細胞切除手術、相變材料分析、半導體(ti) 材料載流子分析中獲得應用。