CN102192884B - 利用偏振可控的太赫兹波对样品进行成像的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用偏振可控的太赫兹波对样品进行成像的方法，其包括以下步骤：在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为水平方向，测量与被测样品相互作用后的水平太赫兹波的图像；将偏振方向调整为竖直方向，测量与被测样品相互作用后的竖直太赫兹波图像。对两幅太赫兹图像进行分析，水平偏振的太赫兹波入射得到的图像由于接收信号较强，可以反映与样品作用后强度发生的变化；竖直偏振的太赫兹波入射得到的图像可以反映样品引起的太赫兹波偏振发生的微小变化。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波成像领域，具体而言，涉及一种利用偏振可控的太赫兹波对样品进行成像的方法。
背景技术
太赫兹辐射由于其具有瞬态性、低能性和相干性等独特的性质，而在卫星通讯、无损检测、军用雷达等方面具有重大的科研价值和广阔的应用前景。太赫兹偏振测量、太赫兹通讯、生物医学成像、军事目标识别、化学成分分析以及太赫兹滤波片的制作等都需要对太赫兹波的偏振方向进行精确控制。
通过研究由双频激光激发空气等离子体所产生的太赫兹辐射的偏振方向，可以改变四波混频中基频波和二次谐波之间的相对相位控制辐射的太赫兹波的偏振方向，利用这种偏振可控的太赫兹波可以对物体进行偏振成像。
在采用电光取样探测方法的成像技术中，目前存在的成像方法的特征是仅探测太赫兹电场矢量在一个方向上的分量，这就使得一些成像结果很难得到真实解释，导致获得的样品图像信息较为有限。例如，一般对于样品信号相对于参考信号的电场强度的振幅的降低理解为样品对于太赫兹辐射的吸收和散射造成，但实际上，太赫兹电场矢量的旋转同样会引起这种探测强度的减小。所以，目前的成像方法不能考虑样品对于太赫兹波的双折射特性，并且，除了双折射效应，斜入射后的反射以及多次散射都可能引起太赫兹电场方向的改变。
发明内容
本发明提供一种利用偏振可控的太赫兹波对样品进行成像的方法，用以根据样品引起的太赫兹波偏振态发生的微小变化，获取更多的图像信息。
为达到上述目的，本发明提供了一种利用偏振可控的太赫兹波对样品进行成像的方法，其包括以下步骤：在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为水平方向，测量与被测样品相互作用后的太赫兹波的水平分量；对水平分量的太赫兹脉冲进行分析，得到水平偏振太赫兹波入射的物体图像；在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为竖直方向，测量与被测样品相互作用后的太赫兹波的水平分量；对水平分量的太赫兹脉冲进行分析，得到竖直偏振太赫兹波入射的物体图像。
在太赫兹波的偏振态为线偏振，将偏振方向调整为水平方向步骤包括：移动BBO（偏硼酸钡）晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，将太赫兹波的偏振方向控制为水平方向，其中，水平方向对应的位置为沿光束传播方向扫描BBO晶体的位置时电光取样探测得到的太赫兹波强度最大的BBO晶体的位置。
在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为竖直方向步骤包括：移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，将太赫兹波的偏振方向控制为竖直方向，其中，竖直方向对应的位置为沿光束传播方向扫描BBO晶体的位置时电光取样探测得到的太赫兹波强度最小的BBO晶体的位置。
通过精密平移台控制移动BBO晶体的位置。
在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为水平方向步骤包括：通过在BBO晶体和等离子体之间加入一对楔形的石英晶体，调整其***光束中的位置将太赫兹波的偏振方向控制为水平方向。
将太赫兹波的偏振态控制为线偏振，将偏振方向调整为竖直方向步骤包括：通过在BBO晶体和等离子体之间加入一对楔形的石英晶体，调整其***光束中的位置将太赫兹波的偏振方向控制为竖直方向。
被测样品为与太赫兹波相互作用后引起太赫兹波偏振态发生微小变化的物体。
在上述实施例中，对得到的两幅太赫兹图像进行分析，水平偏振的太赫兹波入射得到的图像，由于接收信号较强，可以反映与样品作用后强度发生的变化；竖直偏振的太赫兹波入射得到的图像可以反映样品引起的太赫兹波偏振发生的微小变化，例如样品的边缘散射以及样品各向异性等，从而提高了样品的成像分辨率并获得更多的样品内部信息，克服了现有技术中电光取样探测方法不能分析太赫兹电场矢量的旋转特性，导致获取的图像反映的样品内部信息有限的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明一个实施例的利用偏振可控太赫兹波对物体进行成像的装置示意图；
图2为根据本发明一个实施例的太赫兹波的偏振方向与水平方向的夹角和BBO晶体到等离子体的距离之间的关系图；
图3为入射的太赫兹波是水平偏振和竖直偏振两种情况下，透过各向异性泡沫材料的透过率与材料纤维取向的方位角的关系图；
图4为样品的光学照片和对样品进行二维成像的太赫兹效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下通过具体对偏振方向高精度控制的描述，对本发明的利用偏振可控太赫兹波对物体进行成像的方法作进一步的说明。
图1为根据本发明一个实施例的利用偏振可控太赫兹波对物体进行成像的装置示意图。图1中各器件如下：1、透镜；2、BBO晶体；3、高精密线性平移台；4、聚四氟乙烯板；5、抛面镜；6、被测样品；7、导电玻璃（ITO）；8、ZnTe晶体；9、反射镜；10、四分之一波片；11、沃拉斯顿棱镜；12、差分探头。在本发明的实施例中，采用双频激光激发空气诱导等离子体产生太赫兹波，在本实施例中，双频激光激发空气等离子体产生太赫兹的技术使用的激光光源是美国光谱物理公司生产的飞秒激光放大器，其激光脉冲平均输出功率为3.5W，重复频率1KHz，中心波长800nm，脉宽50fs。激光光源还可以选用产生其他波长激光的激光器。
飞秒激光脉冲经过分束片分为两束光，一束光具有入射激光的绝大部分能量，通过BBO晶体进行倍频后，基频波光和倍频光聚焦后相混频，激发太赫兹波；另一束低功率激光作为探测光束与太赫兹波共线通过探测晶体。在探测晶体内，太赫兹电场改变晶体的折射率椭球，从而使出射探测光束的偏振态发生改变。探测光束经过四分之一波片后被渥拉斯顿棱镜分成水平偏振和竖直偏振两束，由差分探头进行探测。
基于双频激光激发空气产生等离子体产生太赫兹波的机制中，当基频光是线偏振光时，激发的太赫兹波也是线偏振。随着基频光和倍频光的相对相位的变化，太赫兹波的偏振方向会连续变化2π。基频光和倍频光的相对相位随着BBO晶体到焦点的距离不同而发生变化，并且基频光和倍频光的相对相位的变化正比于BBO晶体的位置的变化。当BBO晶体的位置连续发生变化时，太赫兹波的偏振方向也会连续发生变化，我们可以利用这种方法来高精度的控制辐射的太赫兹波的偏振方向。
根据本发明一个实施例的利用偏振可控的太赫兹波对样品进行成像的方法，包括以下步骤：
S102，在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为水平方向，测量与被测样品相互作用后的太赫兹波的水平分量；
S104，对水平分量的太赫兹脉冲进行分析，得到水平偏振太赫兹波入射的物体图像；
S106，在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向为竖直方向，测量与被测样品相互作用后的太赫兹波的水平分量；
S108，对竖直分量的太赫兹脉冲进行分析，得到竖直偏振太赫兹波入射的物体图像。
在本实施例中，可以采用电光取样探测技术对太赫兹波在某一方向上的分量进行测量，这是由于电光取样探测技术只能测量太赫兹波在某一方向上的分量，如果电光晶体的晶轴设置在测量太赫兹波水平分量的方向上，则当入射太赫兹波是竖直偏振时，由样品引起的太赫兹波偏振向水平方向发生的微小偏转可以精确测量到。同样，如果电光晶体的晶轴设置在测量太赫兹波竖直分量的方向上，则当入射太赫兹波是水平偏振时，由样品引起的太赫兹波偏振向竖直方向发生的微小偏转可以精确测量到。
在本实施例中，对得到的两幅太赫兹图像进行分析，水平偏振的太赫兹波入射得到的图像，由于接收信号较强，可以反映与样品作用后强度发生的变化；竖直偏振的太赫兹波入射得到的图像可以反映样品引起的太赫兹波偏振发生的微小变化，例如样品的边缘散射以及样品各向异性等，从而提高了样品的成像分辨率并获得更多的样品内部信息，克服了现有技术中电光取样探测方法不能分析太赫兹电场矢量的旋转特性，导致获取的图像反映的样品内部信息有限的问题。
在本发明的实施例中，利用不同偏振方向的太赫兹波对物体进行二维成像，水平偏振和竖直偏振只是较佳的选择，这是因为其它偏振方向也可以分解到这两个方向上。
例如，可以通过调整BBO晶体到等离子体的位置来控制太赫兹波的偏振方向。沿光束传播方向扫描BBO晶体的位置，找到电光取样探测得到的太赫兹波强度最大和最小时的BBO晶***置，分别对应所产生的太赫兹波的偏振方向为水平方向和竖直方向。
图2为根据本发明一个实施例的太赫兹波的偏振方向与水平方向的夹角和BBO晶体到等离子体的距离之间的关系图。图中显示了改变BBO晶体到等离子体的距离时，太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度随之发生的变化。在图1所示的实验装置中连续改变BBO晶体到等离子体的距离d，分别测量出不同距离d下太赫兹波的偏振角度，即可得到图2中所示曲线。其中测量太赫兹波的偏振角度的方法为现有技术，在此不再赘述。
从图2中可以得出，当BBO晶体到等离子体的距离为48mm时，太赫兹波的偏振角度为90°（偏振方向为竖直方向）；当BBO晶体到等离子体的距离为60mm时，太赫兹波的偏振角度为0°（偏振方向为水平方向）。
相应地，在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为水平方向步骤包括：移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，将太赫兹波的偏振方向控制为水平方向，其中，水平方向对应的位置为沿光束传播方向扫描BBO晶体的位置时电光取样探测得到的太赫兹波强度最大的BBO晶体的位置。
相应地，在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为竖直方向步骤包括：移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，将太赫兹波的偏振方向控制为竖直方向，其中，竖直方向对应的位置为沿光束传播方向扫描BBO晶体的位置时电光取样探测得到的太赫兹波强度最小的BBO晶体的位置。
例如，为精确控制辐射的太赫兹波的偏振方向，在基于双频激光激发空气等离子体产生太赫兹波的机制中，可以将BBO晶体固定在一维精密电动平移台上，通过平移台的移动来精确控制BBO晶体到等离子体的距离。
又例如，也可以通过在BBO晶体和等离子体之间***一对楔形的石英晶体，通过调整其***光束中的位置来精确控制太赫兹波的偏振方向。
相应地，在太赫兹波的偏振态为线偏振，将偏振方向调整为水平方向步骤包括：通过在BBO晶体和等离子体之间加入一对楔形的石英晶体，调整其***光束中的位置将太赫兹波的偏振方向控制为水平方向。
相应地，将太赫兹波的偏振态控制为线偏振，将偏振方向调整为竖直方向步骤包括：通过在BBO晶体和等离子体之间加入一对楔形的石英晶体，调整其***光束中的位置将太赫兹波的偏振方向控制为竖直方向。
在本发明的实施例中，被测样品为与太赫兹波相互作用后引起太赫兹波偏振态发生微小变化的物体。
图3为入射的太赫兹波是水平偏振和竖直偏振两种情况下，透过各向异性泡沫材料的透过率与材料纤维取向的方位角的关系图。透过率和方位角的测算为本领域现有技术，在本发明中不再赘述。
图4为样品的光学照片和对样品进行二维成像的太赫兹效果图。其中，左图为样品的光学照片，样品是由两块厚度均匀但纤维取向不同的航天泡沫粘接而成，阴影部分（成像区域）标明了太赫兹波扫描的区域。右图为对左图样品进行偏振可控成像的太赫兹图像，上部为入射太赫兹波为水平偏振的太赫兹图像，下部为入射太赫兹波为竖直偏振的太赫兹图像。通过对两幅太赫兹图像进行分析，可以获得更多的关于航天泡沫1和航天泡沫2粘结的信息。
本发明的上述成像方法适用于采用电光取样探测方法的差分二极管接收***和焦平面实时成像***。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种利用偏振可控的太赫兹波对样品进行成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为水平方向，测量与被测样品相互作用后的太赫兹波的水平分量；
对所述水平分量的太赫兹脉冲进行分析，得到水平偏振太赫兹波入射的物体图像；
在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为竖直方向，测量与被测样品相互作用后的太赫兹波的水平分量；
对所述水平分量的太赫兹脉冲进行分析，得到竖直偏振太赫兹波入射的物体图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在太赫兹波的偏振态为线偏振，将偏振方向调整为水平方向步骤包括：
移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，将太赫兹波的偏振方向控制为水平方向，其中，所述水平方向对应的位置为沿光束传播方向扫描BBO晶体的位置时电光取样探测得到的太赫兹波强度最大的BBO晶体的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在太赫兹波的偏振态为线偏振时，将偏振方向调整为竖直方向步骤包括：
移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，将太赫兹波的偏振方向控制为竖直方向，其中，所述竖直方向对应的位置为沿光束传播方向扫描BBO晶体的位置时电光取样探测得到的太赫兹波强度最小的BBO晶体的位置。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，通过精密平移台控制移动BBO晶体的位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在太赫兹波的偏振态为线偏振，将偏振方向调整为水平方向步骤包括：
通过在BBO晶体和等离子体之间加入一对楔形的石英晶体，调整其***光束中的位置将太赫兹波的偏振方向控制为水平方向。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将太赫兹波的偏振态控制为线偏振，将偏振方向调整为竖直方向步骤包括：
通过在BBO晶体和等离子体之间加入一对楔形的石英晶体，调整其***光束中的位置将太赫兹波的偏振方向控制为竖直方向。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被测样品为与太赫兹波相互作用后引起太赫兹波偏振态发生微小变化的物体。
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