太赫兹成像技术可以捕捉微观世界的3D图像

拉夫堡大学的科学家首次证明，太赫兹波相机可以捕获隐藏在小物体内的微观物体（um尺度）的3D图像。首席研究员Luana Olivieri博士表示，尽管该研究还处于早期阶段，但该团队的最新研究可能“对癌症筛查、安全和材料研究相关的一系列领域产生重大影响”。

这项研究是与Marco Peccianti教授，Luke Peters博士，Juan S. Totero博士和新兴光子学研究中心（EPicX）的专家团队合作进行的，表明太赫兹波可用于定位和识别微观三维空间中的嵌入式物体和特征，例如裂缝和气泡。该研究已发表在ACS Photonics杂志上。

太赫兹波是电磁频谱中尚未完全探索的一部分，其频率介于微波和红外光之间。它们具有多种特性，例如它们能够穿透不透明物体而不会造成损伤，实现无损穿透成像。然而，太赫兹成像领域的主要问题之一是观察微观物体的能力有限，无论太赫兹光谱有多大，相对较长的太赫兹波长意味着物体的任何亚毫米特征对于标准的衍射极限成像方法几乎是不可见的。

Olivieri博士和EPicX团队通过开发一种称为“时间分辨非线性鬼影成像”的独特方法克服了这一限制，该方法结合了一系列先进的检测方法，涉及操纵光并测量它如何随着时间的推移穿过物体。他们的方法可以更清楚地看到较小的物体，尽管到目前为止，它只被证明适用于2D物体。

他们通过光学整流在1毫米厚的碲化锌（ZnTe）中产生宽带太赫兹脉冲，用来自波长λ = 1nm的100 kHz，800 fs级再生源的超快脉冲照亮晶体。数字微镜阵列器件（DMD）用于对光源进行空间结构，并将光学图案的微米特征印在生成的太赫兹场中。由此产生的太赫兹场分布具有深亚波长空间结构，通过将样品与生成晶体直接靠近（即接触）来与样品进行近场耦合。物体散射场的空间平均值在傅里叶平面的中心被检测到，这是通过窄数值孔径光学系统获得的。该场通过非线性电光采样器（TDS）及时收集，并与标准鬼影成像方法相关联，获得完整的时空函数。

通过TNGI方法进行3D高光谱成像的概念概述：
（a）TNGI成像采集的概念说明。一系列光学图案被非线性（NL）转换为亚波长太赫兹结构场，从而照亮物体。通过单元素TDS检测收集时间分辨平均散射场。在存在具有复杂3D结构的样品的情况下，TNGI重建更接近源的成像平面，而无需对时空数据进行任何后处理。
（b）基于逆向传播器技术的体积重建。高光谱数据中编码的信息通过逆传播算子W（x，y，z）进行分析=(zD，t) 充当虚拟重新聚焦工具。因此，位于样品不同深度z处的体积特征（对应于与源平面的不同距离）以高保真度恢复。

在他们最新的研究中，研究人员证明该技术可以通过用太赫兹辐射探测3mm× 4mm×4um立方体来捕获微观物体的图像。研究人员的成像技术使他们能够分离和区分来自不同深度的信息，并以非常高的精度创建立方体的详细3D图像 – 使他们能够以以前不可能的方式观察其中物体的化学和物理性质。

Olivieri博士和团队能够看到隐藏在小至60um的立方体内部的特征，这大约是人类头发的宽度。虽然它看起来不是很小，但通常太赫兹波只能识别大约300um或更大的物体，这就是太赫兹以前被排除在显微镜之外的原因。

“这种新方法之所以能够实现，是因为它使我们能够看到太小或太模糊而无法达到传统方法的东西，”奥利维耶里博士谈到这项研究的重要性时说：

“阅读光如何穿过物体的故事通常是一项复杂的任务，但通过这个过程，我们可以检索加密的信息，解开多维数据，以揭示微观尺度上的隐藏和’不可见’物体。

“最重要的是，太赫兹使我们能够看穿可见光不透明的物体并产生3D图像。”彼得斯博士补充说：

“在医学上，太赫兹成像可用于检测和诊断肉眼不可见的皮肤癌。

“在安全方面，它可以用来扫描人们是否有隐藏的武器或爆炸物，而无需物理拍打或侵入性搜查。

“在材料科学中，太赫兹成像可用于研究新材料的特性，并识别可能影响其性能的缺陷或杂质。

“我们的工作使我们能够将这些功能扩展到微观领域，这有助于太赫兹技术的应用推广，不局限于宏观尺度的无损检测应用。”

EPicX主任Peccianti教授评论说：“这项工作是作为拉夫堡大学新兴光子学研究中心的一部分开发的，该中心的范围是围绕重大技术经济和社会挑战召集关键核心科学家，并通过光子学和太赫兹技术来应对它们。”

参考引用：

[1] Luana Olivieri et al, Terahertz Nonlinear Ghost Imaging via Plane Decomposition: Toward Near-Field Micro-Volumetry, ACS Photonics (2023).

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