基于太赫兹喷射效应的高分辨率成像研究

论文摘要

太赫兹(Terahertz,THz)成像技术作为太赫兹波段的关键技术之一,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。然而,根据瑞利判据,常规远场太赫兹成像技术的分辨率受衍射极限(0.61λ/NA)的限制,一般为毫米量级,难以满足实际应用的需求。而现有的太赫兹近场成像技术往往无法克服分辨率的提高与信号通量和光谱信息损失的矛盾。针对这一现象,本论文提出了一种介质半球耦合太赫兹高分辨率成像的方法,利用介质半球耦合太赫兹波产生的太赫兹喷射效应来产生和调控具有亚波长尺寸的太赫兹光场,有望突破衍射极限对显微系统的空间分辨率的限制,获取样品的多维度时域和频域信息。本论文主要包括以下几个部分:首先,基于有限元的数值模拟方法研究了介质半球产生太赫兹喷射波束的传输特性,利用CST软件在不同频率下对不同直径、不同折射率以及复合结构的介质半球进行了仿真,探索了介质半球与太赫兹成像分辨率的关系。仿真结果表明,采用介质半球的结构不仅可以进行高分辨率成像,而且所产生的喷射焦距也比较大(距离球体1.4 mm左右),有利于拓展实验操作空间;采用双层介质结构将聚焦光束直径提高到λ/2左右,但其喷射距离与介质半球相比较短,在0.8 mm左右。为了验证以上模拟结果,实验测量了介质半球耦合太赫兹成像系统的性能,发现经介质半球耦合后,系统的信号通量有明显增强而光谱带宽几乎没有损耗,证明该方法是一种高通量、宽光谱的远场太赫兹高分辨率成像方法。然后我们利用刀口法测量了有无介质半球时的光束直径,发现介质半球将系统的光斑直径缩小了55.1%,系统的分辨率最小达到100μm。最后,利用3 mm聚四氟乙烯介质半球分别对全介质硅光栅和新版100元人民币进行了成像。成像结果表明,加入介质半球后,无论是时域模式还是频域模式均能对光栅条纹和人民币安全线内“100”的字样进行有效分辨,而在自由空间中对该样品进行成像,则无法有效辨别。这说明3 mm的介质半球耦合太赫兹成像可以有效的提高太赫兹系统的成像分辨率。本论文提出的介质半球耦合太赫兹成像方法将常规远场太赫兹成像的分辨率提高一个数量级。另外,该方法操作简单、造价低、对测试样品没有任何限制(介质、金属等都可以),且该方法是一种高通量和宽光谱的成像技术,从而为今后提高太赫兹成像分辨率提供了一个新的思路,对太赫兹波段远场成像分辨率的提高具有重要的意义。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 屈庆山

导师: 崔彬

关键词: 太喷射效应,太赫兹成像,介质半球,空间分辨率

来源: 中央民族大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,电力工业,计算机软件及计算机应用

单位: 中央民族大学

分类号: O441;TP391.41

总页数: 62

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