基于QCL和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统

基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统
技术领域
1.本系统涉及太赫兹成像领域，具体涉及一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统。


背景技术：

2.量子级联激光器(qcl)有别于半导体激光器，其激射波长是由导带中子带间的能级间距决定的，可以通过调节量子阱/垒层的厚度改变子带间的能级间距，从而改变激射波长。因此qcl输出的激光波长可以覆盖到传统激光机难以覆盖到的thz波段。本成像系统所使用的太赫兹光源为中国科学院半导体所制作的波长为3.7thz的qcl。
3.高莱盒(golay cell)是能够在室温下工作的太赫兹功率探测器，其原理为使用气室吸收入射的太赫兹波的能量，气体温度升高引起气室壁的薄膜形变，再测量薄膜形变程度来间接记录接收太赫兹波的功率。
4.现有太赫兹透射成像技术中，基于单频太赫兹的成像系统均使用准直光束照射整个样本，用太赫兹相机实现二维成像。这样的系统拥有很快的成像速度，然而光束能量分散在整个目标上，对于每个目标点的透射功率不足，这导致成像分辨率和信噪比较低；另一方面，这种成像系统也对目标厚度和太赫兹源的功率提出了很高要求，难以将成像系统轻便化。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，其为单频太赫兹聚焦透射成像系统，以实现对薄片状样本的太赫兹透射率高分辨成像。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，包括：
8.作为太赫兹光源的qcl，其发出点光源；
9.用于准直光束的球面透镜，所述球面透镜放置在点光源之后的一倍焦距位置，将点光源发出的球面光准直为平行光束；
10.用于汇聚光束的非球面透镜，将平行光束聚焦于样本平面的一点；
11.放置在非球面透镜之后一倍焦距处的样本，其由二维扫描台驱动，在垂直于光轴的平面二维移动以使得整个样本被扫描；
12.紧贴样本后方的太赫兹功率探测器，以减小透射过样本的太赫兹光散射、衰减引发的误差；
13.信号发生器、电流源，用于给光源提供信号和能源；
14.锁相放大器，用于接受太赫兹功率探测器信号；
15.计算机，用于成像控制和图像生成。
16.进一步地，所述qcl的输出波长为3.7thz，由电流源驱动，在液氮冷却环境下工作，
其输出口处设置一直径为2mm的小孔以使其为发出球面光的点光源。
17.进一步地，所述非球面透镜的形状是基于偶次曲线的通式，使用光线追迹算法和有限元分析法优化得到通式的参数值；对非球面透镜的优化目的为将聚焦光束的束腰半径最小化。
18.进一步地，所述非球面透镜的材质为tpx，其在太赫兹波段和可见波段均为透明的。
19.进一步地，所述非球面透镜的形状满足以下条件：非球面透镜是旋转对称的，其在平面内的形状由上下两条偶次曲线围成，去除两条偶次曲线围成区域中，距轴线10mm以上的部分；其中两条偶次曲线均满足以下通式：
[0020][0021]
其中，r为距离主光轴的半径，是方程的自变量；a1为二阶系数，a2为四阶系数，a3为六阶系数，a4为八阶系数，a5为十阶系数，a6为十二阶系数，d为主光轴截距，c为曲率，k为圆锥系数。
[0022]
进一步地，设置平面反射镜以折叠光路。
[0023]
从上述技术方案可以看出，本发明的基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，具有以下有益效果：
[0024]
(1)太赫兹光路结构简单，无需校准大量光学元件，系统鲁棒性较高；
[0025]
(2)采用高莱盒作为太赫兹功率检测仪，单点采样速度快，只需100ms即可完成一个样本点的太赫兹透射功率采集；
[0026]
(3)使用特殊设计的非球面透镜作为聚焦透镜，可以使聚焦光束的束腰半径小于波长，令成像系统拥有近似于波长的高分辨率。
附图说明
[0027]
图1为本发明的基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统结构示意图；
[0028]
图2为本发明的非球面透镜的形状剖面图；
[0029]
图3为本发明的非球面透镜电场强度仿真的轴向分布图；
[0030]
图4为本发明的非球面透镜电场强度仿真的横向分布图；
[0031]
图5为本发明的非球面透镜焦点处实测横向光强分布图，虚线表示光强为最大值1/e2的光强值，曲线截取虚线的长度即为束腰半径的二倍；
[0032]
图6为本发明的一具体实施例对硅基底镀金的西门子星形状的样本成像结果图，左侧图像尺寸为10mm，右侧图像为左侧图像中心处放大示意图，图像尺寸为1.2mm；
[0033]
图7为本发明的一具体实施例对干燥的家兔肝脏厚度为100微米的组织切片成像图(左)与实物图(右)。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035]
本发明的基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统所使用的单频太赫兹发射器qcl和用于聚焦的非球面透镜都旨在保证成像系统复杂度不高的同时获得波长量级的高分辨率。
[0036]
如图1所示，本发明的基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统包括：
[0037]
作为太赫兹光源的量子级联激光器(qcl)，输出波长为3.7thz，其由电流源驱动，需在液氮冷却环境下工作，其输出口处放置一直径为2mm的小孔以使光源为可以发出球面光的点光源。
[0038]
用于准直光束的球面透镜，该球面透镜应放置在光源点之后的一倍焦距位置，其作用为将点光源发出的球面光准直为平行光束。
[0039]
用于汇聚光束的非球面透镜，由于光束已被准直，理论上非球面透镜可以放置在准直透镜之后的任意位置，但实际中考虑到太赫兹光在空气介质中的衰减，两透镜的间距不宜太远，其作用为将平行光束聚焦于样本平面的一点。非球面透镜的形状是基于偶次曲线的通式，根据本实施例的要求，使用光线追迹算法和有限元分析法优化得到的参数值。对非球面透镜的优化目的为将聚焦光束的束腰半径最小化，对于不同的具体实施例，优化得到的参数无需确切等于本具体实施例中的参数值。
[0040]
非球面透镜的形状满足以下条件：非球面透镜是旋转对称的，其在平面内的形状由上下两条偶次曲线围成，去除两条偶次曲线围成区域中，距轴线10mm以上的部分。其中两条偶次曲线均满足以下通式：
[0041][0042]
其中，r为距离主光轴的半径，是方程的自变量，各参数的含义如表1所示：
[0043]
表1
[0044][0045]
对于非球面透镜的上下表面，各参数的值如表2所示(其中r为曲率c的倒数，即曲率半径)：
[0046]
表2
[0047][0048]
非球面透镜剖面形状如图2所示，图中z轴为透镜的旋转对称轴，在成像系统中需与主光轴共线；o点为非球面透镜接近光源一侧的顶点，x轴为透镜剖面图中透镜直径的方向。该透镜直径为20mm，边缘厚度为4.677mm。
[0049]
该非球面透镜聚焦的光束为高斯光束，其束腰半径反映了焦点处光束的半径(以
中央光强的1/e2为边界)，可以认为束腰半径就是焦点照射在样本平面上光斑的半径，经非球面透镜聚焦的光束束腰半径直接决定了成像系统的横向分辨率，如图3所示。此非球面透镜的设计目标为获得尽可能小的束腰半径，实际上，该非球面透镜的束腰半径模拟值为69.9μm(可由图4得出)，测量值为73μm(在图5中标注)，模拟值与测量值十分接近，低于所用太赫兹波的波长(80μm)。
[0050]
非球面透镜在成像系统中摆放方向为：太赫兹光束从下表面(较为突出)入射，向上表面(较为平滑)汇聚。
[0051]
放置在非球面透镜之后一倍焦距处的样本，其由二维扫描台驱动，可以在垂直于光轴的平面二维移动以扫描整个样本；
[0052]
紧贴样本后方的太赫兹功率探测器，将其置于紧贴样本的后方，以减小透射过样本的太赫兹光散射、衰减引发的误差。太赫兹功率检测器为高莱盒(golay cell)。
[0053]
用于给光源提供信号和能源的信号发生器、电流源，用于接受太赫兹功率探测器信号的锁相放大器，用于成像控制和图像生成的计算机。其中，电流源根据信号发生器提供的电压信号，输出1.8a电流驱动太赫兹光源。锁相放大器接收来自太赫兹功率检测器的信号，放大后传输至计算机。
[0054]
以上光学装置，除样本外，光源、小孔、球面透镜、非球面透镜和太赫兹功率检测器的主光轴均调至共线。光路中，为了器件摆放方便可以放置平面反射镜，对成像系统没有影响。
[0055]
使用该成像系统的一具体实施例，对不同样本分别进行成像效果如图6，图7所示。图6为对硅基底镀金的西门子星形状的样本成像结果图，左侧图像尺寸为10mm，右侧为中心处放大，图像尺寸为1.2mm。图7为对干燥的家兔肝脏厚度为100微米的组织切片成像图与实物图对比。
[0056]
综上所述，本发明设计了一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，实现了相近于波长的高分辨率。并且本发明相较于thz-tds，系统复杂度大大降低，采样速度大大加快，在生物组织薄片的成像鉴定领域右很高的应用价值。
[0057]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，其特征在于，包括：作为太赫兹光源的qcl，其发出点光源；用于准直光束的球面透镜，所述球面透镜放置在点光源之后的一倍焦距位置，将点光源发出的球面光准直为平行光束；用于汇聚光束的非球面透镜，将平行光束聚焦于样本平面的一点；放置在非球面透镜之后一倍焦距处的样本，其由二维扫描台驱动，在垂直于光轴的平面二维移动以使得整个样本被扫描；紧贴样本后方的太赫兹功率探测器，以减小透射过样本的太赫兹光散射、衰减引发的误差；信号发生器、电流源，用于给光源提供信号和能源；锁相放大器，用于接受太赫兹功率探测器信号；计算机，用于成像控制和图像生成。2.根据权利要求1所述的一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，其特征在于，所述qcl的输出波长为3.7thz，由电流源驱动，在液氮冷却环境下工作，其输出口处设置一直径为2mm的小孔以使其为发出球面光的点光源。3.根据权利要求1所述的一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，其特征在于，所述非球面透镜的形状是基于偶次曲线的通式，使用光线追迹算法和有限元分析法优化得到通式的参数值；对非球面透镜的优化目的为将聚焦光束的束腰半径最小化。4.根据权利要求1所述的一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，其特征在于，所述非球面透镜的材质为tpx，其在太赫兹波段和可见波段均为透明的。5.根据权利要求1所述的一种基于qcl和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，其特征在于，所述非球面透镜的形状满足以下条件：非球面透镜是旋转对称的，其在平面内的形状由上下两条偶次曲线围成，去除两条偶次曲线围成区域中，距轴线10mm以上的部分；其中两条偶次曲线均满足以下通式：其中，r为距离主光轴的半径，是方程的自变量；a1为二阶系数，a2为四阶系数，a3为六阶系数，a4为八阶系数，a5为十阶系数，a6为十二阶系数，d为主光轴截距，c为曲率，k为圆锥系数。

技术总结
本发明提供一种基于QCL和非球面透镜的单频太赫兹聚焦透射成像系统，其由量子级联激光器(QCL)发出单频太赫兹光，经过准直透镜形成准直光束，非球面透镜将准直光束汇聚在样本平面，使用太赫兹功率检测仪(高莱盒)紧贴样本后方检测透射过样本的太赫兹功率，将样本二位扫描可以实现样本的二维太赫兹透射成像。系统中非球面透镜采用TPX材质，其在较大数值孔径的条件下，相比普通球面透镜、抛物面透镜拥有更小的像差，在该系统中可以将聚焦光束的束腰半径缩小至波长以下，有助于提高成像分辨率。有助于提高成像分辨率。有助于提高成像分辨率。


技术研发人员：吴世有 万知航 赵萌 李超 刘小军 方广有
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/13