阅读说明：本技术 用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置 (Terahertz structure light modulation device for super-resolution imaging ) 是由 徐德刚 闫超 王与烨 唐隆煌 贺奕焮 李长昭 孙忠诚 钟凯 姚建铨 于 2018-07-02 设计创作，主要内容包括：一种用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置,包括：激光源,用于产生激光；光调制单元,用于将激光源输入的激光转化为结构化调制光和基频光的组合光；光学非线性增益单元,用于将光调制单元所输入的组合光中的基频光转换为太赫兹波,同时此非线性频率变换过程受到组合光中的结构化调制光的调制；以及太赫兹探测器,对光学非线性增益单元所输出的太赫兹波进行测量,以缓解现有技术中调制损耗较大,调制速率较低,成像光谱带宽过宽,无法做到精细光谱成像,以及系统运转不够稳定、重复性较差等问题。(A terahertz structure light modulation device for super-resolution imaging comprises: a laser source for generating laser light; the light modulation unit is used for converting laser input by the laser source into combined light of structured modulation light and fundamental frequency light; the optical nonlinear gain unit is used for converting fundamental frequency light in the combined light input by the light modulation unit into terahertz waves, and meanwhile, the nonlinear frequency conversion process is modulated by structured modulation light in the combined light; and the terahertz detector is used for measuring the terahertz waves output by the optical nonlinear gain unit so as to solve the problems that the modulation loss is large, the modulation rate is low, the imaging spectral bandwidth is too wide, fine spectral imaging cannot be achieved, the system operation is not stable enough, the repeatability is poor and the like in the prior art.)

用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置

技术领域

本公开涉及非线性光学频率变换，特别是涉及一种用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波段是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于该频段是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，具有很多独特的性质。太赫兹波技术在生命科学、材料科学、固体物理、分子分析、大气探索、化学气体追踪、材料测试、食品检测等国民和国防安全等领域具有广泛的应用前景和价值。

作为太赫兹波技术应用的重要组成部分，太赫兹波成像已经成为了现在的研究热点，相关研究在国土安全、生物医学、半导体芯片制造等领域都有广泛的开展并取得了很多的研究成果。而在传统的太赫兹波成像系统中，受限于太赫兹波的衍射极限，太赫兹波成像的分辨率一般在百微米量级，这对于处于微米或者亚微米尺度的生物细胞、或处于微米甚至纳米尺度的半导体结构来说，显然无法做到足够精细的微观分辨，因此太赫兹波超分辨率成像技术也成为了最新的研究热点。现在的研究一般集中于以下几大类：第一类是基于外部光控实现太赫兹波调制，进而实现太赫兹波超分辨率成像的装置，例如中国专利CN103398777A、CN104457989A、CN106932357A；第二类是基于太赫兹波近场成像的超分辨率成像装置，例如中国专利CN106769994A；第三类是基于金属微结构谐振增强的太赫兹波超分辨率成像装置，例如中国专利CN106645015A；第四类是基于飞秒激光成丝的太赫兹波超分辨率成像装置，例如中国专利CN103411891A。以上前三类都属于太赫兹波外部调制的超分辨率成像，存在调制损耗较大，调制速率较低的固有缺陷，而第四类属于超快太赫兹波的内调制的超分辨率成像，其应用局限于超快太赫兹波领域，存在成像光谱带宽过宽，无法做到精细光谱成像，以及系统运转不够稳定、重复性较差的缺陷。

综合来说，寻找一种基于太赫兹结构光调制技术来实现高效、高速太赫兹波超分辨率成像的装置将成为太赫兹波技术在生命科学、材料科学、分子分析等领域的广泛应用的重要推动力。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置，利用光调制单元能够在太赫兹波辐射源的内部实现对太赫兹波前结构的调制，以缓解现有技术中调制损耗较大，调制速率较低，成像光谱带宽过宽，无法做到精细光谱成像，以及系统运转不够稳定、重复性较差等问题。

(二)技术方案

在本公开中，提供一种用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置，包括：激光源，用于产生激光；光调制单元，用于将激光源输入的激光转化为结构化调制光和基频光的组合光；光学非线性增益单元，用于将光调制单元所输入的组合光中的基频光转换为太赫兹波，同时此非线性频率变换过程受到组合光中的结构化调制光的调制；以及太赫兹探测器，对光学非线性增益单元所输出的太赫兹波进行测量。

在本公开实施例中，所述激光源包括调制激光器和泵浦激光器，所述光调制单元包括：光调制组件，将调制激光器所输入的激光进行空间结构调制生成结构化调制光并输出；以及合束镜，用于将光调制组件所输出的结构化调制光和泵浦激光器所发出的基频光合束并输出。

在本公开实施例中，所述激光源为单个激光器，所述光调制单元还包括：分束镜，将输入的激光分为两束基频光；倍频晶体，将输入的基频光转换为倍频光；第一反射镜，将分束镜所分出的其中一束基频光反射到倍频晶体；滤波单元，用于过滤和收集所述倍频晶体输出的、没有被转换为倍频的基频光；第二反射镜，用于反射所述倍频晶体所输出的经滤波单元后的倍频光至所述光调制组件；以及第三反射镜，用于反射分束镜所分出的另一束基频光至合束镜。

在本公开实施例中，所述光调制组件，包括数字微镜片组、数据采集卡以及计算机，所述数字微镜片组经由计算机控制，对输入的光进行空间结构调制。

在本公开实施例中，所述光学非线性增益单元，包括：非线性晶体，受激产生太赫兹波和斯托克斯光；前腔镜和后腔镜，使所述非线性晶体受激发产生的斯托克斯光在所述前腔镜和后腔镜组成的谐振腔内发生振荡；以及第二光束收集器，用于收集未耗尽的基频泵浦光。

在本公开实施例中，所述滤波单元，包括：滤波镜，用于过滤没有被倍频晶体所倍频的基频光；以及第一光束收集器，用于收集所述滤波镜所过滤后的基频光。

在本公开实施例中，所述非线性晶体的制备材料包括：掺氧化镁铌酸锂，掺杂浓度为5mol％。在本公开实施例中，所述非线性晶体为等腰梯形切割，所述等腰梯形的底角为60°～70°。

在本公开实施例中，光学非线性增益单元中的前腔镜和后腔镜组成的谐振腔为驻波谐振腔，所述前腔镜和后腔镜分别与所述非线性晶体的两侧边平行。

在本公开实施例中，所述太赫兹探测器包括高莱探测器、热释电探测器、液氦冷却低温超导辐射热计、肖特基二极管、光电导开关或电光晶体。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)能够在太赫兹波辐射源的内部实现对太赫兹波前结构的调制，进而实现太赫兹波超分辨率成像。

(2)调制损耗小，调制速率高。

(3)操作简便。

具体实施方式

本公开提供了一种应用于太赫兹超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置及其方法，能够在太赫兹波辐射源的内部实现对太赫兹波前结构的调制，以缓解现有技术中调制损耗较大，调制速率较低，成像光谱带宽过宽，无法做到精细光谱成像，以及系统运转不够稳定、重复性较差等问题。

下面我们以光学参量振荡太赫兹波辐射源为例，说明此类光泵浦太赫兹波内调制装置的技术方案与原理。太赫兹参量振荡(Terahertz Parametric Generation/TerahertzParametric Oscillator，简称TPG/TPO)技术是获得相干可调谐THz辐射源的主要方法之一。该过程的原理是铁电晶体的受激电磁耦子散射机理，在强泵浦光入射晶体后，与晶体中同时具有红外和拉曼活性的A1对称模形成的电磁耦子发生受激作用时，根据能量守恒定律，每消耗一个泵浦光子将同时产生一个与泵浦光子频率相近的斯托克斯(Stokes)光子，和一个与电磁耦子谐振频率相近的太赫兹光子，从而实现太赫兹辐射。同时，在满足非线性相位匹配(动量守恒)条件下，通过改变泵浦光与斯托克斯光的角度，即可实现不同频率的太赫兹波调谐输出。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置，图1为所述的调制装置的组成示意图，如图1所示，所述的调制装置，包括：

激光源100，用于产生激光；

光调制单元200，用于将激光源100输入的激光转化为结构化调制光和基频光的组合光；

光学非线性增益单元300，用于将光调制单元200所输入的组合光中的基频光转换为太赫兹波，同时此非线性频率变换过程受到组合光中的结构化调制光的调制；以及

太赫兹探测器400，对光学非线性增益单元300所输出的太赫兹波进行测量。

通过所述光调制单元200的调制作用，实现不同频率的太赫兹波调制输出。

在本公开实施例中，提供一种激光源为两个激光器的用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置，所述调制装置的激光源有2个激光器，分别为调制激光器和泵浦激光器，调制激光器110产生调制光，泵浦激光器120产生泵浦光，调制光配合数据采集卡，经由计算机进行控制的数字微镜片组261反射，与泵浦光在合束镜280处进行合束，一同输入光学非线性增益单元300，最终利用太赫兹探测器400对太赫兹波进行测量，实现太赫兹波调谐输出。图2为激光源为两个激光器的用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置的组成示意图，如图2所示，所述调制装置包括：

激光源100，包括：调制激光器110和泵浦激光器120；

光调制单元200，包括：

光调制组件260，将调制激光器110所输入的激光进行空间结构调制生成结构化调制光并输出；以及

合束镜280，用于将光调制组件260所输出的结构化调制光和泵浦激光器120所发出的基频光合束并输出。

光学非线性增益单元300，用于将光调制单元200所输入的组合光中的基频光转换为太赫兹波，同时此非线性频率变换过程受到组合光中的结构化调制光的调制；包括：

非线性晶体310，受激产生太赫兹波和斯托克斯光；

前腔镜320和后腔镜330，使所述非线性晶体310受激发产生的斯托克斯光在所述前腔镜320和后腔镜330组成的谐振腔内发生振荡；以及

第二光束收集器(340)，用于收集未耗尽的泵浦光。

太赫兹探测器400，对光学非线性增益单元300所发出的太赫兹波进行测量，进而通过改变泵浦光与斯托克斯光的角度，即可实现不同频率的太赫兹波调谐输出。

在本公开实施例中，所述滤波单元240包括：

滤波镜241，用于过滤没有被倍频晶体220所倍频的基频光；以及

第一光束收集器242，用于收集所述滤波镜241所过滤后的基频光。

在本公开实施例中，所述光调制组件260，包括：

包括数字微镜片组(DMD)261、数据采集卡以及计算机，所述数字微镜片组261经由计算机控制，对输入的光进行空间结构调制。

所述非线性晶体310，其制备材料包括：掺氧化镁铌酸锂，掺杂浓度为5mol％。

在本公开实施例中，所述非线性晶体为等腰梯形切割，所述等腰梯形的底角为60°～70°。

在本公开实施例中，提供一种激光源为单激光器的用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置，图3为激光源为单个激光器的用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置的组成示意图，如图3所示，所述调制装置的激光源有1个激光器，相较于激光源含有两个激光器的调制装置，所述光调制单元200还包括：

分束镜210，将输入的激光分为两束基频光；

倍频晶体220，将输入的基频光转换为倍频光；

第一反射镜230，将分束镜210所分出的其中一束基频光反射到倍频晶体220；

滤波单元240，用于过滤和收集所述倍频晶体220输出的、没有被转换为倍频的基频光；

第二反射镜250，用于反射所述倍频晶体220所输出的经滤波单元240后的倍频光至所述光调制组件260。

在本公开实施例中，泵浦采用Nd:YAG调Q激光器，其输出10Hz、10ns、偏振方向沿z轴的1064nm线偏振光；泵浦光经分束镜分束，其中一路泵浦光激发532nm倍频光，之后532nm倍频光与另一路泵浦光合束射入谐振腔；斯托克斯光谐振腔为驻波谐振腔(斯托克斯光腔镜镀532nm和1064nm高透、1067-1076nm高反膜)，且与非线性晶体侧面平行；非线性晶体为掺氧化镁铌酸锂(MgO:LiNbO₃)晶体，其掺杂浓度为5mol％，等腰梯形切割，底角为65°，对侧面进行光学抛光，晶轴方向与泵浦光偏振方向平行，产生的太赫兹波垂直晶体表面输出；太赫兹波由太赫兹探测器探测，所述探测器包括高莱探测器、热释电探测器、液氦冷却低温超导辐射热计(bolometer)、肖特基二极管、光电导开关、电光晶体等。当输出太赫兹波为1.5THz时，利用数字微镜片组(DMD)对倍频光进行调制，进而实现对太赫兹波前结构的快速调制。

在本公开实施例中，对于太赫兹波辐射的空间域调控效果，提供一调制后的太赫兹成像光斑对比示意图，如图4所示，我们利用扫描成像系统对被调制的太赫兹波光斑进行了测量，可以看出，532nm激光对太赫兹波光斑的调制效果比较明显，在利用数字微镜片组(DMD)对不同532nm激光光斑尺寸进行调制的情况下，太赫兹波光斑的分布也有所不同，随着532nm激光光斑尺寸的增大，太赫兹波光斑能量分布逐渐趋于均匀化。可以预期，基于更多特殊波前结构的太赫兹超分辨率成像也可以取得很好的效果。综上可以看出，本公开利用太赫兹辐射源内调制产生具备特殊结构的太赫兹波前分布，进而实现太赫兹波超分辨率成像，这对推动太赫兹波技术在生命科学、材料科学、分子分析等领域的广泛应用将产生很好的效果。

在双光子吸收过程中，非线性光学介质会同时吸收两个光子来满足自身的能级带隙要求，进而激发出自由载流子。在非线性光学介质发生双光子吸收过程进而引发自由载流子激发之后，自由载流子也会对太赫兹波产生一定的吸收调制效果，在一般情况下，这一相互作用可以采用经典的德鲁德(Drude)模型进行处理。在这一模型中，载流子的运动是相对独立的，除了相互碰撞以及它们对整体的库伦场的贡献之外，载流子之间的相互作用可以忽略。载流子的碰撞是瞬时发生的，两次碰撞之间的时间间隔可以由统计平均碰撞时间τ来描述。τ不随载流子的位置或运动速度而变化。这时，由电磁波驱动的载流子的运动方程可以表示为：

其中m^*代表载流子的有效质量，q是载流子携带的电荷，E电场强度。利用平衡态的性质，可以将τ表示为：

τ＝m^*μ/q，

其中μ是载流子的迁移率。电场E与载流子位移x形成的电偶极矩存在如下的关系：

P＝(ε-ε_∞)ε₀E＝Nqx，

其中ε_∞是高频(相对)介电常数，N是自由载流子密度，ε₀代表真空介电常数，而ε是物质的相对介电常数。将上述的载流子运动方程改写为电极化率的方程，则有如下形式：

其中γ₀＝1/τ是物质中载流子相位相干性的衰减系数。如果不考虑非线性过程，物质与电磁波的相互作用可以表示为其与各个频率的单色电磁波相互作用的叠加。对于每一频率的电磁波，电场和物质的电极化率都可以写作简谐振荡的形式E＝E₀e^iωt和P＝χE₀e^{i ωt}，则上式可以写作：

在这种情况下，通过解上述方程就可以得到物质在该频率的复介电常数：

其中称为物质的等离子体振荡频率，它正比于其中自由载流子密度的平方根

综上可以看出，在非线性光学介质发生双光子吸收过程进而引发自由载流子激发之后，自由载流子会对非线性光学介质在太赫兹波段的介电响应产生强烈的影响，其中吸收系数的变化就会引发太赫兹波在时间域以及空间域的调制效应。

而在2005年由Mats Gustafsson开发并提出的结构光照明显微方法，为宽场显微镜技术实现了分辨率性能上的突破。该方法通过在样本本身或其图像上叠加明确定义的图案来修饰照明光，对所得图像应用计算技术以去除结构光照明的影响，并获得预期的高质量图像。这种方法在过去十多年间迅速发展，已经成为细胞生物学和工程学中对微观物体进行光学切片、超分辨率成像、表面分析和定量相位成像的关键照明技术。

由此可见，基于太赫兹结构光调制的超分辨率成像装置，将会对太赫兹波技术在生命科学、材料科学、分子分析等领域的广泛应用提供重要帮助。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种用于超分辨率成像的太赫兹结构光调制装置，能够在太赫兹波辐射源的内部实现对太赫兹波前结构的调制，以缓解现有技术中调制损耗较大，调制速率较低，成像光谱带宽过宽，无法做到精细光谱成像，以及系统运转不够稳定、重复性较差等问题。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。