超寬帶無(wú)色差超分辨廣角太赫茲成像透鏡

鑒于太赫茲信號(hào)的高穿透性和非電離特性，其在生物醫(yī)學(xué)成像，生物傳感，無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景，如早期癌癥組織的識(shí)別和觀測(cè)，特定化學(xué)成分的鑒定，復(fù)合材料中微裂紋和空氣泡的檢測(cè)，已有眾多學(xué)者和企業(yè)投身于相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)工作中。但是太赫茲成像系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)受制于傳統(tǒng)介質(zhì)透鏡的強(qiáng)色差，強(qiáng)球差和低分辨率等問(wèn)題，導(dǎo)致成像質(zhì)量與實(shí)際應(yīng)用需求之間仍有較大差距。尤其是對(duì)于0.3 THz以上的成像系統(tǒng)，急需研發(fā)出超分辨率成像系統(tǒng)的解決方案。

基于上述需求，香港城市大學(xué)太赫茲與毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功研制了超寬帶無(wú)色差超分辨廣角太赫茲成像透鏡，并在生物成像和無(wú)損檢測(cè)方面做出了應(yīng)用示范。相關(guān)成果以“3D-printed aberration-free terahertz metalens for ultra-broadband achromatic super-resolution wide-angle imaging with high numerical aperture”發(fā)表在《Nature Communications》。該研究創(chuàng)造性地提出并設(shè)計(jì)了徑向梯度周期性超材料，以實(shí)現(xiàn)超高工作帶寬下的超分辨率成像，并同時(shí)消除色差與彗差。

該太赫茲超透鏡是由復(fù)雜且精密的徑向梯度周期性超材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)是通過(guò)摩方精密microArch^® S230 (精度:2 μm) 高精密3D 打印系統(tǒng)制備完成。

圖1. 3D打印的超寬帶超分辨無(wú)色差廣角太赫茲成像透鏡。

在太赫茲超透鏡的基礎(chǔ)上，將二個(gè)太赫茲超透鏡沿著焦點(diǎn)對(duì)稱放置，構(gòu)造全新的太赫茲超分辨成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在單個(gè)太赫茲超透鏡聚焦精度的基礎(chǔ)上可將分辨率提升1.5倍，進(jìn)一步增強(qiáng)了該系統(tǒng)對(duì)亞毫米組織細(xì)節(jié)的分辨能力。圖1中展示了該太赫茲超透鏡的消色差、消彗差特性，并對(duì)其在無(wú)損檢測(cè)和生物成像中的應(yīng)用做了藝術(shù)展示。

圖2. 3D打印太赫茲超透鏡無(wú)色差無(wú)彗差超分辨聚焦特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為測(cè)量0.2THz~0.9THz范圍內(nèi)的電場(chǎng)分布，研究團(tuán)隊(duì)采用Anritsu MG3697C信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生射頻輸入信號(hào)，依次送入信號(hào)發(fā)生器擴(kuò)展器（SGX）模塊VDI WR5.1、3.4、2.2、9.0、1.0，通過(guò)相應(yīng)的喇叭產(chǎn)生覆蓋0.2~0.9 THz范圍的線性極化THz信號(hào)。由一個(gè)VDI WR9.0 SGX和兩個(gè)乘法器（WR4.3×2和WR1.5×3）組成的乘法器鏈產(chǎn)生0.5~0.75 THz范圍內(nèi)的信號(hào)。相關(guān)接收組件依次為信號(hào)分析儀擴(kuò)展器（SAX）模塊VDI WR5.1、3.4、2.2、1.5、1.0，方便通過(guò)相應(yīng)的探頭檢測(cè)THz信號(hào)。這些接收組件被固定在一個(gè)二維電動(dòng)平臺(tái)上，由計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)步長(zhǎng)為 0.1 mm。通過(guò)使用信號(hào)分析儀 KEYSIGHT N9030A 處理和記錄接收到的 THz 信號(hào)，可以獲得二維電場(chǎng)分布。對(duì)于離軸聚焦的測(cè)量，SGX 模塊 VDI WR9.0 和兩個(gè)倍增器（WR4.3×2 和 WR1.5×3）被安裝在轉(zhuǎn)盤上，精確地定位在所制作的超透鏡的中心。這種布置便于調(diào)整 SGX 模塊產(chǎn)生的 THz 波的入射角，范圍從 0° 到 90°。因此，可以通過(guò)該裝置測(cè)量離軸聚焦。

圖3. 3D打印太赫茲超透鏡超分辨成像的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖 3a 中展示的成像系統(tǒng)原理如下：從對(duì)角喇叭天發(fā)射 y 極化 THz 波，入射到超透鏡 1（M1）上，以在樣品上形成焦點(diǎn)。隨后，超透鏡 2（M2）負(fù)責(zé)準(zhǔn)直 M1 產(chǎn)生的聚焦光束。最終，THz 信號(hào)由接收（Rx）喇叭天線收集，如圖 3a 所示。與單超透鏡配置相比，這種雙超透鏡設(shè)置可顯著提高成像分辨率。工作頻率設(shè)置為 0.7 THz，以在 FWHM 和效率之間取得微妙的平衡。成像樣品位于 M1 和 M2 的共焦平面上，并安裝在計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)臺(tái)上，以便于 2D光柵掃描。隨后對(duì)收集到的 2D 功率數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以生成成像場(chǎng)景映射。在評(píng)估成像性能之前，必須進(jìn)行校準(zhǔn)程序，該程序需要在沒(méi)有超透鏡和安裝樣品的情況下評(píng)估總損耗。該評(píng)估包括路徑損耗（從 Tx 到 Rx）和 VDI 設(shè)備引入的轉(zhuǎn)換損耗 。該校準(zhǔn)程序用于對(duì)樣品的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反卷積，從而抵消測(cè)量不準(zhǔn)確性并增強(qiáng)成像對(duì)比度。

為了展示廣角成像性能，該系統(tǒng)在 xz 平面上采用了一個(gè) 360° 旋轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)稱安裝的 Tx 和 Rx 可實(shí)現(xiàn)任意角度 (θ) 入射，確保離軸成像的靈活性。超透鏡精確定位在中央，以確保任意入射角的全面照明和準(zhǔn)直。此外，兩個(gè)透鏡 (dx 和 dz) 之間的位移根據(jù)圖 2e 中評(píng)估的焦距偏移進(jìn)行精心調(diào)整，保證相應(yīng)入射角的最佳聚焦。

在成像實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)隱藏在介質(zhì)板下的精密電路結(jié)構(gòu)、帶缺陷的光柵結(jié)構(gòu)以及新鮮樹(shù)葉進(jìn)行了超分辨成像?？删_識(shí)別出光柵結(jié)構(gòu)中0.1 mm量級(jí)的缺陷，電路中間距為0.2 mm的微帶線路，介質(zhì)板內(nèi)部的紡織狀條紋，樹(shù)葉中的組織紋理。

圖4. 入射角度為 θ = 15°、30°、45°的成像性能比較。

總結(jié)：在本項(xiàng)研究中研發(fā)的超寬帶無(wú)色差超分辨廣角太赫茲成像透鏡，在0.2到0.9THz的超寬帶范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)值孔徑0.555的無(wú)色差超分辨聚焦，90度的大視場(chǎng)角，并能對(duì)間距0.2mm的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高分辨的識(shí)別。該項(xiàng)成果極大的推進(jìn)了太赫茲成像技術(shù)的發(fā)展，突破了消色差透鏡系統(tǒng)復(fù)雜，分辨率低，大數(shù)值孔徑與大工作帶寬不可兼容，消色差與消彗差不可兼容等技術(shù)難題。為新一代緊湊可集成的太赫茲成像系統(tǒng)的研發(fā)提供了全新的技術(shù)路徑。