基于空间光调制器和神经网络的脉冲太赫兹辐射快速成像

       太赫兹(THz)时域光谱学(TDS)已经被大量科研人员研究。TDS系统测量太赫兹波的振幅和相位信息，因此可以方便地计算太赫兹复折射率，例如，可以深入了解半导体的电荷-载流子动力学和钙钛矿的晶体质量。此外，飞行时间信息可以用来创建一个3D图像，显示光学不透明材料的近表层结构信息。非电离的太赫兹光子能量也有可能用于癌症诊断。尽管有这些功能，时间分辨太赫兹光谱仪的成像并没有在实验室之外被广泛使用。目前商业的THz-TDS成像系统通过光栅扫描物体或发射探测器对工作，带来机械运动秒大约20 ~ 30个数据像素的缓慢采集。这种缓慢的成像速率对半导体行业没有太大的吸引力，此外在医院使用也不现实。光栅扫描机制通常被用作探测器阵列，可以测量不容易获得的太赫兹波的振幅和相位。尽管将微测辐射热计阵列与数字全息相结合可以实现单频率的相干成像，但它们缺乏THz-TDS所提供的亚皮秒时间分辨率。

        近日，香港中文大学Rayko Ivanov Stantchev等人首次使用卷积神经网络进行太赫兹(THz)成像，结合单像素相机，实现比当前商业系统快10倍的高质量高光谱太赫兹成像，更快的潜力只是受到噪声的限制。利用空间光调制器(SLM)成像依赖于将一组空间模式投射到目标上，并用单像素探测器记录传输过程，并使用光学延迟单元(ODU)获取太赫兹飞行时间信息。这项工作的一个关键突破是同步设备，在投影图案时不需要任何时间来指示ODU移动。这项工作最有趣的方面是，不涉及昂贵的设备，实现更快采集的潜力受到噪声的限制，而不是设备的能力。作者表示，考虑到单像素太赫兹相机的广泛应用，未来的工作将需要专注于更具体应用的光学设计，如皮肤成像或半导体质量控制。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

        文章链接：Rayko Ivanov Stantchev et al, Rapid Imaging of Pulsed Terahertz Radiation with Spatial Light Modulators and Neural Networks,ACS Photonics(2021).https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00634.