太赫兹被称为“改变未来世界的十大科技”之一,在物质传感、无损检测、医学影像、通信等诸多领域显示出广阔的应用前景。然而,受波长制约,太赫兹技术的空间分辨率很难突破亚毫米量级,严重制约了其在精准影像诊断和微观领域的应用。因此,超衍射分辨是太赫兹科技和产业发展必须攻克的关键技术之一。
1995年,美国马里兰大学利用纠缠光子对,首次在实验上实现了量子鬼成像。
2002年,美国罗切斯特大学基于氦氖激光器作为光源实现了对目标的鬼成像,将鬼成像技术从量子领域推广到经典领域。
2008年,麻省理工从理论上提出了基于空间调制测量和单像素探测器实现鬼成像的方案;同年,美国莱斯大学实验上实现了该方案,即为计算鬼成像。由于该方案仅需一个不具有空间分辨能力的探测器,又被称为单像素成像。
2016年,英国埃克斯特大学将近场感知理论与计算鬼成像相结合,首次实现了超衍射分辨的太赫兹波计算鬼成像,为太赫兹超衍射分辨技术提供了一条技术途径。不同于焦面像阵成像方式,鬼成像通过光场的关联运算来获得物体的空间或相位分布。
基于此技术思路,2018年研究人员基于相变纳米薄膜材料二氧化钒的光致金属-绝缘相变特性,利用DMD空间编码的飞秒激光激发厚度为180 nm的二氧化钒薄膜,实现对相干太赫兹脉冲高效的空间调制,并使其在调制的近场区域与目标物相互作用,实验上实现了4.5μm空间分辨率的太赫兹波计算鬼成像(图1),首次通过计算鬼成像的方法将空间分辨率提升到小于百分之一波长。

▲ (图1)二维太赫兹超衍射分辨成像
2019年,研究人员将近场理论、计算鬼成像技术和电光采样技术三者相结合,实现了62μm空间分辨率,并消除了对太赫兹波空间调制器的依赖,简化了系统。
2020年研究人员将太赫兹辐射阵列源、近场感知、计算鬼成像和飞行时间成像相结合,实现了太赫兹三维超衍射分辨成像(图2)。同时,该技术保留了太赫兹波的时域信息,可以通过傅里叶变换获得太赫兹指纹谱信息,在获得目标形态学图像的同时实现对目标物质成分的识别与分析,应用潜力极大。

▲ (图2)三维太赫兹超衍射分辨成像
目前,国际上已经提出并实现了诸多太赫兹超衍射分辨技术,相比较而言,本文所介绍的超衍射分辨技术在能量利用率和成像速度方面具有明显的优势(详见图3),这些优势使该技术具有更广阔的应用前景。例如,其细胞尺度的分辨能力、图谱合一的成像特性和更快的成像速度,使其相对于其它太赫兹超衍射技术更适合医学病理诊断。未来将继续提升其在信噪比、成像速度和图谱解析等方面的性能,以及针对应用场景的智能算法与产品开发,以推进太赫兹超衍射分辨鬼成像技术的实际应用。

▲ (图3)几类超衍射分辨成像技术的对比
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