摘要：太赫兹（THz））实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域，具有成像速度快、成像分辨率高等特点，基于THz量子 级联激光器（QCL）的实时成像系统是其中最重要的一种，系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THzQCL器件及其实时成像系统的研究进展，采用超半球高阻硅透镜改善了THzQCL的输出激光，实现了准高斯光束输出，搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统，单帧成像光斑面积45mmx30mm，实现了对刀片、药片的实时成像演示，成像分辨率优于0.5mm；最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述，并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学 成像方面的应用前景。

关键词：太赫兹；实时成像；量子级联激光器；焦平面阵列

1. 引言

太赫兹（THz）辐射通常指频率介于1.0~10THz（对应波长30μｍ~3ｍｍ）的电磁波，其研究范畴属于红外光子学与微波电子学交叉领域，也称为宏观电子学向微观光子学过渡的区域。THz成像技术是THz技术中颇具潜力的一个方向，基于THz辐射的特点，如辐射能量低、对非极性和非金属材料透过率高、能量尺度对应于有机和无机材料中振动能级以及大分子结构中的转振能级等，THz成像应用于上述物质时，具有比红外和可见光更好的穿透特性以及比微波毫米波更好的分辨率，这一特点使其在生物医学、安全控制、工业监测、无损检测分析等领域具有广阔的应用前景。

近年来，随着THz辐射源和探测技术的发展，THz成像技术的发展经历了多个阶段并获得不断改进，从基于THz时域光谱（TDS）系统的成像到基于各种辐射源的快速扫描成像，再到基于焦平面阵列探测的实时成像，成像系统的性能得到很大提升，系统的应用水平也不断提高，尤其是THz实时成像系统的出现和完善，将THz成像的速度和精度提高到可实际应用的水平，有望在材料分析、生物医学成像等领域获得重要应用。

本文主要讲述了THz量子级联激光器（quantum cascadelaser,QCL）及其实时成像系统的研究进展，着重对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述，并进一步展望了THz实时成像未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。

2. THz量子级联激光器

THzQCL是1~5THz频段辐射源中非常重要的一种紧凑型激光源，具有体积小、易集成、寿命长、功率高、能量转换效率高等特点。2002年，THzQCL首次由意大利和英国的科学家合作研制成功，当时器件采用啁啾超晶格结构，只能脉冲激射，最大输出功率约23mW，随后人们通过对激光器有源区结构的改进，实现了器件的连续激射，最大输出功率0.41mW。QCL的工作原理如图1所示，器件中的增益介质是由几百层交替生长的半导体薄层材料（通常是GaAs和AI-GaAs，采用分子束外延方法生长）组成，在这种增益介质中电子被限制在分立的子能级中。这些薄层形成周期性的模块，当施加外部电场时，电子通过级联的方式从一个周期到达另一个周期，每一步跃迁辐射出一个低能量的光子（见图1），多个周期辐射出的光子通过级联的方式汇集到一起，在器件脊条形成的腔体中增益后输出。同样的光子能量也不是取决于材料的带隙，而是通过控制半导体薄层的厚度在很宽范围的值里选择。

图1. THz量子级联激光器工作原理示意图

THzQCL的成功研制开启了人们对半导体量子级联THz器件的研究热潮。通过各国研究人员的努力，THzQCL在输出功率、工作温度、工作频率范围等方面均得到了很大的提高。截至目前，器件激射频率可覆盖1.2~5.2THz范围，在连续波工作模式下，最高激射温度为129K，最大输出功率为230mW；脉冲工作模式下，最高激射温度近200K（见图2），最大峰值输出功率达156W。这一点使其成为THZ实时成像系统的首选。器件最近被证明存在亚KHz的量子噪声限线宽，并且也出现了潜在的可调谐性，有望在多频点THz实时成像方面获得应用。就器件而言，THz QCLs在成像能力方面，其辐射功率可超过光学泵浦源和热辐射源好几个数量级；并且其在紧凑型成像系统的潜在发展能力也使我们不再依赖庞大而昂贵的超快激光源或气体激光器。上述吸引人的特性不仅仅促使人们对基于THzQCL的实时成像系统产生极大的研究兴趣，还为进一步改进THz成像技术提供了巨大潜力。

图2. 不同时期THzQCL的最高工作温度

3. 基于THzQCL的实时成像研究进展

THz实时成像以阵列探测器为基础，配以合适的激光光源，当阵列探测器工作在一定帧率的情况下，相邻两帧图像在眼睛看来是连续出现时，我们称之为实时成像（Real-time imaging），当成像帧率达到25Hz甚至更高时，我们称之为视频成像（Video rate imaging）。THz实时成像具有成像速度快和分辨率高等特点，是THz成像应用中颇具潜力的一种成像手段，未来在材料分析、物质反应分析和生物医学成像分析等方面具有重要应用前景。

3.1 红外焦平面阵列探测

早期THz实时成像系统采用二氧化碳气体激光器为激光源，由于气体激光器输出光束质量好，在成像效果上主要受限于阵列探测器的水平。不过气体激光器体积庞大，设备昂贵，使得成像系统一直停留在实验室演示的层面，难以获得实际应用。

图3. 纸质信封中铅笔字可见光照片（a）及其在封闭信封内THz透射（b）和反射（c）成像效果对比和大拇指指纹的可见光照片（d）和THz反射成像（e）效果对比

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5. 结束语

本文主要针对基于THzQCL的实时成像技术，综述了THzQCL及其成像系统的研究进展，采用二维摆镜消干涉光学部件搭建了单帧成像范围45mmx30mm的实时成像系统，实现了对刀片、药片等样品的实时成像演示，分辨率优于0.5mm。重点分析了成像光源需要改善的几个方面，并对成像系统光路的改进和探测端性能的提高进行了讨论。从系统的角度来看，基于 THzQCL的实时成像系统已具备可应用的潜力，但还需要进一步缩小系统体积，优化成像光路和成像光束质量。考虑到THzQCL输出的激光频率范围主要覆盖1.5~5THz，该频段成像分辨率相对较高，且成像光源输出功率大，发展基于THzQCL的显微实时成像技术是未来的重要发展方向。通过探索其在材料分析、生物医学成像等方面的应用，以期在例如癌细胞切除手术、相变材料分析、半导体材料载流子分析中获得应用。