太赫茲（THz）波憑借其可以穿透大多數不透光材料的特點，在對材料中隱藏物體和缺陷的無損探測方面具有顯著的優勢。然而，由于受到成像速度和分辨率的束縛，現有的太赫茲探測系統面臨著成像通量和精度的限制。此外，使用大陣列像素計數成像的基于機器視覺的系統由于其數據存儲、傳輸和處理要求而遭遇瓶頸。

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國加州大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）的科研團隊在Nature Communications期刊上發表了以“Rapid sensing of hidden objects and defects using a single-pixel diffractive terahertz sensor”為主題的論文。該論文第一作者為Jingxi Li，通訊作者為Aydogan Ozcan。

這項研究提出了一種衍射傳感器，該傳感器可利用單像素太赫茲探測器快速探測3D樣品中的隱藏物體和缺陷，從而避免了樣品掃描或圖像形成及處理步驟。利用深度學習優化的衍射層，該衍射傳感器可以通過輸出光譜全光探測樣品的3D結構信息，直接指示是否存在隱藏結構或缺陷。研究人員使用單像素太赫茲時域光譜（THz-TDS）裝置和3D打印衍射層，對所提出的架構進行了實驗驗證，并成功探測了硅樣品中的未知隱藏缺陷。該技術在安全篩查、生物醫學傳感和工業質量控制等方面具有重要的應用價值。

圖1闡述了概念驗證的單像素衍射太赫茲傳感器設計的基本原理。該設計的前向模型可被視為相干光學系統，該系統在2束預設波長（λ?和λ?）下處理空間相干太赫茲波，其中產生的衍射和干涉過程用于缺陷探測任務。

圖1 使用單像素光譜探測器快速探測隱藏物體和缺陷的衍射太赫茲傳感器原理示意圖

為了驗證該無損衍射缺陷探測架構的可行性，研究人員設計了概念驗證的單像素衍射太赫茲傳感器（如圖2所示），可以有效地探測硅材料中的孔隙狀隱藏缺陷（這些缺陷從外表是不可見的）。這種能力在眾多工業應用中受到高度追捧，因為它在確定制造零件/產品的質量、可靠性及性能方面頗具普遍性和重要性。

圖2 用于探測硅晶圓中隱藏缺陷的單像素衍射太赫茲傳感器設計

隨后，為了全面評估該單像素衍射缺陷探測架構的有效性（在決策閾值為0.5的情況下），研究人員對該衍射傳感器的性能指標（如探測靈敏度、缺陷探測精度等）進行了深入分析，分析測試結果如圖3所示。

圖3 用于探測隱藏在硅測試樣品中的缺陷的單像素衍射太赫茲傳感器設計的性能分析

接著，研究人員使用帶有等離激元光導源和單像素探測器的太赫茲時域光譜裝置對該衍射設計進行了實驗驗證（如圖4a），實驗結果如圖5所示。

圖4 單像素衍射太赫茲傳感器的實驗裝置

圖5 利用單像素衍射太赫茲傳感器探測隱藏在樣品內部的缺陷的實驗結果

綜上所述，這項研究提出了一種全光學、端到端的衍射傳感器，用于快速探測隱藏結構。這種衍射太赫茲傳感器具有獨特的架構，由一對編碼器和解碼器構成的衍射網絡組成，每個網絡都承擔著結構化照明和空間光譜編碼的獨特職責，這種設計較為新穎。基于這種獨特的架構，研究人員展示了概念驗證的隱藏缺陷探測傳感器。實驗結果和分析成功證實了該單像素衍射太赫茲傳感器的可行性，該傳感器使用脈沖照明來識別測試樣品內各種未知形狀和位置的隱藏缺陷，具有誤報率極低、無需圖像形成和采集以及數字處理步驟等特點。

編輯：黃飛

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