研究背景

太赫茲波是介于紅外與毫米波之間，尚未充分利用的電磁頻譜。由于太赫茲波與物質(zhì)的相互作用，如分子轉(zhuǎn)動(dòng)、自旋波等，許多材料存在指紋譜特征。獲取太赫茲頻段的光譜空間信息，在生物醫(yī)學(xué)診斷、制藥工業(yè)和安全檢查等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，盡管相干探測(cè)器陣列和太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)等太赫茲光譜成像技術(shù)取得了一定發(fā)展，復(fù)雜的系統(tǒng)和高昂的成本限制了這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

近年來，基于壓縮感知的計(jì)算成像技術(shù)得到了廣泛研究。它通過空間光調(diào)制器對(duì)光場進(jìn)行編碼，結(jié)合壓縮感知算法對(duì)單像素探測(cè)器采集的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算重建。在太赫茲頻段，壓縮感知成像技術(shù)降低了太赫茲光譜成像的門檻和成本。太赫茲空間光調(diào)制器是壓縮感知成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。近年來，基于超表面的太赫茲空間光調(diào)制器涌現(xiàn)出來，在太赫茲壓縮感知成像中展現(xiàn)了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

由于液晶材料的電光效應(yīng)和低介質(zhì)損耗，非常適合開發(fā)太赫茲可編程器件。基于液晶的可編程器件在太赫茲波束賦型等領(lǐng)域引起了研究人員的極大興趣。太赫茲液晶器件的制備工藝與液晶顯示產(chǎn)線兼容度高，具有低成本的優(yōu)勢(shì)。盡管如此，目前液晶可編程器件在工作帶寬、速度、調(diào)制深度等方面仍然存在不足。此外，在太赫茲壓縮感知成像中，各像素調(diào)制深度不一致性會(huì)對(duì)成像質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。

鑒于此，近日，南京大學(xué)吳培亨院士課題組的金飚兵教授聯(lián)合電子學(xué)院、現(xiàn)代工學(xué)院以及紫金山實(shí)驗(yàn)室多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，研制出液晶太赫茲空間光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了雙色壓縮感知成像；開發(fā)了自校準(zhǔn)算法，克服了光源和像素不一致性的不利影響，提升了成像質(zhì)量；提出了頻率切換的壓縮感知成像方法，將成像時(shí)間縮短50%。

研究內(nèi)容

研究人員設(shè)計(jì)了一種電壓調(diào)控的液晶太赫茲空間光調(diào)制器。單元采用了金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)型的超表面吸收器結(jié)構(gòu)，雙頻液晶作為介質(zhì)層被封裝在兩層金屬結(jié)構(gòu)中間。利用液晶的電光效應(yīng)，當(dāng)施加電壓液晶的介電常數(shù)從2.8變化到3.5時(shí)，吸收點(diǎn)的頻率偏移了約30 GHz，在兩個(gè)諧振點(diǎn)都可以獲得了較大的調(diào)制深度。器件的工作原理如下圖1所示。

圖1：太赫茲空間光調(diào)制器工作原理

研究人員對(duì)制備的器件進(jìn)行了反射譜和調(diào)制深度的測(cè)試。當(dāng)施加電壓偏置后，諧振點(diǎn)發(fā)生了約20 GHz的頻率偏移，在兩個(gè)諧振頻點(diǎn)(f1和f2)調(diào)制深度均大于70%。由于f1和f2反射和吸收狀態(tài)恰好相反，因此兩個(gè)頻點(diǎn)處的投影是互補(bǔ)的。通過掃描成像的方法得到了清晰的投影成像，驗(yàn)證了器件具有良好的太赫茲波空間調(diào)制能力，具體如圖2所示。

圖2：a.器件的性能表征，b和c不同頻率下字母N的投影像

由于頻率點(diǎn)f1和f2均具有較高的調(diào)制深度，因此可以利用這兩個(gè)頻率點(diǎn)分別進(jìn)行壓縮感知成像。為了驗(yàn)證其對(duì)色散物體的成像效果，研究人員設(shè)計(jì)了在f1和f2處具有不同色散特性的超材料單元，并由這兩種單元組合成具有一定圖案的成像物體。在f1和f2處分別進(jìn)行了壓縮感知成像，獲得了與預(yù)期相同的像，并合成出偽彩色光譜像。

此外，研究人員提出了自校準(zhǔn)算法(ACS)，對(duì)太赫茲源和空間調(diào)制器各像素的非均勻性進(jìn)行校準(zhǔn)。在建立的成像模型中，上述非均勻性因素被考慮進(jìn)來。通過模型求解，可以實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)的自校準(zhǔn)和圖像重建同步進(jìn)行。和傳統(tǒng)壓縮感知成像算法相比，ACS算法成像質(zhì)量明顯更優(yōu)，具體如圖3所示。

圖3：a超材料組成的色散成像物體，b和c不同頻點(diǎn)和算法下的成像結(jié)果

在壓縮感知成像中,為了獲得含有1和-1元素的Hadamard矩陣，需要施加正碼和反碼掩膜各測(cè)一次并進(jìn)行互減，正反碼的切換增加了成像時(shí)間。該液晶器件在同一幀掩模下，在頻率f1和f2處，正好互為正反碼，研究人員由此提出了頻率切換的壓縮感知成像方法。通過切換太赫茲源的頻率，在同一幀掩模下獲得正反碼，從而實(shí)現(xiàn)Hadamard矩陣編碼。對(duì)于液晶空間光調(diào)制器，掩模的切換時(shí)間遠(yuǎn)大于太赫茲源的頻率切換時(shí)間，因此成像時(shí)間可以減少一半。成像結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)非色散物體的壓縮感知成像。運(yùn)用自校準(zhǔn)成像算法，可以將成像信噪比提升456%，極大提高這一方法的實(shí)用性，具體如圖4所示。

圖4：a頻率切換壓縮感知成像原理，b銅箔紙樣品成像結(jié)果。

總結(jié)

該工作提出了一種8×8陣列的液晶太赫茲空間光調(diào)制器，兩個(gè)工作頻點(diǎn)調(diào)制深度均大于70%，并實(shí)現(xiàn)了太赫茲投影成像、雙色壓縮感知成像、頻率切換壓縮感知成像。此外，提出了一種ACS成像算法，極大提高了成像質(zhì)量。液晶太赫茲空間光調(diào)制器的發(fā)展，為低成本實(shí)用化的太赫茲光譜成像技術(shù)提供可能的途徑。

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審核編輯：湯梓紅