基于光子学的太赫兹幅度成像技术研究

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太赫兹波(THz)位于微波和红外波段之间,其波长在3mm至0.03mm的范围内(0.1THz~10THz)。由于炸药、化学和生物制剂等在太赫兹范围内具有独特的反射光谱,而且太赫兹波对非极性材料和介电材料具有穿透性以及对生物组织不会造成损害,所以太赫兹波在成像领域具有广阔的应用前景。在过去十年中,随着THz器件技术的不断进步,THz成像技术得到了快速发展。在太赫兹成像系统中,一种产生太赫兹载波的方法是基于微波倍频的电子学方式。但是,此方法存在系统带宽的限制,严重的系统失真与相位噪声等问题。相比之下,光子学方法通过两个中心频率差为THz频率的光载波在单行载流子光电二极管(UTC-PD)中进行拍频产生THz信号,避免了电子学的多次倍频过程,没有多余杂波产生,具有较大的系统带宽。一般地,光生太赫兹成像系统可分为标量成像系统和矢量成像系统。矢量成像系统测量样本的幅度和相位信息,而标量成像系统仅处理幅度信息。相比较而言,矢量成像系统恢复测量样本的矢量信息需要额外的计算工作量,对矢量信息的精度要求很高,标量成像系统则简单,易于实现。但是,通常光生太赫兹的功率较小,而且由于光源的不稳定性,使产生的太赫兹频率发生漂移。在接收端由于太赫兹频率不稳定导致信号质量的下降,影响成像质量。针对上述问题,本论文提出基于双边带调制的光生太赫兹幅度成像系统方案。将被测样品信息转移到调制信号上,能够有效消除由于太赫兹频率漂移对成像质量造成的影响。在双边带调制的基础上,分析了非抑制载波双边带调制的成像方案,验证了该方案相比于抑制载波双边带调制方案能够有效地提高太赫兹接收功率。论文首先分别介绍光生太赫兹幅度成像系统的关键器件及其工作原理,包括电光调制器、太赫兹光电探测器以及太赫兹接收器等关键器件。然后,分析系统中各模块的实现技术路线,包括前端设计、空间光路设计、接收机设计以及软件设计等。本论文从理论上分析了非抑制载波双边带调制方式的太赫兹接收功率大于抑制载波双边带调制方式,并开展了载频300GHz,调制频率12GHz的太赫兹幅度成像验证实验,并证实了非抑制载波双边带调制方式的成像系统相对而言会有接收功率上的优势。根据样品厚度测量的实验结果,估计出样品厚度的成像误差最大为0.46mm。本论文期望为太赫兹连续波幅度成像提供一种宽带易调谐的技术思路。
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