太赫兹(Terahertz,THz)波指频率处于0.1—10 THz之间的电磁辐射,太赫兹科学与技术经过近20年的发展,为研究物理、化学、生物、医学、材料等物质科学带来许多应用,是“改变未来世界的十大科技”之一。太赫兹波由于其独有的诸如指纹谱,高透性,非电离光子能量(1 THz～4 meV),带宽较宽等优越性质,在诸如物质传感、无损检测、生物探测、高速无线通讯(6G)等诸多领域有着广泛的应用前景。特别地,在太赫兹波成像方面,可实现化学识别、安检成像、工业检测、生物组织(比如肿瘤组织)表征/诊断等应用。但是,传统的太赫兹成像会受到Rayleigh衍射极限的制约,其空间分辨率极限被限制在波长量级(1 THz～300 μm),难以突破毫米水平,这大大限制了太赫兹成像在微观领域的应用。区别于远场成像,在近场利用倏逝波对目标进行感知是突破Rayleigh衍射极限的一种有效途径。目前国际上发展的近场太赫兹超衍射分辨技术主要有近场机械扫描式和近场电光采样式两种,它们虽然都能实现太赫兹波超分辨成像,但其中前者具有对样品存在侵入式干扰、因机械移动带来的系统不稳定性、扫描时间较长、系统参数无法灵活调节(“固态”机械结构针对单一成像场景设计)等缺点;而后者依赖LiNbO3光整流的方法,存在依赖激光放大级、系统环境要求高等缺点,此外为了保证电光采样的效率,电光晶体厚度不能过薄,这使得系统的空间分辨率大约限制在几十微米量级而无法继续突破。为了让太赫兹成像系统能够深度地打破衍射极限,同时还具有无侵入式影响、成像速度快、应用场景广、成像参数灵活可调节等优点,本学位论文提出结合近场感知理论和鬼成像技术,发展一种太赫兹波超衍射分辨鬼成像显微系统,我们围绕该系统,主要开展的工作有:(1)提出将薄膜材料二氧化钒(VO2)作为空间太赫兹波调制器,利用空间飞秒激光诱导其发生光致相变,实现对太赫兹波的近场空间编码,再结合计算鬼成像(单像素成像)的方法,最终实现对目标的超分辨太赫兹成像。在实验上,我们利用厚度为180 nm的VO2,对目标实现了超衍射分辨太赫兹成像(中心频率0.5 THz,对应中心波长600 μm),其空间分辨率为4.5μm(优于λ0/100),较传统方法提升了超过2个数量级。同时我们在将鬼成像与压缩感知相结合,结果表明仅用远小于Nyquist采样极限的采样率也能获得目标高保真度的图像,这允许我们根据成像需求而在一定程度上缩减采样时间。(2)提出利用VO2光致相变的回滞特性,证明了一种全光操控的可重构太赫兹波记忆器件。而由于飞秒光诱导VO2发生的光致相变是一个非热过程,因而飞秒光编码的VO2存储态具有写入时间快(非热传导)的优点,在实验上,通过控制写入光脉冲的数量,我们实现了多位可重构的高速记忆态存储,测得其写入时间为～22 μs,与报道的基于热致相变的VO2存储器件相比,写入速率提升了 6个数量级。同时,由于光编码存储态几乎不遭受热扩散,因而编码态具有极高的空间局域性,基于此可以发展一种具有高空间精度的光控太赫兹波空间记忆器件从而解除太赫兹鬼成像显微系统对太赫兹源同步性的要求,使本项技术可以面向更加广阔的应用场景。(3)提出将自旋太赫兹波发射器(STE)设计为一种可直接产生高空间精度的结构太赫兹辐射“阵列”源,利用空间飞秒光对“阵列”中每个发射“单元”的单独控制,实现对近场目标的超衍射分辨鬼成像,实验获得的空间分辨率达到6μm(λ0/100),且其潜在的分辨率可以达到飞秒光的衍射极限。同时,我们研究了偏振态对亚波长结构图像的影响,通过图像融合,消除了图像的偏振效应。最后,结合飞行时间测量,我们探索了系统在层析成像方面的应用潜力。利用更加稳定的振荡级来驱动STE,通过合理地估算,我们相信太赫兹鬼成像系统的成像帧率可以得到大幅提升,甚至有望实现实时帧率(>24frame/s)。