鬼影像，基于單個(gè)像素的探測和多模式照明，是一個(gè)針對(duì)難以到達(dá)的波長范圍的比較關(guān)鍵的研究手段。在太赫茲所占據(jù)的區(qū)域，此時(shí)高分辨率的圖像在大多數(shù)情況下是不易獲得的，鬼圖像是一個(gè)優(yōu)化的選擇，可以植入到時(shí)間維度，創(chuàng)造出一個(gè)高光譜的圖像。在這一框架中，高分辨率比較容易實(shí)現(xiàn)。因此，這在發(fā)展實(shí)際的影像觀察的時(shí)候就非常重要。在這里，來自瑟賽克斯大學(xué)的研究人員為大家展示了時(shí)間分辨率的非線性鬼圖像，這是一種基于近場，光——太赫茲的非線性轉(zhuǎn)換技術(shù)和探測照明模式。研究人員展示了空間——時(shí)間耦合效應(yīng)時(shí)如何影響近場時(shí)間占據(jù)主導(dǎo)的圖像，并且研究人員發(fā)展了一個(gè)完整的辦法來克服基礎(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建的問題。研究人員的理論——實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使得高可靠性的亞波長影像和攜帶相關(guān)的限制在非線性生成晶體厚度方面得到了解決。這一工作使得構(gòu)建復(fù)雜樣品在使用常規(guī)固定時(shí)間的手段難以獲得高光譜影像建立了嚴(yán)格的框架。

太赫茲場傳輸后窺見不可見物體的藝術(shù)構(gòu)圖

This is an artistic rendering of the terahertz field transmitted by an abstract object. Credit: University of Sussex

Terahertz camera uses laser light patterns to ‘see inside’ objects — Terahertz imaging can reveal tiny hidden features of living things.太赫茲相機(jī)使用激光來看見物體的內(nèi)部細(xì)節(jié)——太赫茲影像可以揭示活體內(nèi)部的隱藏的微小的細(xì)節(jié)問題。

來自瑟賽克斯大學(xué)（University of Sussex ）的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功的發(fā)展了第一個(gè)非線性相機(jī)，該相機(jī)可以利用太赫茲輻射捕獲固態(tài)物體內(nèi)部的高分辨特征。

時(shí)間分辨率的非線性鬼照相技術(shù)的原理圖

在新興光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的教授 Marco Peccianti的領(lǐng)導(dǎo)下， Luana Olivieri, Dr. Juan S. Totero Gongora和一個(gè)研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)新型的太赫茲相機(jī)，該相機(jī)可以捕獲探測THz電磁波，且探測的精度達(dá)到前所未有的精度。

TNGI 測量的概念性描述圖

采用THz發(fā)射所獲得圖像稱之為超光譜，這是因?yàn)檫@些圖像是由像素(組成屏幕圖像的最小獨(dú)立元素)所組成的，每一個(gè)像素包含目標(biāo)物體相應(yīng)點(diǎn)的電磁信號(hào)。

THz 波位于微波和紅外波之間的電磁波，THz的發(fā)射比較容易的就可以穿透諸如紙張，衣服，塑料等，其穿透形式同X射線一樣，在穿透的時(shí)候不會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生破壞。該THz在使用的時(shí)候是比較安全的，即使是對(duì)比較敏感的生物學(xué)樣品也是安全無害的。THz圖像使得我們可以非常容易的觀察目標(biāo)物體的分子成分和區(qū)分出不同的材料——諸如區(qū)分糖和可卡因。

時(shí)間分辨率非線性鬼照相相機(jī)使用非線性的晶體來將標(biāo)準(zhǔn)的激光轉(zhuǎn)換成THz的模式，使得采用單個(gè)的THz像素構(gòu)建成復(fù)雜的物體

在解釋這一最新研究成果的重要性的時(shí)候， Peccianti教授認(rèn)為：THz相機(jī)所面臨的最大挑戰(zhàn)在于并不是收集圖像，而在于保留目標(biāo)物體的指紋，而指紋的保留在使用其他技術(shù)的時(shí)候非常容易受到損壞。這就是我們的技術(shù)所取得的成就的關(guān)鍵所在。影像的所有細(xì)節(jié)的指紋信息會(huì)被這一方式所保留，由此我們可以對(duì)物體進(jìn)行更加完全詳細(xì)的調(diào)查研究。

直到今天，可以捕獲高光譜影像能力的相機(jī)可以保留THz發(fā)射所揭示的精細(xì)的襲擊，這在以前是不可能的。

新型光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)單像素的相機(jī)，利用THz光的模式來對(duì)物體進(jìn)行影像。他們構(gòu)建的原型可以探測出目標(biāo)物體在THz光的不同模式下是如何變化的。通過綜合每一原始模式形狀的這一信息，相機(jī)可以揭示出目標(biāo)物體的圖像以及其化學(xué)成分。

THz發(fā)射源一般來說比較脆弱，而且高光譜圖像，直到今天，屬于有限保真度。為了克服這一弊端，薩塞克斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將一束標(biāo)準(zhǔn)的激光照射到一個(gè)獨(dú)特的非線性材料中，該材料可以將可見光轉(zhuǎn)換成THz。這一原型相機(jī)制造出的THz電磁波非常接近樣品，有點(diǎn)同顯微鏡工作的時(shí)候相類似。當(dāng)THz波可以穿透物體且不會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生影響，獲得的圖像就可以揭示目標(biāo)物體的3D形狀和三維的成分分布。

Totero Gongora博士認(rèn)為：目前的這一研究成果是一大進(jìn)展，這是因?yàn)槲覀兯芯康某晒故玖宋覀冊缦鹊睦碚撗芯克剿鞯目赡苄裕粌H是可行的，而且我們的工作甚至比以前所預(yù)期的還要好。在構(gòu)建我們的裝置的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)不同的途徑來優(yōu)化圖像的過程，現(xiàn)在這一技術(shù)比較穩(wěn)定和工作可靠。下一步我們的研究將聚焦在加速圖像的構(gòu)建過程和進(jìn)一步的使用THz相機(jī)來在真實(shí)世界中盡快得到應(yīng)用，諸如機(jī)場的安檢，智能汽車所用的傳感，制造工藝過程中的質(zhì)量監(jiān)控，以及健康問題，諸如皮膚癌的掃描探測。

這一研究成果發(fā)表在期刊《Optica》上。

文章來源： “Hyperspectral terahertz microscopy via nonlinear ghost-imaging” by Luana Olivieri, Juan S. Totero Gongora, Luke Peters, Vittorio Cecconi, Antonio Cutrona, Jacob Tunesi, Robyn Tucker, Alessia Pasquazi and Marco Peccianti, 19 February 2020, Optica.

DOI: 10.1364/OPTICA.381035以及University of Sussex

Ref：Cite this: ACS Photonics 2018, 5, 8, 3379–3388，Publication Date:July 3, 2018，Time-Resolved Nonlinear Ghost Imaging，