一种用于太赫兹高分辨成像的浸液式可调谐半球透镜

本发明涉及太赫兹高分辨成像，具体涉及一种用于太赫兹高分辨成像的浸液式可调谐半球透镜。

背景技术：

1、传统太赫兹(terahertz，简称thz)高分辨率成像包括扫描探针thz成像、亚波长孔径或亚波长源thz成像、thz图像复原处理等，其中，扫描探针成像技术是通过扫描的方式在样品表面探测含有超精细信息的倏逝波来突破衍射极限，因而具有很高的分辨率；但其是近场探测方式，探测探针只能贴紧样品表面，无法在远场成像，应用场景十分有限。亚波长孔径或亚波长源thz成像可以提高分辨率至衍射极限，但亚波长孔径通常是用金属孔径来限制太赫兹波对样品的照射范围，这就限制了光谱带宽和能量，当孔径尺寸小至波长量级时，能量和带宽大量损失；亚波长源thz成像往往需要超高峰值功率的飞秒激光来激发产生太赫兹辐射，产生条件高，设备昂贵且操作难度高，不利于大范围应用。thz图像复原处理是用数字图像处理技术提高图像对比度、分辨率，剔除噪点等提高图像质量的方法，是对光学系统已成像的后处理技术，无法从本源上提高分辨率，可作为提高图像质量的辅助手段。因此，开发具有分辨率高，综合性能强，同时成本低，维护方便，应用场景广泛的太赫兹成像系统很有实际需要。近年来，纳米光子喷射效应引入太赫兹波段，在太赫兹波照射介质立方，介质球等结构下产生“太喷射”效应(appl.phys.lett.105,084102)，并基于太喷射效应实现了太赫兹超分辨成像(appl.phys.lett.113,031105)。

2、太喷射效应是指，当太赫兹波照射一定尺寸和折射率的介质结构时，由于光传播中发生的特殊衍射及散射作用，结构阴影测产生的一种高度聚焦的光斑。该光斑强度截面为射流状，具有亮度高，束腰小，喷射距离长的特点。

3、基于太喷射效应实现的超分辨成像，其成像的一般过程为：在成像样品前放置合适参数的介质结构，利用介质结构产生的高度聚焦的太喷射光斑照射样品的局部小区域，获得该区域成像信息，然后通过逐点扫描的方式获取样品全貌信息，最后对全貌信息在空间拼接组合，形成样品的全貌太赫兹图像。其实现超分辨的原理为：在逐点扫描方式的成像过程中，一次成像，太喷射光斑只照明一个局部小区域，透射或反射光束中只携带被照射区域的样品信息，在图像中这些信息也只对应一个像素点。从而照明区域的大小，直接决定了成像分辨率的大小。由于太喷射光斑具有超衍射极限的束腰直径，因此成像中可获得超衍射极限的分辨率。该方法具有能量损失小，不损失光谱带宽、可远场探测，不易污染样品等优点。但尽管如此，该方法仍然有一些不足需要解决。首先，介质立方，介质球等结构产生的太喷射射流距离结构较近，虽然比近场探针的方式探测距离更大，但大多仍在1-2倍λ，这要求样品与结构有较小距离，增加了样品被污染的风险；另外，传统结构产生的太喷射射流的半高宽通常在0.5λ左右，只能算勉强突破衍射极限，实际应用中分辨率仍需继续提高，还需更小的半高宽；更重要的是，传统结构在形状确定后，由它们所产生的太喷射射流就无法再调整，不具备分辨率、焦距、工作距离、景深等的调谐功能，严重限制了不同场景下的应用需求。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种用于太赫兹高分辨成像的浸液式可调谐半球透镜，可实现焦距、景深及分辨率可全部调节，具有高分辨率、较大景深、较大工作距离的优点。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种用于太赫兹高分辨成像的浸液式可调谐半球透镜，包括透镜外壳1，透镜外壳1内设有介质半球2，透镜外壳1内注入有液体3；使用时将浸液式可调谐半球透镜耦合到太赫兹成像系统中，通过调节透镜外壳1内液体3的注入量，来实现透镜聚焦特性的调谐，进而在成像中实现焦距、景深和分辨率的综合调谐。

4、所述透镜外壳1的底面材料需在太赫兹波段有高透射率，包括聚乙烯、聚四氟乙烯、高阻硅、石英；侧壁材料为任意固体材料；介质半球2采用对太赫兹波有高透射率的固体材料，包括聚乙烯、聚四氟乙烯、高阻硅、石英；液体3采用对太赫兹波有高透射率的非极性液体材料，包括白油、植物油、矿物质油、电器绝缘油。

5、所述透镜外壳1为规则形状或不规则形状，能够容纳介质半球2以及液体3；规则形状包括长方体形、正方体形、圆柱形、多棱柱形。

6、所述介质半球2用圆球、椭圆球、立方体、长方体、棱锥等多面体以及非规则形状替代。

7、耦合浸液式可调谐半球透镜的太赫兹成像系统包括脉冲式时域光谱扫描成像系统、连续波太赫兹扫描成像系统、太赫兹显微成像系统等。

8、浸液式可调谐半球透镜通过不同的空间排列组合成阵列，阵列排列形状是直线、曲线等排列，网格、同心圆环式等面排列，以及其他任意阵列方式；进行调谐功能时，对阵列中各浸液式可调谐半球透镜单独调谐，或对所有浸液式可调谐半球透镜同步调谐。

9、一种用于太赫兹高分辨成像的浸液式可调谐半球透镜的制备方法，包括以下步骤：

10、第一步：制作能够容纳介质半球2和液体3的透镜外壳1；

11、第二步：将介质半球2安装在透镜外壳1内部底面，保持平面朝下；

12、第三步：向透镜外壳1里面注入液体3，浸没部分介质半球2，形成浸液式半球透镜；通过调节液体3的注入量来调整透镜聚焦特性，因而形成了浸液式可调谐半球透镜。

13、一种用于太赫兹高分辨成像的浸液式可调谐半球透镜的调节方法，包括：

14、当减少液体3时，介质半球2的浸没深度减小，伴随着透镜的焦距、喷射光斑长度、束腰尺寸的减小，组合成为太赫兹成像系统时，则实现了成像系统的焦距、工作距离、景深以及分率的减小；

15、当增加液体3时，介质半球2的浸没深度增大，伴随着透镜的焦距、喷射光斑长度、束腰尺寸的增大，组合成为太赫兹成像系统时，则实现了成像系统的焦距、工作距离、景深以及分率的增大。

16、通过液体3量的缓慢增减，实现无极调节。

17、耦合浸液式可调谐半球透镜的太赫兹成像系统，包括一个通过调制模块控制的太赫兹源，太赫兹源发射的太赫兹波向下经过第一太赫兹透镜照射在浸液式可调谐半球透镜，经过浸液式可调谐半球透镜的太喷射光斑向下聚焦在位于扫描移动台上的成像样品上，成像的太赫兹信号向下经过第二太赫兹透镜、第三太赫兹透镜传输至太赫兹探测器，太赫兹探测器接收的太赫兹信号经信号采集模块传输给电脑，电脑用于记录处理信号采集模块输出的信号最终形成完整的太赫兹图像，以及控制扫描位移台和调制模块。

18、和现有技术相比，本发明的有益效果为：

19、本发明浸液式可调谐半球透镜的成像基于“太喷射”效应产生的高度聚焦光斑，其光斑强度高，束腰尺寸小，纵向长度长，无带宽及能量损失。

20、本发明浸液式可调谐半球透镜具有高分辨率，在较大调节范围内具有亚波长的分辨率；当调节介质半球浸没状态至合适状态时，可实现最佳0.5λ的超衍射极限分辨率。

21、本发明浸液式可调谐半球透镜具有较大景深，当介质半球在最小浸没高度时，其光斑喷射长度为2.9λ，当注入液体增加浸没高度时，光斑喷射长度会逐渐增加，其最大喷射长度可达20λ，应用于成像中可实现景深的极大扩展。

22、本发明浸液式可调谐半球透镜具有较大的工作距离，当入射光从介质半球的球面入射时，聚焦光斑的焦点与透镜平面一侧的距离约为半球半径，以10λ直径半球为例，则工作距离为5λ，这与介质球透镜紧贴表面的太喷射光斑相比，其工作距离得到了很大增加，在成像时可以避免透镜与样品接触和擦碰。

23、本发明浸液式可调谐半球透镜是可调谐的，可以通过简单的增加和减少液体，调整介质半球的浸没高度，从而调节聚焦光斑的强度、焦距、喷射长度及半高全宽等特性，进而实现太赫兹成像时工作距离、景深和分辨率的综合调谐。

24、综上，本发明具有以下优点：

25、1、性能优异：本发明浸液式可调谐半球透镜应用于太赫兹成像时具有带宽及能量损失小、分辨率高、工作距离大、景深大范围可调的优越性能，最优可实现大于4λ的工作距离，0.8λ至14λ以上的景深调节范围，以及最小达0.59λ的高分辨率。

26、2、聚焦特性可调谐：本发明浸液式可调谐半球透镜通过简单的调节介质半球在液体中的浸没深度，可实现焦距、聚焦深度、束腰宽度等聚焦特性的灵活调谐，进而在成像中实现工作距离、景深、分辨率的综合调谐。

27、3、实用性强：本发明浸液式可调谐半球透镜可以很方便的与现有的太赫兹成像系统相结合，从而应用于太赫兹成像中，实现高质量的可调谐成像；此外，本发明浸液式可调谐半球透镜操作简单，只需要简单的增加和减少注入的液体，来调节介质半球在液体中的浸没深度，就可以实现可调谐的太赫兹成像。

28、4、制备方便成本低：本发明浸液式可调谐半球透镜仅由透镜外壳、介质半球和液体三部分组成，结构简单，形状规则，材料便宜，制造流程简单，成本低。