Sussex研究團隊的物理學家們研發(fā)出第一臺能夠利用太赫茲（THz）輻射捕捉固體內部高分辨率圖像的非線性相機。

太赫茲輻射穿過抽象物體的藝術渲染圖

英國薩塞克斯大學（University of Sussex）的這項研究突破由Emergent Photonics（EPic）Lab的Marco Peccianti教授所領導，研究團隊成員有Luana Olivieri、Juan S. Totero Gongora博士和研究生團隊。

據(jù)Sussex研究團隊稱，利用太赫茲輻射生成的圖像被稱為“高光譜”，這是由于這種圖像由像素組成，而每個像素都包含該點所對應物體的電磁特征。太赫茲輻射位于電磁波譜中微波與紅外線之間，像X射線一樣能穿透紙、衣服和塑料等材料，且不會造成傷害。因此太赫茲輻射用于生物樣本檢測是安全的，太赫茲成像使觀察物體的分子組成并區(qū)分不同材料成為可能。

“太赫茲相機的核心挑戰(zhàn)并非收集圖像，而是保存物體的光譜指紋，這些光譜指紋很容易被相關技術破壞?！盤eccianti教授在一份聲明中表示，“這就是體現(xiàn)我們成果重要性的所在。圖像中所有的光譜指紋細節(jié)均可以保存，這樣我們就可以詳細地研究所拍攝物體的性質?！?

Sussex團隊的研究人員使用單像素相機，利用太赫茲光圖案對樣本物體進行成像。他們打造的太赫茲相機原型可以探測物體如何改變太赫茲光的不同圖案。并將這些信息與每個原始圖案的形狀相結合，這樣太赫茲相機就能揭示出該物體的圖像及其化學成分。

葉片的高光譜成像過程。時間分辨的非線性鬼影成像相機使用非線性晶體將標準激光轉換為太赫茲圖案，從而實現(xiàn)利用單個太赫茲像素重建復雜樣本。

基于單像素探測和多模式照明的鬼影成像，是難以探測波譜區(qū)域的關鍵研究工具。在太赫茲波譜中，高分辨率成像通常難以獲得，鬼影成像則成為嵌入時間維度的最佳方法，由此原理打造出“太赫茲高光譜成像儀”。

太赫茲輻射源非常微弱，高光譜成像迄今為止保真度有限。為了克服這個問題，Sussex研究團隊將標準激光照射到一種獨特的非線性材料上，這種材料能將可見光轉化為太赫茲波。從而讓該原型相機在非常接近樣品的地方產生太赫茲波，這與顯微鏡工作原理類似。由于太赫茲波可直接穿透物體而不影響物體本身，因此所產生的圖像能在三維空間揭示物體的形狀和組成。

時間分辨的圖像重建：逆推法

“這是技術重大進步，因為我們已經(jīng)證明，以往在理論研究中探索的所有可能性不僅是可行的，而且我們的太赫茲相機證明了它們比預期的還優(yōu)秀?！盩otero Gongora博士解釋道，“在制造該相機過程中，我們發(fā)現(xiàn)了幾種優(yōu)化成像過程的方法，目前這項技術已經(jīng)很穩(wěn)定并且效果顯著。”

Gongora表示，其研究團隊下一階段研究將加速圖像重建過程，并逐漸將太赫茲相機應用于現(xiàn)實世界，如機場安檢、智能汽車傳感器、制造中的質量控制以及檢測皮膚癌等健康問題的掃描儀等。

該研究成果已于2020年2月20日發(fā)表于OSA Optica，題目為“Hyperspectral terahertz microscopy via nonlinear ghost imaging”，論文地址：https://doi.org/10.1364/OPTICA.381035。