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1. 引言
太赫兹波(简称THz，1 THz=1012 Hz)是指频率在0.1~10 THz范围内的远红外电磁辐射，由于其具有高透射、宽光谱、低光子能量、与极性物质反应剧烈等诸多特性，使得太赫兹技术在基础研究和工业开发方面存在着巨大的应用潜力。伴随着飞秒激光技术、电子技术和半导体材料的相关研究不断发展，高强度太赫兹源、高灵敏度太赫兹探测器、以及太赫兹波段的功能器件相继问世，使得太赫兹检测系统日趋成熟，实用性逐渐提高。由于太赫兹技术具有测量精度高、光致损伤小、光谱信息丰富等优势，已经成为人们所熟知的重要光学测量手段。
作为太赫兹技术重要组成部分之一，太赫兹成像技术最早是在太赫兹时域光谱系统的基础上发展起来的。早期的太赫兹成像系统将太赫兹辐射聚焦于样品表面，并不断移动样品位置，测量从样品透射或反射的太赫兹信号组成二维光学信息。1995年，B.B.Hu等人利用透射式太赫兹逐点扫描成像技术对芯片内部结构和树叶含水量进行了观测[1]，1997年，D.M.Mittleman等人利用反射式太赫兹扫描成像技术对磁盘内部结构进行了层析测量[2]，从此太赫兹成像技术引起了人们的广泛关注并得到了迅速发展[3-5]。由于传统的太赫兹成像采用逐点扫描的测量方式，存在采样率低、实验耗时长等问题，限制了太赫兹成像的应用发展。1996年，Q.Wu等人提出了利用扩展太赫兹光源对物体进行面阵测量的方式，很大程度上缩短了实验时间并提高了成像精度[6]，由于此技术采用CCD摄像头提取太赫兹二维场信息，通常称此技术为太赫兹数字全息术。太赫兹数字全息术的提出对于太赫兹成像的发展具有重要意义，多个国家的研究团队都对此技术进行了改进和应用研究[7-9]。2003年，T. Feurer等人利用此技术观测了LiTaO3晶体中声子的传播与干涉过程[10]。2006年，H.Zhong等人利用反射太赫兹数字全息术对物质的化学性质进行了成像测量，实现了五种物质的成分识别[11]。2008年，T.Yasui等人通过改进线扫描太赫兹数字全息系统，实现了每秒钟23 200像素的成像速率[12]。2011年，F.Blanchard等人利用20 μm厚的LiNbO3作为探测晶体，实现了分辨率可以达到14 μm的太赫兹面阵成像[13]。目前，随着太赫兹成像系统的逐渐成熟，实用性不断增强，适用范围更加广阔，已经呈现了明显的市场需求和产业化进程。
2007年，本科研团队开始从事关于太赫兹数字全息技术的研发，至今已经开发出了国内唯一一套具有高分辨率、高信噪比和偏振测量功能的太赫兹数字全息成像系统，可以实现对太赫兹场波前信息的全部获取，包括振幅、相位、偏振和频域光谱等。本文综述了近年来本团队在太赫兹数字全息技术方面的部分研究成果，包括利用太赫兹成像系统对太赫兹波段平板元件衍射性能进行表征、对光控太赫兹元件进行功能验证、对自由空间太赫兹衍射场中的纵向偏振分量进行重建、以及对金属等离子体器件的太赫兹表面波传输过程进行观测。同时，本文也对太赫兹数字全息技术的未来发展进行了评论和展望。
2. 太赫兹数字全息成像系统
图 1展示了由本团队搭建的太赫兹数字全息成像系统。本系统采用钛宝石飞秒激光放大器作为光源，激光脉冲中心波长为800 nm，重复频率为1 kHz，脉宽为100 fs，输出功率为900 mW，光斑直径约为8 mm。激光被分为890 mW的泵浦光和10 mW的探测光，分别用于产生和探测太赫兹脉冲。泵浦光首先通过凹透镜(L1)扩束并照射到 < 110>ZnTe晶体上，在ZnTe晶体内通过光整流效应产生太赫兹辐射。利用金属抛物面反射镜(PM)对太赫兹光束进行准直，其直径约为30 mm。扩束的太赫兹波透射过样品，携带样品信息后照射探测晶体 < 110>ZnTe进行相干成像测量。探测光通过二分之一波片(HWP)和偏振片(P)来调节其偏振态，利用50/50的非偏振分束器(BS)将探测光反射到探测晶体上。在探测晶体内，太赫兹电场会调制探测晶体的折射率椭球，进而改变探测光的偏振态，由此将太赫兹电场的波前复振幅信息加载到探测光上。携带太赫兹信息的探测光由晶体的左侧表面反射，利用系统的成像模块对太赫兹信息进行提取。探测光的图像由透镜组(L2和L3)投影到CCD摄像头上，并利用四分之一波片(QWP)和渥拉斯顿棱镜(PBS)将探测光分解为水平和竖直偏振分量，CCD与机械斩波器(Chopper)进行同步控制，利用动态相减技术[7]和差分探测技术[14]对太赫兹图像进行提取。由于探测晶体的尺寸限制，系统的成像尺寸约为直径10 mm的圆斑区域，在实验中通过连续调节太赫兹光束与探测光束的光程差，可以对不同时间点的太赫兹图像进行测量，并通过对每个象素上的太赫兹时域信号进行傅立叶变换，可以准确地得到不同频率成分的太赫兹复振幅分布。
下载: 本成像系统的特点在于：(1)可以一次性的采集太赫兹时域电场二维分布[15]，具有较高的空间采样率，系统像素数目为300 pixel×300 pixel，单个pixel尺寸为32 μm；(2)通过引入了准近场探测技术，可以使样品紧贴探测晶体放置，减小了太赫兹光波的衍射影响，达到100 μm的空间分辨率[15]；(3)通过将差分探测技术引入太赫兹成像系统，可以有效地提高成像系统的信噪比，单个像素的信噪比可以达到20 dB[14]；(4)通过调整探测光的偏振态，可以实现不同太赫兹偏振分量的测量，更全面地获取光学信息[16]。利用此系统的诸多特性，本团队完成了一系列涉及不同太赫兹研究领域的成像工作，从多方面验证了本系统的实用性。
3. 太赫兹数字全息术的应用
3.1 太赫兹平板元件的性能表征
当前，超材料(Meta-material)器件的研究已经成为了现代光学发展的重要分支之一，利用微纳尺度金属结构单元组成的人工材料可以对电磁波实现多种特殊的衍射特性，例如超常透射、负折射率、选择性滤波等功能[17-19]。自2011年，哈佛大学的Capasso教授团队首次提出了超表面(Meta-surface)的概念，利用微纳金属结构的二次电磁辐射来对透射电磁场进行振幅相位调控，为超材料家族的发展提供了新的动力[20]。目前已经有很多国内外的科研团队对超表面器件进行研究，波段从微波一直覆盖到可见光[21-23]。2013年，本团队首次将超表面理念引入到太赫兹波段，设计了若干以V型天线、棒型天线为结构单元的超表面太赫兹器件，并利用太赫兹数字全息成像系统对其衍射性能进行了验证[24]。图 2展示了利用V型天线结构所设计的太赫兹涡旋相位板以及测试结果[25]。此结构所对应的中心频率为0.75 THz，如图 2(a)所示，通过改变V型天线的开口角度θ及天线单臂长度h可对透射的正交极化太赫兹分量进行不同程度的相位调制，同时保持振幅不变。图 2(b)展示了所设计的8个天线单元，前4个天线的θ取值为130°、120°、100°、60°，h取值为78 μm、82 μm、90 μm、150 μm，后4个天线为其镜像对称结构，相邻天线单元对太赫兹场的相位调制相差π/4。图 2(c)为利用所设计的天线单元组成的太赫兹涡旋相位板(VPP)，天线结构加工在100 nm厚的金膜上，样品基底为500 μm的高阻硅片，天线结构随着方位角相应变化，而在径向方向上保持不变。将相位板放入太赫兹成像系统进行表征，图 2(d)展示了拓扑荷数l=1的透射太赫兹涡旋光束振幅分布，图像呈现中空的分布特点，这是由于太赫兹光场中心部位存在相位奇点，光场相干相消导致中心强度为零。图 2(e)展示了相应太赫兹光场相位分布，可以看出其呈现了所预设的涡旋变化，随着方位角的增大，相位从-π到π线性增加。为了进一步验证此天线结构的实用性，本团队又设计了拓扑荷数l=2和l=3的涡旋相位板，图 2(f)和(g)展示了所测量的透射太赫兹光场相位分布，可以看出相位变化分别为4π和6π，都达到了预期结果。为了研究涡旋光束在远场的衍射特性，利用一个硅透镜将太赫兹涡旋光束聚焦，并在焦点附近对其进行Z扫描测量，实验系统如图 2(h)所示。图 2(i)展示了在距离焦点位置-10 mm、0 mm、10 mm处的太赫兹电场强度分布，汇聚的太赫兹波由于中心位置的相位奇点呈现出了典型的面包圈形状，太赫兹焦点光环的半径大约为1.1 mm。图 2(j)展示了在相应位置上太赫兹电场的相位分布，可以看出在衍射过程中其相位呈现出螺旋变化，且随着传播距离的增大呈现顺时针方向旋转，同时在通过焦点后，相位的旋进方向发生了反转。为了描述这些变化，利用Laguerre-Gaussian模型进行了模拟，理论结果如图 2(k)所示，可以看出其完全重现了所测量得到的现象。本工作的完成对于太赫兹特殊光束的研究、太赫兹信息传输以及太赫兹平板光学元件的研发都具有积极的参考价值。
偏振是电磁波的基本自由度之一，在无线通信、3D显示、波谱分析等诸多领域都具有重要应用。然而，在目前的光学技术中，直接分辨光波的偏振态，并进一步操纵具有不同偏振态的光子仍然存在一定的难度。2015年，本团队在之前工作的基础上，利用棒形天线设计了对不同偏振入射光具有空间分离聚焦和成像功能的太赫兹平板透镜[26]。图 3(a)展示了器件的实物图及结构单元，天线的长宽分别为150 μm和50 μm，天线的倾角φ(x, y)决定着对出射电磁波的相位调制程度。当左旋圆偏振(LCP)或右旋圆偏振(RCP)光入射器件时，天线结构会激发正交极化光场，并在出射光波上加载Pancharatnam-Berry相移Φ(x, y)=±2φ(x, y)，进而对太赫兹光子的波矢位移产生调制，实现对不同偏振入射光的空间分离，其中±由入射光和出射光的偏振态决定。图 3(b)展示了此平板透镜的功能示意图，当入射LCP光时，透镜会激发RCP光并聚焦到焦平面的左侧；当入射RCP光时，透镜会激发LCP光并聚焦到焦平面的右侧。实验中，透镜的焦距被设定为4 mm，LCP和RCP光的焦点分离距离为2.2 mm，透镜的中心频率为0.75 THz。将样品放入太赫兹成像系统进行测试，图 3(c)~3(e)展示了在焦平面处0.75 THz分量的强度分布图，图中箭头对应着入射太赫兹波的偏振方向，分别为RCP、LCP和水平线偏振。可以看出，对于RCP太赫兹入射场，其焦斑向右侧偏移；对于LCP太赫兹入射场，其焦斑向左侧偏移；对于线偏振太赫兹入射场，由于其可以看作LCP和RCP太赫兹分量的线性叠加，因此在焦平面上出现两个焦点，两焦点偏离量为2.2 mm。图 3(f)~3(h)展示了相应的太赫兹出射光束在X-Z平面上的聚焦过程，同样呈现了与图 3(c)~(3e)一致的特点。此透镜的偏振选择性成像功能也被验证，成像测试样品为3个镂空金属字母图案“C”、“N”、“U”，每个图案的尺寸为4×5 mm2，如图 3(i)所示。图 3(j)~3(l)展示了成像结果，成像放大率为0.5，可以看出RCP入射场得到的图像在右侧，LCP入射场得到的图像在左侧，水平线偏振光可以得到两个图像，与聚焦过程呈现了同样的现象。本工作提出并实现了一种对于太赫兹光子可以偏振选择性操控的超表面器件，完成了对不同光子偏振态的信息传递与处理，同时该设计原理也可以推广于其他波段，对于推动偏振光学的发展具有积极意义。
3.2 光控太赫兹衍射元件的功能验证
太赫兹平板元件的发展为太赫兹系统的小型化和集成化带来了新动力，但是这类元件在结构单元及衍射功能设定好后大多不能进行任意更改，在应用范围上存在一定限制。目前，人们已经逐渐关注于可调谐光学元件的研发，在太赫兹波段也陆续出现了相关研究。L.Y.Deng等人报道了InSb亚波长光栅的光控调谐太赫兹等离子响应[27]。S.F.Busch和M.Koch等人利用半导体光致载流子对于太赫兹辐射的吸收和反射，实现了虚拟太赫兹光栅和滤波器[28-29]。C.Rizza等人在理论上研究了利用红外辐射控制半导体超材料进而调控太赫兹光场的技术[30]。然而，这些工作多是针对太赫兹光谱的裁减滤波，很少关注太赫兹波前调制。
通过将太赫兹数字全息成像系统进行改进，引入控制光的作用，2013年，本团队利用半导体作为媒介实现了全光可控虚拟太赫兹波带片(PTZP)，并验证了其聚焦和成像功能[31]。图 4(a)展示了实验系统，飞秒激光分为三路，包括泵浦光、探测光和控制光，用于产生、探测和调制太赫兹辐射。利用ITO导电玻璃将太赫兹光束与控制光重合，并共同照射半导体材料，实验中选用电阻率为10 kΩ·cm、厚度为500 μm的高阻硅片。将金属波带片置于控制光路中，利用焦距为100 mm的凸透镜将波带片图像投影到硅片表面，成像放大率为1。在光照射区域产生光致载流子，导致硅片表面产生空间导电率不均匀分布，当太赫兹波通过硅片时将受到振幅调制。存在载流子的区域，透射太赫兹场的振幅会减小，而在没有载流子的区域，透射太赫兹场不受影响，相当于太赫兹波通过了一个振幅型波带片。所选用的金属波带片焦距为90 mm，中心波长为300 μm (对应1 THz中心频率)，利用传统的聚焦离子束蚀刻和光刻技术将1 μm厚的铬膜蒸镀在2 mm厚的石英基底上制作完成。实验中将斩波器置于控制光路中与CCD同步控制，使得成像系统只能测量被调制的太赫兹信号，进而滤除背景本底来提高成像清晰度。
实验首先检测PTZP的聚焦特性，图 4(b)展示了随着太赫兹波和控制光之间时间延迟，太赫兹峰值信号的变化曲线。其中，负时间延迟意味着控制光落后于太赫兹波到达硅片，太赫兹波没有被光致载流子调制，因此系统测量不到太赫兹信号；正时间延迟意味着控制光超前于太赫兹波到达硅片，系统可以测量太赫兹信号。实验结果表明了被调制的太赫兹场与背景之间具有很明显的对比度。图 4(c)和(d)展示了在-10 ps和10 ps时间延迟位置的1THz强度图像，可以看出通过PTZP的太赫兹波可以被很好地聚焦，其焦斑直径约为1.6 mm，而在没有控制光调制作用下则不能测量到太赫兹强度分布，PTZP的聚焦功能被很好地验证。光控技术的一个优势在于，可以通过改变投影在硅片上的图案来调整太赫兹波的调制效果。根据波带片半径公式rn=
，其中n为波带片级次，λ和f为波带片的中心波长和焦距，在保持n和f不变的情况下，通过改变波带片图像的放大率，可以起到调整rn的作用，进而改变PTZP的中心波长λ。图 4(e)展示了放大率分别为R=1.12、1.00和0.91情况下，3个波段λ=375 μm、300 μm和250 μm太赫兹分量(对应于0.8 THz、1.0 THz和1.2 THz)的强度分布。可以看出3个PTZP对于0.8 THz、1.0 THz、1.2 THz太赫兹分量都表现出良好的聚焦功能，当放大率和波长不匹配时，测得的太赫兹图像呈现明显的散焦特点。除了聚焦效果外，在本工作中也测试了PTZP的成像功能，3个成像测试样品如图 4(f)所示，在10 μm厚铝膜上的3个镂空字母图案“T”、“H”、“Z”。每个图案的尺寸约为20×20 mm2，图案狭缝宽度为5 mm。将测试样品置于PTZP的物方焦平面处，通过测量图案的频域分布图并进行二维逆傅立叶变换可得到3个字母的重建图像，如图 4(g)所示。虽然PTZP的虚焦点和高阶焦点引入了一些像差，但是每个字母的图案可以被很明显地表征出来，PTZP的成像功能被充分证明。本工作很新颖地将光控技术引入太赫兹波前调制中，为太赫兹信息技术的发展提供了新思路，在此工作基础上本团队又进行了一系列的尝试。
在光控太赫兹数字全息成像系统的平台上，本团队首先提出了空间太赫兹调制器(STM)的概念，利用在半导体基片上投影特定图案产生光致载流子空间不均匀分布的方法，可以对太赫兹波前进行高自由度、高分辨率、宽带调制[32]。图 5(a)展示了STM的原理，利用可见光波段的空间光调制器(SLM)将控制光生成特定的图案，例如计算全息图或分叉光栅等，进而生成相应的载流子空间分布，当太赫兹光束以一定角度倾斜入射时，其一级衍射分量在传输一定距离后可以生成预设图案，例如涡旋光束等。图 5(b)展示了此系统的光路图，与图 4(a)的区别之处在于利用SLM代替了波带片，因此可以对控制光进行更高自由度的改变，并且太赫兹波以37°入射硅片，成像系统仅测量一级衍射分量。为了验证此技术的可行性，首先在SLM上加载了3个字母“C”、“N”、“U”的太赫兹计算全息图并投影到硅片上。图 4(c)展示了3个计算全息图，对应每个字母的尺寸为4×6 mm2，频率为1 THz。图 4(d)展示了在太赫兹波一级衍射分量通过硅片并传输2 cm后生成的图案，可以看出“C”、“N”、“U”三个字母清晰地再现，与预设结果完全一致。利用此技术还可以实现对太赫兹波的相位调制，通过在硅片上投影拓扑荷数为l=1、l=2和l=3的太赫兹涡旋光束计算全息图，即不同级次的分叉光栅，可以在太赫兹波的衍射分量上加载相应的涡旋相位。图 4(e)和4(f)展示了相对应的太赫兹波一级衍射分量的振幅和相位分布。可以看出所生成的太赫兹涡旋光束强度分布呈现出典型的面包圈形状，中空部分的尺度随着拓扑荷数的增大而增大，所对应的太赫兹相位分布表现出2π、4π和6π的环绕中心相移，这些现象都与理论预测达到高度一致。本工作的完成对太赫兹成像、太赫兹信息处理、以及太赫兹通信等领域的发展都具有积极的推动作用。
矢量光束的生成与衍射是现代光学的重要研究分支，例如径向偏振光束、角向偏振光学、光涡旋、双环光束等。这类光束具有特殊的光场分布特性，在粒子操控、激光微加工、高分辨显微等领域中都具有重要应用。利用光控太赫兹波前调制技术，本团队在2015年实现了太赫兹波段矢量光束的产生与调控[33]。图 6(a)展示了其原理，首先将入射太赫兹光波从线偏振转换为圆偏振，再利用金属亚波长环形光栅控制不同位置透射太赫兹光波的偏振态，此时太赫兹光束具有径向偏振态和涡旋相位分布，可表示为
，其中
为径向单位矢量，θ为方位角，eiθ为涡旋相位项。此时，若在环形光栅的高阻硅基底上利用飞秒激光投影一个涡旋光束计算全息图，则产生的一级衍射分量会携带涡旋相位分布，进而抵消太赫兹光束本身的涡旋相位项，生成纯太赫兹径向偏振光束。图 6(b)展示了光控径向偏振太赫兹光束的产生与表征系统，光路与图 5(b)类似，利用太赫兹1/4波片(TQWP)，将线偏振太赫兹光束转换为LCP太赫兹光束。此太赫兹光束以37°倾斜入射在高阻硅片上，硅片背面加工有亚波长环形金属光栅。实验中选用周期为5 μm的铝质光栅，由于光栅周期远小于太赫兹波长，可以看作径向方向的太赫兹偏振片。利用SLM在控制光上加载涡旋光束计算全息图，并将其投影在硅片表面，生成特定的光致载流子分布。当太赫兹光束通过硅片及环形光栅后，生成的一级衍射分量由成像系统进行相干采集。图 6(c)和6(d)展示了对应的模拟结果，径向偏振太赫兹光束在x、y、r分量上的振幅和相位分布。可以看出径向偏振太赫兹光束的x和y偏振分量是典型Hermite-Gauss分布中的HG10和HG01模式。对于HG10模式，其振幅为左右两个半圆分布，两个旁瓣的偏振态相反，相应的相位部分相差为π；而HG01模式则是HG10的90°旋转，振幅为上下两瓣，两部分的相位差亦为π。r分量则是x与y分量的叠加，其振幅呈现中空环状分布，所有的偏振态都沿半径方向呈辐射状，对应的相位则是平坦分布。图 6(e)和6(f)呈现了实验中所测量得到的0.8 THz径向偏振太赫兹光束在x、y和r方向的振幅和相位分布，发现实验结果与理论模拟得到了很好的符合。由于通过光控方法可以对计算全息图进行任意调制，因此通过本技术可以非常灵活的控制所生成太赫兹矢量光束的涡旋相位特性。本工作通过光生载流子来控制太赫兹场的复振幅分布，很大程度上提高了太赫兹器件的灵活性和动态可控性，对将来的太赫兹传感、成像和通信领域的研究提供了实验基础。
3.3 太赫兹衍射场纵向分量重建
电磁波在聚焦过程中由于引入了横向波矢，因此在衍射过程中会产生纵向偏振电场。特殊光束的纵向场分量具有十分重要的应用潜力，然而由于在可见光波段不易测量所以常常被忽视。随着光学技术的发展，人们提出了很多测量纵向场分量的方法。例如，L.Novotny等人利用具有固定偶极子吸收取向的单分子荧光信号对纵向分量进行了测量[34]；S.Quabis等人将刀片法与全息重建算法相结合，再现了三维聚焦光场的强度分布[35]；G.Miyaji等人利用在Kerr介质中由激光诱导的双折射现象，对径向偏振光束的纵向分量进行了测量[36]。然而，这些方法都主要是对纵向分量的强度信息进行探测，相位信息则被完全丢失。
2014年，本团队通过对太赫兹数字全息成像系统进行改进，利用 < 100>晶体取代了 < 110>晶体，实现了对不同偏振态太赫兹光束在聚焦过程中的纵向场分量进行相干测量[37]。图 7(a)展示了实验系统，其基本构架与图 1相同，区别在于采用 < 100>ZnTe晶体作为探测器对纵向分量的复振幅波前进行获取。实验中利用焦距为25 mm的高阻硅透镜对太赫兹光束进行聚焦，并连续改变透镜与探测面之间的距离，通过Z扫描测量观察纵向分量的衍射过程。实验首先对线偏振太赫兹光束在聚焦过程中产生的纵向分量进行了测量，图 7(b)展示了在距离焦平面-10 mm、-5 mm、0 mm、5 mm、10 mm处0.7 THz纵向分量的振幅和相位分布，可以看出纵向分量的振幅呈现了类似于偶极子辐射的分布特点，在光轴上(x=0 mm)存在振幅的极小值，在光轴两侧约x=±0.4 mm处存在两个振幅极大值。在纵向分量的相位分布中，可以看出以Y-Z平面为分界，两侧的相位相差π，这表明两侧的纵向分量传播方向是相反的，导致了在光轴位置处二者相干相消，进而出现了振幅极小值。为了验证实验的准确性，利用Richards-Wolf衍射积分公式对实验过程进行了模拟，图 7(c)展示了相应的模拟结果，发现与实验结果完全一致。实验中还对圆偏振太赫兹光束聚焦产生的纵向分量进行了测量。利用TQWP将入射线偏振太赫兹光束转换为圆偏振光束，通过硅透镜聚焦后，对其纵向分量进行了Z扫描测量。图 7(d)展示了0.7 THz纵向分量的振幅和相位分布，可以看出其振幅呈现环状分布，光圈强度分布不均匀是因为入射太赫兹光束的不均匀和测量误差引起的。纵向分量的相位呈现出清晰的涡旋分布，并随着传播距离的增大，旋转方向一直呈现逆时针变化，在焦点前后其扭转方向发生了反转。对于该过程的模拟，由于圆偏振光束可以分解为两个正交线偏振光束的线性叠加，因此其纵向分量可以表示为Ez=exp (-iπ/2)Exz+Eyz，其中Exz和Eyz为由水平和竖直线偏振太赫兹光束产生的纵向分量。图 7(e)展示了相应的振幅和相位模拟结果，与实验结果获得了很好的一致。本工作的完成为研究电磁波的矢量衍射特性提供了一个很好的测试平台，同时也证明了本成像系统的实用性。
3.4 太赫兹表面波再现
金属表面等离子体器件是超材料家族中的重要成员，它利用亚波长结构对局域在金属表面的电磁波进行调制，对于集成光学系统的发展贡献巨大，并有可能在未来取代印刷电路板成为更有力的信息处理工具。然而，对金属表面等离子体器件的功能进行设计和验证，需要对局域在金属上的表面电场进行观测。在可见光波段多是采用扫描近场光学显微(SNOM)、荧光成像、泄露辐射成像等技术对表面波进行测量，在太赫兹波段也是采用SNOM和太赫兹时域光谱技术相结合的方法来对太赫兹表面场进行探测。这种方法实验耗时很长，并且需要改变探测器与样品之间的位置进行逐点扫描，难免影响测量的稳定性。2014年，本团队通过对太赫兹数字全息成像系统进行改进，实现了对金属表面的太赫兹场进行线扫描测量，很大程度上缩短了实验时间，并提高了测量稳定性[38]。
实验系统如图 8(a)所示，扩展的太赫兹光源照射到金属表面等离子体器件上，在器件的两侧激发太赫兹表面场。利用狭缝和扩束镜生成线形探测光束，并使其尽量贴近器件出射面掠过，同时在靠近器件出射面附近放置 < 110>ZnTe晶体对太赫兹表面场进行相干探测，实验中ZnTe晶体距离器件约500 μm，探测光距离器件约1 mm。当探测光通过ZnTe晶体后携带太赫兹表面场信息，入射到系统的成像模块中，与图 1描述一致，通过动态相减技术和差分探测技术对太赫兹信息进行提取。实验中，ZnTe晶体放置在一维电动平移台上沿x方向进行扫描测量，扫描范围为-3 mm到4 mm，扫描步长为0.4 mm。在每个扫描位置获取一系列时域图像，通过傅里叶变换，可以组成每个频率成分的太赫兹表面波分布。图 8(a)的插图展示了成像样品是一个半径为6 mm，宽度为120 μm的半月形金属狭缝。当太赫兹光束照射样品时，在狭缝边缘会激发等相位的太赫兹表面场，根据等光程原理，太赫兹表面波会出现聚焦效果。图 8(b)展示了实验测量得到的X-Y平面上太赫兹表面波时域峰值图像，清晰地呈现了太赫兹表面波的聚焦过程。实验的成像面积为7×4 mm2，实验耗时为9 h，如果利用传统的SNOM方法进行同样的实验需要约两天时间，可见线扫描太赫兹数字全息成像技术可以大幅度的缩短实验时间。图 8(c)展示了在x=0 mm方向上y=-1 mm、-0.5 mm、0 mm、0.5 mm、1 mm位置处，提取的5个太赫兹时域信号，可以明显地看出在焦点处的信号强度大于其它位置处的。图 8(d)展示了所提取的0.73 THz太赫兹表面波聚焦振幅图像，实验结果显示了太赫兹表面波聚焦在半月形金属狭缝的中心。图 8(e)是利用时域有限差分FDTD solutions模拟软件得到的仿真结果，与实验测量达到了很好的吻合。为了更准确地观察太赫兹表面波分布特点，将图 8(d)和8(e)中沿x=0 mm和y=0 mm方向的归一化振幅分布曲线提取并进行比较，如图 8(f)和8(g)所示，实验得到的横向和纵向振幅分布半高全宽(FWHM)分别是493 μm和4 mm，模拟结果分别是540 μm和3.6 mm，略微的误差主要来自于探测晶体和探测光束的不均匀。由于获取的太赫兹信息是相干的，因此可以提取其相位信息，图 8(h)和8(i)展示了0.73 THz太赫兹表面波的相位分布实验和模拟结果。由于在实验中随着探测晶体的移动，太赫兹表面波与探测光的光程是一同改变的，因此太赫兹表面波的线性相移被有效地消除，可以清晰地观测出在聚焦过程中的Gouy相移现象。将图 8(h)和8(i)中沿y=0 mm方向的相位分布曲线进行提取，如图 8(j)和8(k)所示，可以看出由于太赫兹表面波是一维聚焦，因此在焦点前后，其相位仅发生了π/2的变化。为了进一步验证实验和模拟结果，实验中还对0.2 THz和0.3 THz分量的相位分布进行了提取，同样观察到了π/2的变化，不同之处在于频率越高的光谱成分，相位变化越迅速，这是因为高频成分具有更短的Rayleigh长度和更大的横向波矢，这与本团队之前在自由空间中观察太赫兹波的衍射现象是一致的[39]。本工作的完成为表征金属表面等离子体器件的性能测试提供了一项有效的工具，对于推动太赫兹集成系统、芯片系统的发展有很大的帮助。
以线扫描成像系统为平台，2015年，本团队对太赫兹表面波成像进行了进一步的探索，研究了半圆环表面等离子体透镜的偏振选择聚焦特性，并利用惠更斯-菲涅尔原理以及傅里叶变换特性进行了理论分析[40]。实验系统如图 9(a)所示，其与图 8(a)基本一致，不同之处在于太赫兹光路中加入了TQWP或太赫兹半波片(THWP)用来产生LCP、RCP或y偏振太赫兹辐射。图 9(a)插图展示了样品示意图，根据惠更斯-菲涅尔原理，认为任一点(x, y)处的太赫兹表面波可以看做沿半圆环边缘不同位置(x′, y′)处产生的表面次波源的线性叠加。当LCP/RCP光入射样品时，会对太赫兹表面波附加一个沿半圆环方向的螺旋相位，经过聚焦后相当于进行了一次傅里叶变换，根据傅里叶变换的平移特性，使得表面波的焦点出现了相应的空间横移。图 9(b)和9(c)展示了LCP/RCP入射光产生的表面波聚焦强度分布图，可以看出LCP光激发的太赫兹表面波焦点向下移动，而RCP光激发的太赫兹表面波焦点向上移动。在x=0 mm处截取强度分布曲线，如图 9(d)和9(e)所示，可以更加清晰地看出焦点的横向移动，移动距离大约为75 μm。利用FDTD solutions软件对实验过程进行模拟，发现模拟结果与实验结果可以达到很好的一致。图 9(f)和9(g)为LCP/RCP入射光产生的太赫兹表面波聚焦过程的相位分布，由于存在几何相位的干扰，螺旋相位的表现并不十分清晰。图 9(h)展示了在x=-2 mm处截取的相位分布曲线，可以看出LCP/RCP光引发的相位分布差别。将二者相减以消除几何相位影响，并将相位差在y方向进行投影，结果如图 9(i)所示，可以看出太赫兹表面波的相位沿y方向逐渐增大，实验测量结果、数值模拟结果、以及利用理论公式计算结果吻合一致，验证了理论分析的正确性。当y偏振太赫兹波入射时，可以看作LCP和RCP光的线性叠加，在半圆环的上下四分之一环处产生的太赫兹表面波会出现极性的反转，因此会在圆心处产生两个振幅极大值，图 9(j)和9(k)展示了实验和模拟结果。对x=0 mm位置处的振幅和相位分布曲线进行截取，如图 9(l)和9(m)所示，可以看出焦点的横向场分布类似于贝塞尔光束，在光轴位置处存在振幅极小值，这是由于在光轴位置存在π的相位跳变所引发的表面波相干相消导致的。本工作在实验上观测了太赫兹表面波对于激发光不同偏振态的特殊响应，并提出了简单直观的理论模型，对于深入研究偏振相关表面等离子体器件提供了重要的实验基础。
4. 关键技术分析
太赫兹数字全息成像技术发展至今已具备了较强的实用价值，可以实现对样品的全部光学信息进行精确获取，进而对物质的物理化学特性进行全面而深入的分析。然而，太赫兹数字全息术要想便捷地应用于工业生产中还需要克服一些技术难关。例如：目前的太赫兹成像系统还只能在实验室中运行，对于实验环境存在较严苛的要求，如何使其与光纤飞秒激光器兼容使用，降低成像系统对周围湿度和温度的要求，还需要在技术上进行进一步的改良；成像系统是通过CCD对太赫兹图像信息进行采集，由于无法采用锁相技术，因此系统的信噪比一直受到了极大地限制，这也影响了成像系统的应用；为了对太赫兹电磁场的波前信息进行相干测量，通常都采用电光晶体作为探测器，而太厚的晶体会导致成像系统的空间分辨率下降，太薄的晶体又会影响探测灵敏度，晶体的尺寸太小会难以进行大面积成像，而大尺寸的晶体成本又太高；在对物体进行测量时，太赫兹时域图像的获得还是通过不断调整太赫兹光路与探测光路的光程差进行获取的，这使得实验时间难以进一步缩短，如何将单脉冲测量技术引入太赫兹成像，还需要对成像系统进行优化设计。尽管还存在一些限制，但是随着新一代太赫兹材料的问世(例如铌酸锂、DAST、DSTMS等[41-43])以及太赫兹探测技术[44-47]的不断开发，为太赫兹成像系统提供了更强的辐射源和更灵敏的探测手段，使得太赫兹成像技术的实用性不断得到提高，相信很快会形成工业化推广并获得市场效益。
5. 结束语
本文综述了作者所在团队近年来在太赫兹成像领域所进行的部分应用研究，包括对以亚波长金属天线为结构单元的超薄太赫兹平板元件进行性能表征，观测了对太赫兹波前实现纯相位调制以及偏振选择性响应等功能；对利用半导体光致载流子实现对太赫兹波前的全光调控，完成了可控波带片、可控数字全息图、以及可控太赫兹矢量光束等；对自由空间中不同偏振态太赫兹衍射光场的纵向分量进行成像，观测了线偏振和圆偏振聚焦太赫兹光束的纵向光场分布；通过对成像系统进行改进，实现了对金属等离子体器件的太赫兹表面场进行重建，并分析了金属半环结构对不同偏振太赫兹入射场的选择性聚焦。本文还对太赫兹数字全息成像系统的优势、限制以及未来的前景进行了分析和预测。这些工作对于太赫兹成像技术的应用推广、太赫兹波段的关键元器件开发、以及太赫兹集成系统的研制都具有很好的促进作用。
太赫兹数字全息术的研究进展
doi: 10.3788/CO.20171001.0131
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首都师范大学机构 物理系, 北京 100048
国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目 2013CBA01702
国家自然科学基金资助项目 11474206
国家自然科学基金资助项目 91233202
国家自然科学基金资助项目 11374216
国家自然科学基金资助项目 11404224
教育部新世纪优秀人才资助项目 NCET-12-0607
北京市教委科技面上项目 KM201310028005
教育部博士点基金资助项目 20121108120009
北京市教委青年拔尖人才资助项目 CIT & TCD201504080
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