高通量太赫兹成像进展与挑战

   太赫兹波介于红外波段和毫米波段之间，具有许多独特的性质。因此，它们被广泛应用于无损检测、安全筛查、生物医学诊断、文化遗产保护、化学等领域，在鉴定、材料表征、大气/天体物理研究等领域具有广阔的应用前景。然而，由于太赫兹波的单像素特性以及光栅扫描获取图像数据的要求，现有的太赫兹成像系统需要的成像时间从数十分钟到数十小时不等。

　　为了充分发挥太赫兹成像在现实世界中的应用潜力，太赫兹图像传感器阵列和先进计算成像算法的发展正在逐步解决传统系统冗长的成像过程。

          1.在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由加州大学洛杉矶分校(UCLA)Mona Jarrahi 和 Aydogan Ozcan 教授领导的科学家团队从高通量太赫兹成像系统的最新进展中从硬件和计算成像的角度进行审查。

　　他们推出了各种图像传感器阵列，这些阵列已用于开发高通量频域和时域太赫兹成像系统。在频域类别中，捕获成像对象的单频或频率平均响应。频域太赫兹成像系统中使用的各种类型的传感器阵列包括基于微波辐射计、场效应晶体管、光子传感器和超导传感器的图像传感器阵列。

         2.在时域类别中，捕获脉冲太赫兹照明下成像对象的超快时间响应，这不仅提供幅度和相位，还提供超快时间和光谱信息。综述了两种主要的光栅扫描太赫兹时域成像系统：一种基于光电采样和光学相机，另一种基于光电导天线阵列。比较了频域和时域太赫兹成像系统的功能和局限性，并讨论了对现有成像系统进行可能的修改以实现新的/增强的功能。

        3.随着太赫兹成像硬件的快速发展，计算成像方法提供了额外的功能，减轻了太赫兹图像传感器高通量操作的一些限制。作者讨论了三种主要的计算成像方法：数字全息术、空间编码和衍射处理。数字全息术可以使用频域图像传感器进行太赫兹相位成像。

       4.单像素成像系统检测到的太赫兹光束的空间编码可以通过压缩感知算法等计算方法进行图像重建。衍射处理工程师将太赫兹前端用于特定任务的光束编码，接管通常由数字后端处理的一些计算任务。衍射深度神经网络(D2NN)可以利用光与物质的相互作用来共同执行输入和输出视场之间的复杂功能，并实现各种成像任务，例如对象分类、通过扩散器成像和定量相位成像。

　　总而言之，希望本文能够激发太赫兹成像科学技术的进一步发展，加速太赫兹成像系统不仅在科学实验室和工业环境中，而且在我们的日常生活中更广泛的应用。

　　延伸阅读：

　　在众多太赫兹技术的研究中，太赫兹辐射源的研究占有非常重要的地位，产生太赫兹辐射的方式主要有以下三种：

          1.基于电子技术的太赫兹辐射源，包括回波管、耿氏振荡器和固态倍频源等。这是毫米波技术向高频的过渡。拓展方向，这类太赫兹辐射源工作在1 THz以下，输出功率通常在几十微瓦到毫瓦量级。

          2.基于光子技术的太赫兹辐射源，包括量子级联激光器、自由电子激光器和气体激光器等，是激光技术向低频的延伸。此类太赫兹辐射源输出功率较大，具有良好的应用潜力。基于太赫兹激光器的光学频率梳技术在高分辨率成像和光谱学应用中具有广阔的前景。

         3.基于超快激光技术的太赫兹辐射源。此类技术是1THz附近向高频和低频方向同时发展的太赫兹辐射源技术。此类太赫兹辐射源具有脉宽窄、峰值功率高的优点，但存在能量转换效率低、平均输出功率低的问题。

　　因此，探索实现室温、高输出功率、连续可调、小型化的辐射源将极大推动太赫兹技术的研究，也是当前太赫兹领域的重要发展目标。