研究背景

太赫茲波是介于紅外與毫米波之間，尚未充分利用的電磁頻譜。由于太赫茲波與物質的相互作用，如分子轉動、自旋波等，許多材料存在指紋譜特征。獲取太赫茲頻段的光譜空間信息，在生物醫學診斷、制藥工業和安全檢查等領域具有巨大的應用潛力。目前，盡管相干探測器陣列和太赫茲時域光譜成像技術等太赫茲光譜成像技術取得了一定發展，復雜的系統和高昂的成本限制了這些技術的廣泛應用。

近年來，基于壓縮感知的計算成像技術得到了廣泛研究。它通過空間光調制器對光場進行編碼，結合壓縮感知算法對單像素探測器采集的信號進行計算重建。在太赫茲頻段，壓縮感知成像技術降低了太赫茲光譜成像的門檻和成本。太赫茲空間光調制器是壓縮感知成像系統的關鍵部件。近年來，基于超表面的太赫茲空間光調制器涌現出來，在太赫茲壓縮感知成像中展現了巨大的發展潛力。

由于液晶材料的電光效應和低介質損耗，非常適合開發太赫茲可編程器件。基于液晶的可編程器件在太赫茲波束賦型等領域引起了研究人員的極大興趣。太赫茲液晶器件的制備工藝與液晶顯示產線兼容度高，具有低成本的優勢。盡管如此，目前液晶可編程器件在工作帶寬、速度、調制深度等方面仍然存在不足。此外，在太赫茲壓縮感知成像中，各像素調制深度不一致性會對成像質量帶來嚴重影響。

鑒于此，近日，南京大學吳培亨院士課題組的金飚兵教授聯合電子學院、現代工學院以及紫金山實驗室多個研究團隊，研制出液晶太赫茲空間光調制器，實現了雙色壓縮感知成像；開發了自校準算法，克服了光源和像素不一致性的不利影響，提升了成像質量；提出了頻率切換的壓縮感知成像方法，將成像時間縮短50%。

研究內容

研究人員設計了一種電壓調控的液晶太赫茲空間光調制器。單元采用了金屬-介質-金屬(MIM)型的超表面吸收器結構，雙頻液晶作為介質層被封裝在兩層金屬結構中間。利用液晶的電光效應，當施加電壓液晶的介電常數從2.8變化到3.5時，吸收點的頻率偏移了約30 GHz，在兩個諧振點都可以獲得了較大的調制深度。器件的工作原理如下圖1所示。

圖1：太赫茲空間光調制器工作原理

研究人員對制備的器件進行了反射譜和調制深度的測試。當施加電壓偏置后，諧振點發生了約20 GHz的頻率偏移，在兩個諧振頻點(f1和f2)調制深度均大于70%。由于f1和f2反射和吸收狀態恰好相反，因此兩個頻點處的投影是互補的。通過掃描成像的方法得到了清晰的投影成像，驗證了器件具有良好的太赫茲波空間調制能力，具體如圖2所示。

圖2：a.器件的性能表征，b和c不同頻率下字母N的投影像

由于頻率點f1和f2均具有較高的調制深度，因此可以利用這兩個頻率點分別進行壓縮感知成像。為了驗證其對色散物體的成像效果，研究人員設計了在f1和f2處具有不同色散特性的超材料單元，并由這兩種單元組合成具有一定圖案的成像物體。在f1和f2處分別進行了壓縮感知成像，獲得了與預期相同的像，并合成出偽彩色光譜像。

此外，研究人員提出了自校準算法(ACS)，對太赫茲源和空間調制器各像素的非均勻性進行校準。在建立的成像模型中，上述非均勻性因素被考慮進來。通過模型求解，可以實現成像系統的自校準和圖像重建同步進行。和傳統壓縮感知成像算法相比，ACS算法成像質量明顯更優，具體如圖3所示。

圖3：a超材料組成的色散成像物體，b和c不同頻點和算法下的成像結果

在壓縮感知成像中,為了獲得含有1和-1元素的Hadamard矩陣，需要施加正碼和反碼掩膜各測一次并進行互減，正反碼的切換增加了成像時間。該液晶器件在同一幀掩模下，在頻率f1和f2處，正好互為正反碼，研究人員由此提出了頻率切換的壓縮感知成像方法。通過切換太赫茲源的頻率，在同一幀掩模下獲得正反碼，從而實現Hadamard矩陣編碼。對于液晶空間光調制器，掩模的切換時間遠大于太赫茲源的頻率切換時間，因此成像時間可以減少一半。成像結果表明，該方法可以實現非色散物體的壓縮感知成像。運用自校準成像算法，可以將成像信噪比提升456%，極大提高這一方法的實用性，具體如圖4所示。

圖4：a頻率切換壓縮感知成像原理，b銅箔紙樣品成像結果。

總結

該工作提出了一種8×8陣列的液晶太赫茲空間光調制器，兩個工作頻點調制深度均大于70%，并實現了太赫茲投影成像、雙色壓縮感知成像、頻率切換壓縮感知成像。此外，提出了一種ACS成像算法，極大提高了成像質量。液晶太赫茲空間光調制器的發展，為低成本實用化的太赫茲光譜成像技術提供可能的途徑。

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審核編輯：湯梓紅