超寬帶無色差超分辨廣角太赫茲成像透鏡

鑒于太赫茲信號的高穿透性和非電離特性，其在生物醫學成像，生物傳感，無損檢測等領域具備廣闊的應用前景，如早期癌癥組織的識別和觀測，特定化學成分的鑒定，復合材料中微裂紋和空氣泡的檢測，已有眾多學者和企業投身于相關領域的研發工作中。但是太赫茲成像系統長期以來受制于傳統介質透鏡的強色差，強球差和低分辨率等問題，導致成像質量與實際應用需求之間仍有較大差距。尤其是對于0.3 THz以上的成像系統，急需研發出超分辨率成像系統的解決方案。

基于上述需求，香港城市大學太赫茲與毫米波國家重點實驗室成功研制了超寬帶無色差超分辨廣角太赫茲成像透鏡，并在生物成像和無損檢測方面做出了應用示范。相關成果以“3D-printed aberration-free terahertz metalens for ultra-broadband achromatic super-resolution wide-angle imaging with high numerical aperture"發表在《Nature Communications》。該研究創造性地提出并設計了徑向梯度周期性超材料，以實現超高工作帶寬下的超分辨率成像，并同時消除色差與彗差。

該太赫茲超透鏡是由復雜且精密的徑向梯度周期性超材料結構構成，該結構是通過摩方精密microArch^® S230 (精度:2 μm) 高精密3D 打印系統制備完成。

圖1. 3D打印的超寬帶超分辨無色差廣角太赫茲成像透鏡。

在太赫茲超透鏡的基礎上，將二個太赫茲超透鏡沿著焦點對稱放置，構造全新的太赫茲超分辨成像系統，該系統可在單個太赫茲超透鏡聚焦精度的基礎上可將分辨率提升1.5倍，進一步增強了該系統對亞毫米組織細節的分辨能力。圖1中展示了該太赫茲超透鏡的消色差、消彗差特性，并對其在無損檢測和生物成像中的應用做了藝術展示。

圖2. 3D打印太赫茲超透鏡無色差無彗差超分辨聚焦特性的實驗驗證。

為測量0.2THz~0.9THz范圍內的電場分布，研究團隊采用Anritsu MG3697C信號發生器產生射頻輸入信號，依次送入信號發生器擴展器（SGX）模塊VDI WR5.1、3.4、2.2、9.0、1.0，通過相應的喇叭產生覆蓋0.2~0.9 THz范圍的線性極化THz信號。由一個VDI WR9.0 SGX和兩個乘法器（WR4.3×2和WR1.5×3）組成的乘法器鏈產生0.5~0.75 THz范圍內的信號。相關接收組件依次為信號分析儀擴展器（SAX）模塊VDI WR5.1、3.4、2.2、1.5、1.0，方便通過相應的探頭檢測THz信號。這些接收組件被固定在一個二維電動平臺上，由計算機控制的步進電機移動，步進電機的移動步長為 0.1 mm。通過使用信號分析儀 KEYSIGHT N9030A 處理和記錄接收到的 THz 信號，可以獲得二維電場分布。對于離軸聚焦的測量，SGX 模塊 VDI WR9.0 和兩個倍增器（WR4.3×2 和 WR1.5×3）被安裝在轉盤上，精確地定位在所制作的超透鏡的中心。這種布置便于調整 SGX 模塊產生的 THz 波的入射角，范圍從 0° 到 90°。因此，可以通過該裝置測量離軸聚焦。

圖3. 3D打印太赫茲超透鏡超分辨成像的實驗驗證。

圖 3a 中展示的成像系統原理如下：從對角喇叭天發射 y 極化 THz 波，入射到超透鏡 1（M1）上，以在樣品上形成焦點。隨后，超透鏡 2（M2）負責準直 M1 產生的聚焦光束。最終，THz 信號由接收（Rx）喇叭天線收集，如圖 3a 所示。與單超透鏡配置相比，這種雙超透鏡設置可顯著提高成像分辨率。工作頻率設置為 0.7 THz，以在 FWHM 和效率之間取得微妙的平衡。成像樣品位于 M1 和 M2 的共焦平面上，并安裝在計算機控制的電動臺上，以便于 2D光柵掃描。隨后對收集到的 2D 功率數據進行后處理以生成成像場景映射。在評估成像性能之前，必須進行校準程序，該程序需要在沒有超透鏡和安裝樣品的情況下評估總損耗。該評估包括路徑損耗（從 Tx 到 Rx）和 VDI 設備引入的轉換損耗 。該校準程序用于對樣品的測量數據進行反卷積，從而抵消測量不準確性并增強成像對比度。

為了展示廣角成像性能，該系統在 xz 平面上采用了一個 360° 旋轉臺，對稱安裝的 Tx 和 Rx 可實現任意角度 (θ) 入射，確保離軸成像的靈活性。超透鏡精確定位在中央，以確保任意入射角的全面照明和準直。此外，兩個透鏡 (dx 和 dz) 之間的位移根據圖 2e 中評估的焦距偏移進行精心調整，保證相應入射角的最佳聚焦。

在成像實驗中，分別對隱藏在介質板下的精密電路結構、帶缺陷的光柵結構以及新鮮樹葉進行了超分辨成像。可精確識別出光柵結構中0.1 mm量級的缺陷，電路中間距為0.2 mm的微帶線路，介質板內部的紡織狀條紋，樹葉中的組織紋理。

圖4. 入射角度為 θ = 15°、30°、45°的成像性能比較。

總結：在本項研究中研發的超寬帶無色差超分辨廣角太赫茲成像透鏡，在0.2到0.9THz的超寬帶范圍內，實現了數值孔徑0.555的無色差超分辨聚焦，90度的大視場角，并能對間距0.2mm的目標實現高分辨的識別。該項成果極大的推進了太赫茲成像技術的發展，突破了消色差透鏡系統復雜，分辨率低，大數值孔徑與大工作帶寬不可兼容，消色差與消彗差不可兼容等技術難題。為新一代緊湊可集成的太赫茲成像系統的研發提供了全新的技術路徑。