太赫兹相干成像方法与太赫兹相干成像装置

本发明涉及超快非线性光学和太赫兹成像领域，尤其涉及一种太赫兹相干成像方法以及一种太赫兹相干成像装置。

背景技术：

1、太赫兹波介于微波与红外波之间，具有高穿透性、低损伤性等独特性能。因此，太赫兹成像在国家安全、智能交通、生物医学等领域具有巨大的应用价值。然而，目前主流太赫兹成像器件在灵敏度、分辨率和成像速度等方面远远落后于光学相机，从而极大限制了太赫兹波的应用场景。

2、里德堡原子是主量子数较大的激发态原子，相邻里德堡态之间的跃迁频率通常处于微波和太赫兹频段，且相邻能级的跃迁几率很高。以里德堡原子为媒介，可以将难以探测的太赫兹信号高效转换成可见光，再通过可见光波段光学相机实现太赫兹信号的高灵敏、高分辨成像，从而巧妙地利用了原子量子态能够精准感知弱电磁场信号的优势，将太赫兹成像的难题转化为可见光成像，并充分结合了太赫兹波的独特性能和可见光成像的技术优势。同时，原子里德堡态的能级寿命在微秒量级，可支持高达兆赫兹帧频的高速太赫兹成像。

3、现有技术中，虽然基于里德堡原子的太赫兹成像技术已得到初步实验验证(可参考phys.rev.x 10,011027(2020))，但是该技术采用的是太赫兹波到可见光荧光的转换。由于荧光为非相干辐射，不仅强度低，而且方向性差，因此从太赫兹波到可见光的转换效率和成像元件的收集效率都较低，从而限制了太赫兹成像的灵敏度和速度。

4、为了克服现有技术所存在的上述缺陷，本领域亟需一种太赫兹相干成像技术，通过太赫兹波到可见光的相干转换，实现太赫兹波的高灵敏、高分辨、高帧频成像，应用于无人机、隐形飞机等高速运动目标远距离快速探测，以及爆炸物识别、安检反恐等军民领域。

技术实现思路

1、以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

2、为了克服现有技术所存在的上述缺陷，本发明提供了一种太赫兹相干成像方法以及一种太赫兹相干成像装置，通过太赫兹波到可见光的相干转换，提高现有的太赫兹程序技术的灵敏度、分辨率和成像速度，实现太赫兹波的高灵敏、高分辨、高帧频成像，应用于无人机、隐形飞机等高速运动目标远距离快速探测，以及爆炸物识别、安检反恐等军民领域。

3、具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述太赫兹相干成像方法，包括步骤：通过合光元件，将入射激光和太赫兹波合成为合成光线，所述入射激光包括两个不同波段的激光脉冲；将所述合成光线入射至碱金属蒸汽气室，通过多波混频，所述碱金属蒸汽气室将所述太赫兹波转化为可见光波段的相干信号光；经由滤光元件过滤所述合成光线，所述相干信号光透过所述滤光元件入射至可见光相机；以及通过所述可见光相机对所述相干信号光进行成像，以实现所述太赫兹波的成像。

4、优选地，在本发明的一实施例中，将所述合成光线入射至碱金属蒸汽气室，通过多波混频，所述碱金属蒸汽气室产生可见光波段的相干信号光的步骤包括：通过所述合成光线所包含的所述入射激光，将所述碱金属蒸汽气室内的碱金属原子激发为里德堡原子；以及所述合成光线所包含的所述太赫兹波与所述里德堡原子相互作用，产生所述相干信号光。

5、优选地，在本发明的一实施例中，所述合成光线所包括的太赫兹波与所述入射激光所包括的两个所述激光脉冲沿同一方向传输。

6、此外，根据本发明的第二方面提供的上述太赫兹相干成像装置包括激光发射装置、合光元件、碱金属蒸汽气室、滤光元件和可见光相机，所述激光发射装置用于产生入射激光，所述入射激光包括两个不同波段的激光脉冲；所述合光元件用于将所述入射激光和太赫兹波合成为合成光线，并将所述合成光线入射至所述碱金属蒸汽气室；所述碱金属蒸汽气室用于将所述太赫兹波转化为可见光波段的相干信号光；所述滤光元件用于过滤所述合成光线并透过所述相干信号光；以及所述可见光相机用于对所述相干信号光进行成像，以实现所述太赫兹波的成像。

7、优选地，在本发明的一实施例中，所述合成光线所包括的太赫兹波与所述入射激光所包括的两个所述激光脉冲沿同一方向传输。

8、优选地，在本发明的一实施例中，所述碱金属蒸汽气室包括铷原子或铯原子蒸汽气室。

9、优选地，在本发明的一实施例中，所述合光元件为透射所述入射激光并反射所述太赫兹波的元件或透射所述太赫兹波并反射所述入射激光的元件。

10、优选地，在本发明的一实施例中，所述可见光相机为电荷耦合器件。

技术特征：

1.一种太赫兹相干成像方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述将所述合成光线入射至碱金属蒸汽气室，通过多波混频，所述碱金属蒸汽气室将所述太赫兹波转化为可见光波段的相干信号光的步骤包括：

3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述合成光线所包括的太赫兹波与所述入射激光所包括的两个所述激光脉冲沿同一方向传输。

4.一种太赫兹相干成像装置，其特征在于，包括激光发射装置、合光元件、碱金属蒸汽气室、滤光元件和可见光相机，

5.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述合成光线所包括的太赫兹波与所述入射激光所包括的两个所述激光脉冲沿同一方向传输。

6.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述碱金属蒸汽气室包括铷原子或铯原子蒸汽气室。

7.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述合光元件为透射所述入射激光并反射所述太赫兹波的元件或透射所述太赫兹波并反射所述入射激光的元件。

8.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述可见光相机包括电荷耦合器件。

技术总结
本发明提供了一种太赫兹相干成像方法以及一种太赫兹相干成像装置。太赫兹相干成像方法包括步骤：通过合光元件，将入射激光和太赫兹波合成为合成光线，入射激光包括两个不同波段的激光脉冲；将合成光线入射至碱金属蒸汽气室，通过多波混频，碱金属蒸汽气室将太赫兹波转化为可见光波段的相干信号光；经由滤光元件过滤合成光线，相干信号光透过滤光元件入射至可见光相机；以及通过可见光相机对相干信号光进行成像，以实现太赫兹波的成像。

技术研发人员：姚金平,黄舜林,薛鹏宇,李泽龙
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/6/2