石 敬，王新柯，鄭顯華，賀敬文，王 森，謝振威，崔 燁，葉佳聲，孫文峰，馮勝飛，韓 鵬，張 巖

（首都師范大學物理系，北京100048）

太赫茲數(shù)字全息術的研究進展

石 敬，王新柯*，鄭顯華，賀敬文，王 森，謝振威，崔 燁，葉佳聲，孫文峰，馮勝飛，韓 鵬，張 巖

（首都師范大學物理系，北京100048）

隨著太赫茲成像技術的不斷成熟，其空間分辨率和系統(tǒng)信噪比逐漸提高，成像速度逐漸加快，光學信息獲取能力逐漸變強，人們對太赫茲成像在基礎研究和工業(yè)應用的開發(fā)也逐漸深入。本文綜述了近年來科研人員利用太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)進行的部分研究工作，包括對平板太赫茲元件的性能表征、對光控太赫茲元件的功能驗證、對衍射太赫茲場中的縱向分量進行觀測、以及對金屬亞波長器件的太赫茲表面波進行分析。這些工作的完成對于太赫茲集成系統(tǒng)的研究和太赫茲成像技術的應用都具有積極的推動作用。

太赫茲；數(shù)字全息；光控元件；表面波

1 引 言

太赫茲波（簡稱THz，1 THz=1012Hz）是指頻率在0.1～10 THz范圍內(nèi)的遠紅外電磁輻射，由于其具有高透射、寬光譜、低光子能量、與極性物質(zhì)反應劇烈等諸多特性，使得太赫茲技術在基礎研究和工業(yè)開發(fā)方面存在著巨大的應用潛力。伴隨著飛秒激光技術、電子技術和半導體材料的相關研究不斷發(fā)展，高強度太赫茲源、高靈敏度太赫茲探測器、以及太赫茲波段的功能器件相繼問世，使得太赫茲檢測系統(tǒng)日趨成熟，實用性逐漸提高。由于太赫茲技術具有測量精度高、光致?lián)p傷小、光譜信息豐富等優(yōu)勢，已經(jīng)成為人們所熟知的重要光學測量手段。

作為太赫茲技術重要組成部分之一，太赫茲成像技術最早是在太赫茲時域光譜系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。早期的太赫茲成像系統(tǒng)將太赫茲輻射聚焦于樣品表面，并不斷移動樣品位置，測量從樣品透射或反射的太赫茲信號組成二維光學信息。1995年，B.B.Hu等人利用透射式太赫茲逐點掃描成像技術對芯片內(nèi)部結(jié)構和樹葉含水量進行了觀測［1］，1997年，D.M.Mittleman等人利用反射式太赫茲掃描成像技術對磁盤內(nèi)部結(jié)構進行了層析測量［2］，從此太赫茲成像技術引起了人們的廣泛關注并得到了迅速發(fā)展［3-5］。由于傳統(tǒng)的太赫茲成像采用逐點掃描的測量方式，存在采樣率低、實驗耗時長等問題，限制了太赫茲成像的應用發(fā)展。1996年，Q.Wu等人提出了利用擴展太赫茲光源對物體進行面陣測量的方式，很大程度上縮短了實驗時間并提高了成像精度［6］，由于此技術采用CCD攝像頭提取太赫茲二維場信息，通常稱此技術為太赫茲數(shù)字全息術。太赫茲數(shù)字全息術的提出對于太赫茲成像的發(fā)展具有重要意義，多個國家的研究團隊都對此技術進行了改進和應用研究［7-9］。2003年，T.Feurer等人利用此技術觀測了LiTaO3晶體中聲子的傳播與干涉過程［10］。2006年，H.Zhong等人利用反射太赫茲數(shù)字全息術對物質(zhì)的化學性質(zhì)進行了成像測量，實現(xiàn)了五種物質(zhì)的成分識別［11］。2008年，T.Yasui等人通過改進線掃描太赫茲數(shù)字全息系統(tǒng)，實現(xiàn)了每秒鐘23 200像素的成像速率［12］。2011年，F(xiàn).Blanchard等人利用20μm厚的LiNbO3作為探測晶體，實現(xiàn)了分辨率可以達到14μm的太赫茲面陣成像［13］。目前，隨著太赫茲成像系統(tǒng)的逐漸成熟，實用性不斷增強，適用范圍更加廣闊，已經(jīng)呈現(xiàn)了明顯的市場需求和產(chǎn)業(yè)化進程。

2007年，本科研團隊開始從事關于太赫茲數(shù)字全息技術的研發(fā)，至今已經(jīng)開發(fā)出了國內(nèi)唯一一套具有高分辨率、高信噪比和偏振測量功能的太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對太赫茲場波前信息的全部獲取，包括振幅、相位、偏振和頻域光譜等。本文綜述了近年來本團隊在太赫茲數(shù)字全息技術方面的部分研究成果，包括利用太赫茲成像系統(tǒng)對太赫茲波段平板元件衍射性能進行表征、對光控太赫茲元件進行功能驗證、對自由空間太赫茲衍射場中的縱向偏振分量進行重建、以及對金屬等離子體器件的太赫茲表面波傳輸過程進行觀測。同時，本文也對太赫茲數(shù)字全息技術的未來發(fā)展進行了評論和展望。

2 太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)

圖1展示了由本團隊搭建的太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用鈦寶石飛秒激光放大器作為光源，激光脈沖中心波長為800 nm，重復頻率為1 kHz，脈寬為100 fs，輸出功率為900 mW，光斑直徑約為8 mm。激光被分為890 mW的泵浦光和10 mW的探測光，分別用于產(chǎn)生和探測太赫茲脈沖。泵浦光首先通過凹透鏡（L1）擴束并照射到＜110＞ZnTe晶體上，在ZnTe晶體內(nèi)通過光整流效應產(chǎn)生太赫茲輻射。利用金屬拋物面反射鏡（PM）對太赫茲光束進行準直，其直徑約為30 mm。擴束的太赫茲波透射過樣品，攜帶樣品信息后照射探測晶體＜110＞ZnTe進行相干成像測量。探測光通過二分之一波片（HWP）和偏振片（P）來調(diào)節(jié)其偏振態(tài)，利用50／50的非偏振分束器（BS）將探測光反射到探測晶體上。在探測晶體內(nèi)，太赫茲電場會調(diào)制探測晶體的折射率橢球，進而改變探測光的偏振態(tài)，由此將太赫茲電場的波前復振幅信息加載到探測光上。攜帶太赫茲信息的探測光由晶體的左側(cè)表面反射，利用系統(tǒng)的成像模塊對太赫茲信息進行提取。探測光的圖像由透鏡組（L2和L3）投影到CCD攝像頭上，并利用四分之一波片（QWP）和渥拉斯頓棱鏡（PBS）將探測光分解為水平和豎直偏振分量，CCD與機械斬波器（Chopper）進行同步控制，利用動態(tài)相減技術［7］和差分探測技術［14］對太赫茲圖像進行提取。由于探測晶體的尺寸限制，系統(tǒng)的成像尺寸約為直徑10 mm的圓斑區(qū)域，在實驗中通過連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲光束與探測光束的光程差，可以對不同時間點的太赫茲圖像進行測量，并通過對每個象素上的太赫茲時域信號進行傅立葉變換，可以準確地得到不同頻率成分的太赫茲復振幅分布。

圖1 太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)Fig.1 Terahertz（THz）digital holographic imaging system

本成像系統(tǒng)的特點在于：（1）可以一次性的采集太赫茲時域電場二維分布［15］，具有較高的空間采樣率，系統(tǒng)像素數(shù)目為300 pixel×300 pixel，單個pixel尺寸為32μm；（2）通過引入了準近場探測技術，可以使樣品緊貼探測晶體放置，減小了太赫茲光波的衍射影響，達到100μm的空間分辨率［15］；（3）通過將差分探測技術引入太赫茲成像系統(tǒng)，可以有效地提高成像系統(tǒng)的信噪比，單個像素的信噪比可以達到20 dB［14］；（4）通過調(diào)整探測光的偏振態(tài)，可以實現(xiàn)不同太赫茲偏振分量的測量，更全面地獲取光學信息［16］。利用此系統(tǒng)的諸多特性，本團隊完成了一系列涉及不同太赫茲研究領域的成像工作，從多方面驗證了本系統(tǒng)的實用性。

3 太赫茲數(shù)字全息術的應用

3.1太赫茲平板元件的性能表征

當前，超材料（Meta-material）器件的研究已經(jīng)成為了現(xiàn)代光學發(fā)展的重要分支之一，利用微納尺度金屬結(jié)構單元組成的人工材料可以對電磁波實現(xiàn)多種特殊的衍射特性，例如超常透射、負折射率、選擇性濾波等功能［17-19］。自2011年，哈佛大學的Capasso教授團隊首次提出了超表面（Meta-surface）的概念，利用微納金屬結(jié)構的二次電磁輻射來對透射電磁場進行振幅相位調(diào)控，為超材料家族的發(fā)展提供了新的動力［20］。目前已經(jīng)有很多國內(nèi)外的科研團隊對超表面器件進行研究，波段從微波一直覆蓋到可見光［21-23］。2013年，本團隊首次將超表面理念引入到太赫茲波段，設計了若干以V型天線、棒型天線為結(jié)構單元的超表面太赫茲器件，并利用太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)對其衍射性能進行了驗證［24］。圖2展示了利用V型天線結(jié)構所設計的太赫茲渦旋相位板以及測試結(jié)果［25］。此結(jié)構所對應的中心頻率為0.75 THz，如圖2（a）所示，通過改變V型天線的開口角度θ及天線單臂長度h可對透射的正交極化太赫茲分量進行不同程度的相位調(diào)制，同時保持振幅不變。圖2（b）展示了所設計的8個天線單元，前4個天線的θ取值為130°、120°、100°、60°，h取值為78μm、82μm、90μm、150μm，后4個天線為其鏡像對稱結(jié)構，相鄰天線單元對太赫茲場的相位調(diào)制相差π／4。圖2（c）為利用所設計的天線單元組成的太赫茲渦旋相位板（VPP），天線結(jié)構加工在100 nm厚的金膜上，樣品基底為500μm的高阻硅片，天線結(jié)構隨著方位角相應變化，而在徑向方向上保持不變。將相位板放入太赫茲成像系統(tǒng)進行表征，圖2（d）展示了拓撲荷數(shù)l=1的透射太赫茲渦旋光束振幅分布，圖像呈現(xiàn)中空的分布特點，這是由于太赫茲光場中心部位存在相位奇點，光場相干相消導致中心強度為零。圖2（e）展示了相應太赫茲光場相位分布，可以看出其呈現(xiàn)了所預設的渦旋變化，隨著方位角的增大，相位從-π到π線性增加。為了進一步驗證此天線結(jié)構的實用性，本團隊又設計了拓撲荷數(shù)l=2和l=3的渦旋相位板，圖2（f）和（g）展示了所測量的透射太赫茲光場相位分布，可以看出相位變化分別為4π和6π，都達到了預期結(jié)果。為了研究渦旋光束在遠場的衍射特性，利用一個硅透鏡將太赫茲渦旋光束聚焦，并在焦點附近對其進行Z掃描測量，實驗系統(tǒng)如圖2（h）所示。圖2（i）展示了在距離焦點位置-10 mm、0 mm、10 mm處的太赫茲電場強度分布，匯聚的太赫茲波由于中心位置的相位奇點呈現(xiàn)出了典型的面包圈形狀，太赫茲焦點光環(huán)的半徑大約為1.1 mm。圖2（j）展示了在相應位置上太赫茲電場的相位分布，可以看出在衍射過程中其相位呈現(xiàn)出螺旋變化，且隨著傳播距離的增大呈現(xiàn)順時針方向旋轉(zhuǎn)，同時在通過焦點后，相位的旋進方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)。為了描述這些變化，利用Laguerre-Gaussian模型進行了模擬，理論結(jié)果如圖2（k）所示，可以看出其完全重現(xiàn)了所測量得到的現(xiàn)象。本工作的完成對于太赫茲特殊光束的研究、太赫茲信息傳輸以及太赫茲平板光學元件的研發(fā)都具有積極的參考價值。

圖2 太赫茲渦旋相位板及成像結(jié)果。（a）V型天線結(jié)構單元設計圖；（b）8種不同參數(shù)V型天線，相鄰天線的相位調(diào)制相差π／4；（c）太赫茲渦旋相位板樣品圖；（d）拓撲荷數(shù)l=1的太赫茲渦旋光束振幅分布；（e）相應太赫茲場相位分布；（f）和（g）為拓撲荷數(shù)l=2和l=3的太赫茲場相位分布；（h）測量太赫茲渦旋光束聚焦過程的實驗系統(tǒng)；（i）和（j）為實驗測得的距離焦點位置-10 mm、0 mm、10 mm處太赫茲光束振幅和相位分布；（k）為利用Laguerre-Gaussian模型所模擬的太赫茲場相位分布Fig.2 THz vortex phase plate and imaging results.（a）Schematics of a V-shaped antenna phase modulation unit.（b）Eight kinds of V-shaped antenna structures corresponding to phase shiftswith aπ／4 interval.（c）Photography of the designed vortex phase plate.（d）Measured amplitude distribution of the generated THz vortex beam with l=1.（e）Corresponding phase distribution.（f）and（g）are themeasured phase distributions of the THz vortex fields with l=2 and l=3.（h）Experimental setup for observing the focusing process of the THz vortex beam.（i）and（j）are the amplitude and phasemaps of themeasured THz vortex beam with Z=-10 mm，0mm，and 10 mm.（k）The simulated phase distributions by using the Laguerre-Gaussianmodule

偏振是電磁波的基本自由度之一，在無線通信、3D顯示、波譜分析等諸多領域都具有重要應用。然而，在目前的光學技術中，直接分辨光波的偏振態(tài)，并進一步操縱具有不同偏振態(tài)的光子仍然存在一定的難度。2015年，本團隊在之前工作的基礎上，利用棒形天線設計了對不同偏振入射光具有空間分離聚焦和成像功能的太赫茲平板透鏡［26］。圖3（a）展示了器件的實物圖及結(jié)構單元，天線的長寬分別為150μm和50μm，天線的傾角φ（x，y）決定著對出射電磁波的相位調(diào)制程度。當左旋圓偏振（LCP）或右旋圓偏振（RCP）光入射器件時，天線結(jié)構會激發(fā)正交極化光場，并在出射光波上加載Pancharatnam-Berry相移Φ（x，y）=±2φ（x，y），進而對太赫茲光子的波矢位移產(chǎn)生調(diào)制，實現(xiàn)對不同偏振入射光的空間分離，其中±由入射光和出射光的偏振態(tài)決定。圖3（b）展示了此平板透鏡的功能示意圖，當入射LCP光時，透鏡會激發(fā)RCP光并聚焦到焦平面的左側(cè)；當入射RCP光時，透鏡會激發(fā)LCP光并聚焦到焦平面的右側(cè)。實驗中，透鏡的焦距被設定為4 mm，LCP和RCP光的焦點分離距離為2.2 mm，透鏡的中心頻率為0.75 THz。將樣品放入太赫茲成像系統(tǒng)進行測試，圖3（c）～3（e）展示了在焦平面處0.75 THz分量的強度分布圖，圖中箭頭對應著入射太赫茲波的偏振方向，分別為RCP、LCP和水平線偏振?？梢钥闯?，對于RCP太赫茲入射場，其焦斑向右側(cè)偏移；對于LCP太赫茲入射場，其焦斑向左側(cè)偏移；對于線偏振太赫茲入射場，由于其可以看作LCP和RCP太赫茲分量的線性疊加，因此在焦平面上出現(xiàn)兩個焦點，兩焦點偏離量為2.2 mm。圖3（f）～3（h）展示了相應的太赫茲出射光束在X-Z平面上的聚焦過程，同樣呈現(xiàn)了與圖3（c）～（3e）一致的特點。此透鏡的偏振選擇性成像功能也被驗證，成像測試樣品為3個鏤空金屬字母圖案“C”、“N”、“U”，每個圖案的尺寸為4×5 mm2，如圖3（i）所示。圖3（j）～3（l）展示了成像結(jié)果，成像放大率為0.5，可以看出RCP入射場得到的圖像在右側(cè)，LCP入射場得到的圖像在左側(cè)，水平線偏振光可以得到兩個圖像，與聚焦過程呈現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。本工作提出并實現(xiàn)了一種對于太赫茲光子可以偏振選擇性操控的超表面器件，完成了對不同光子偏振態(tài)的信息傳遞與處理，同時該設計原理也可以推廣于其他波段，對于推動偏振光學的發(fā)展具有積極意義。

圖3 基于超表面太赫茲平板透鏡的偏振選擇性聚焦與成像。（a）太赫茲平板透鏡實物圖，插圖展示了棒形天線的結(jié)構單元；（b）偏振選擇性聚焦示意圖；（c）～（e）對應右旋圓偏振（RCP）、左旋圓偏振（LCP）和水平線偏振太赫茲入射場，在焦平面上出射0.75 THz太赫茲光場強度分布；（f）～（h）相應的出射太赫茲光場在X-Z平面上的聚焦效果；（i）成像測試樣品；（j）～（l）對應RCP、LCP和水平線偏振太赫茲入射場的0.75 THz成像結(jié)果Fig.3 Polarization-selected focusing and imaging based on ametasurface THz planar lens.（a）Photograph of the THz planar lens.The inset shows the schematics of a barantenna unit.（b）Procedure of spin-selected focusing.（c）-（e）Intensity images of the0.75 THz componenton the focal plane for a right circularly polarized（RCP），left circularly polarized（LCP），and horizontally linearly polarized THz incident fields.（f）-（h）Corresponding longitudinal focusing processes of transmitted THz fields on the X-Z plane.（i）Imaging test sample.（j）-（l）Imaging results of 0.75 THz components for RCP，LCP and horizontally linearly polarized THz incident fields

3.2光控太赫茲衍射元件的功能驗證

太赫茲平板元件的發(fā)展為太赫茲系統(tǒng)的小型化和集成化帶來了新動力，但是這類元件在結(jié)構單元及衍射功能設定好后大多不能進行任意更改，在應用范圍上存在一定限制。目前，人們已經(jīng)逐漸關注于可調(diào)諧光學元件的研發(fā)，在太赫茲波段也陸續(xù)出現(xiàn)了相關研究。L.Y.Deng等人報道了InSb亞波長光柵的光控調(diào)諧太赫茲等離子響應［27］。S.F.Busch和M.Koch等人利用半導體光致載流子對于太赫茲輻射的吸收和反射，實現(xiàn)了虛擬太赫茲光柵和濾波器［28-29］。C.Rizza等人在理論上研究了利用紅外輻射控制半導體超材料進而調(diào)控太赫茲光場的技術［30］。然而，這些工作多是針對太赫茲光譜的裁減濾波，很少關注太赫茲波前調(diào)制。

圖4 全光可控虛擬太赫茲波帶片。（a）光控太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)，插圖展示了波帶片實物圖；（b）隨太赫茲波與控制光之間時間延遲而變化的太赫茲峰值信號曲線；（c）和（d）為在-10 ps和10 ps時間延遲位置的1 THz強度圖像；（e）為在波帶片圖像放大率為R=1.12、1.00、0.91時，0.8 THz、1.0 THz和1.2 THz分量的強度圖像；（f）成像測試樣品實物圖；（g）相應的太赫茲成像結(jié)果Fig.4 All-optical steerable virtual THz Fresnel zone plate（FZP）.（a）Optical tunable THz digital holographic imaging system.The inset shows the photograph of the FZP.（b）Variation of the THz peak signalwith the time delay between the THz and control beams.（c）and（d）present the 1.0 THz intensity imageswith the time delays of-10 ps and 10 ps.（e）THz intensity images of0.8 THz，1.0 THz and 1.2 THz components for three FZP patternswith the amplification ratios R=1.12，1.00，0.91.（f）Photographs of imaging samples，（g）Corresponding imaging results

通過將太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)進行改進，引入控制光的作用，2013年，本團隊利用半導體作為媒介實現(xiàn)了全光可控虛擬太赫茲波帶片（PTZP），并驗證了其聚焦和成像功能［31］。圖4（a）展示了實驗系統(tǒng)，飛秒激光分為三路，包括泵浦光、探測光和控制光，用于產(chǎn)生、探測和調(diào)制太赫茲輻射。利用ITO導電玻璃將太赫茲光束與控制光重合，并共同照射半導體材料，實驗中選用電阻率為10 kΩ·cm、厚度為500μm的高阻硅片。將金屬波帶片置于控制光路中，利用焦距為100 mm的凸透鏡將波帶片圖像投影到硅片表面，成像放大率為1。在光照射區(qū)域產(chǎn)生光致載流子，導致硅片表面產(chǎn)生空間導電率不均勻分布，當太赫茲波通過硅片時將受到振幅調(diào)制。存在載流子的區(qū)域，透射太赫茲場的振幅會減小，而在沒有載流子的區(qū)域，透射太赫茲場不受影響，相當于太赫茲波通過了一個振幅型波帶片。所選用的金屬波帶片焦距為90 mm，中心波長為300μm（對應1 THz中心頻率），利用傳統(tǒng)的聚焦離子束蝕刻和光刻技術將1μm厚的鉻膜蒸鍍在2 mm厚的石英基底上制作完成。實驗中將斬波器置于控制光路中與CCD同步控制，使得成像系統(tǒng)只能測量被調(diào)制的太赫茲信號，進而濾除背景本底來提高成像清晰度。

實驗首先檢測PTZP的聚焦特性，圖4（b）展示了隨著太赫茲波和控制光之間時間延遲，太赫茲峰值信號的變化曲線。其中，負時間延遲意味著控制光落后于太赫茲波到達硅片，太赫茲波沒有被光致載流子調(diào)制，因此系統(tǒng)測量不到太赫茲信號；正時間延遲意味著控制光超前于太赫茲波到達硅片，系統(tǒng)可以測量太赫茲信號。實驗結(jié)果表明了被調(diào)制的太赫茲場與背景之間具有很明顯的對比度。圖4（c）和（d）展示了在-10 ps和10 ps時間延遲位置的1THz強度圖像，可以看出通過PTZP的太赫茲波可以被很好地聚焦，其焦斑直徑約為1.6 mm，而在沒有控制光調(diào)制作用下則不能測量到太赫茲強度分布，PTZP的聚焦功能被很好地驗證。光控技術的一個優(yōu)勢在于，可以通過改變投影在硅片上的圖案來調(diào)整太赫茲波的調(diào)制效果。根據(jù)波帶片半徑公式其中n為波帶片級次，λ和f為波帶片的中心波長和焦距，在保持n和f不變的情況下，通過改變波帶片圖像的放大率，可以起到調(diào)整rn的作用，進而改變PTZP的中心波長λ。圖4（e）展示了放大率分別為R=1.12、1.00和0.91情況下，3個波段λ= 375μm、300μm和250μm太赫茲分量（對應于0.8 THz、1.0 THz和1.2 THz）的強度分布?？梢钥闯?個PTZP對于0.8 THz、1.0 THz、1.2 THz太赫茲分量都表現(xiàn)出良好的聚焦功能，當放大率和波長不匹配時，測得的太赫茲圖像呈現(xiàn)明顯的散焦特點。除了聚焦效果外，在本工作中也測試了PTZP的成像功能，3個成像測試樣品如圖4（f）所示，在10μm厚鋁膜上的3個鏤空字母圖案“T”、“H”、“Z”。每個圖案的尺寸約為20× 20 mm2，圖案狹縫寬度為5 mm。將測試樣品置于PTZP的物方焦平面處，通過測量圖案的頻域分布圖并進行二維逆傅立葉變換可得到3個字母的重建圖像，如圖4（g）所示。雖然PTZP的虛焦點和高階焦點引入了一些像差，但是每個字母的圖案可以被很明顯地表征出來，PTZP的成像功能被充分證明。本工作很新穎地將光控技術引入太赫茲波前調(diào)制中，為太赫茲信息技術的發(fā)展提供了新思路，在此工作基礎上本團隊又進行了一系列的嘗試。

在光控太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)的平臺上，本團隊首先提出了空間太赫茲調(diào)制器（STM）的概念，利用在半導體基片上投影特定圖案產(chǎn)生光致載流子空間不均勻分布的方法，可以對太赫茲波前進行高自由度、高分辨率、寬帶調(diào)制［32］。圖5（a）展示了STM的原理，利用可見光波段的空間光調(diào)制器（SLM）將控制光生成特定的圖案，例如計算全息圖或分叉光柵等，進而生成相應的載流子空間分布，當太赫茲光束以一定角度傾斜入射時，其一級衍射分量在傳輸一定距離后可以生成預設圖案，例如渦旋光束等。圖5（b）展示了此系統(tǒng)的光路圖，與圖4（a）的區(qū)別之處在于利用SLM代替了波帶片，因此可以對控制光進行更高自由度的改變，并且太赫茲波以37°入射硅片，成像系統(tǒng)僅測量一級衍射分量。為了驗證此技術的可行性，首先在SLM上加載了3個字母“C”、“N”、“U”的太赫茲計算全息圖并投影到硅片上。圖4（c）展示了3個計算全息圖，對應每個字母的尺寸為4×6 mm2，頻率為1 THz。圖4（d）展示了在太赫茲波一級衍射分量通過硅片并傳輸2 cm后生成的圖案，可以看出“C”、“N”、“U”三個字母清晰地再現(xiàn)，與預設結(jié)果完全一致。利用此技術還可以實現(xiàn)對太赫茲波的相位調(diào)制，通過在硅片上投影拓撲荷數(shù)為l=1、l=2和l=3的太赫茲渦旋光束計算全息圖，即不同級次的分叉光柵，可以在太赫茲波的衍射分量上加載相應的渦旋相位。圖4（e）和4（f）展示了相對應的太赫茲波一級衍射分量的振幅和相位分布?？梢钥闯鏊傻奶掌潨u旋光束強度分布呈現(xiàn)出典型的面包圈形狀，中空部分的尺度隨著拓撲荷數(shù)的增大而增大，所對應的太赫茲相位分布表現(xiàn)出2π、4π和6π的環(huán)繞中心相移，這些現(xiàn)象都與理論預測達到高度一致。本工作的完成對太赫茲成像、太赫茲信息處理、以及太赫茲通信等領域的發(fā)展都具有積極的推動作用。

圖5 空間太赫茲調(diào)制器。（a）空間太赫茲調(diào)制器概念圖；（b）實驗系統(tǒng)圖；（c）“C”、“N”和“U”的離軸太赫茲計算全息圖；（d）1 THz一級衍射分量強度圖；（e）利用空間太赫茲調(diào)制器生成的拓撲荷數(shù)l=1、l=2和l=3太赫茲渦旋光束強度圖；（f）太赫茲渦旋光束相位分布圖Fig.5 Spatial THz Modulator（STM）.（a）Prototype of the STM.（b）Experimental configuration of the STM.（c）Off-axis THz computer-generated holograms for letters“C”，“N”，and“U”，respectively.（d）Corresponding intensity distributions of first-order diffraction components at 1 THz.（e）Intensity patterns of THz vortex beamswith topological numbers l=1，l=2，and l=3 generated by using the STM.（f）Corresponding the phase patterns of the THz vortex beams

矢量光束的生成與衍射是現(xiàn)代光學的重要研究分支，例如徑向偏振光束、角向偏振光學、光渦旋、雙環(huán)光束等。這類光束具有特殊的光場分布特性，在粒子操控、激光微加工、高分辨顯微等領域中都具有重要應用。利用光控太赫茲波前調(diào)制技術，本團隊在2015年實現(xiàn)了太赫茲波段矢量光束的產(chǎn)生與調(diào)控［33］。圖6（a）展示了其原理，首先將入射太赫茲光波從線偏振轉(zhuǎn)換為圓偏振，再利用金屬亞波長環(huán)形光柵控制不同位置透射太赫茲光波的偏振態(tài)，此時太赫茲光束具有徑向偏振態(tài)和渦旋相位分布，可表示為Po=eiθe＾r(nóng)，其中e＾r(nóng)為徑向單位矢量，θ為方位角，eiθ為渦旋相位項。此時，若在環(huán)形光柵的高阻硅基底上利用飛秒激光投影一個渦旋光束計算全息圖，則產(chǎn)生的一級衍射分量會攜帶渦旋相位分布，進而抵消太赫茲光束本身的渦旋相位項，生成純太赫茲徑向偏振光束。圖6（b）展示了光控徑向偏振太赫茲光束的產(chǎn)生與表征系統(tǒng)，光路與圖5（b）類似，利用太赫茲1／4波片（TQWP），將線偏振太赫茲光束轉(zhuǎn)換為LCP太赫茲光束。此太赫茲光束以37°傾斜入射在高阻硅片上，硅片背面加工有亞波長環(huán)形金屬光柵。實驗中選用周期為5μm的鋁質(zhì)光柵，由于光柵周期遠小于太赫茲波長，可以看作徑向方向的太赫茲偏振片。利用SLM在控制光上加載渦旋光束計算全息圖，并將其投影在硅片表面，生成特定的光致載流子分布。當太赫茲光束通過硅片及環(huán)形光柵后，生成的一級衍射分量由成像系統(tǒng)進行相干采集。圖6（c）和6（d）展示了對應的模擬結(jié)果，徑向偏振太赫茲光束在x、y、r分量上的振幅和相位分布?？梢钥闯鰪较蚱裉掌澒馐膞和y偏振分量是典型Hermite-Gauss分布中的HG10和HG01模式。對于HG10模式，其振幅為左右兩個半圓分布，兩個旁瓣的偏振態(tài)相反，相應的相位部分相差為π；而HG01模式則是HG10的90°旋轉(zhuǎn)，振幅為上下兩瓣，兩部分的相位差亦為π。r分量則是x與y分量的疊加，其振幅呈現(xiàn)中空環(huán)狀分布，所有的偏振態(tài)都沿半徑方向呈輻射狀，對應的相位則是平坦分布。圖6（e）和6（f）呈現(xiàn)了實驗中所測量得到的0.8 THz徑向偏振太赫茲光束在x、y和r方向的振幅和相位分布，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與理論模擬得到了很好的符合。由于通過光控方法可以對計算全息圖進行任意調(diào)制，因此通過本技術可以非常靈活的控制所生成太赫茲矢量光束的渦旋相位特性。本工作通過光生載流子來控制太赫茲場的復振幅分布，很大程度上提高了太赫茲器件的靈活性和動態(tài)可控性，對將來的太赫茲傳感、成像和通信領域的研究提供了實驗基礎。

圖6 光控太赫茲矢量光束的生成與表征。（a）光控太赫茲矢量光束產(chǎn)生原理圖；（b）太赫茲矢量光束表征系統(tǒng)；（c）和（d）為徑向偏振太赫茲光束在x、y和r分量的振幅和相位模擬結(jié)果；（e）和（f）為徑向偏振太赫茲光束在x、y和r分量振幅和相位的實驗測量結(jié)果Fig.6 Generation and characterization of optical steerable THz vector beams.（a）Schematic for generating an optical-tunable THz vector beam.（b）Characterization system of THz vector beams.Simulated（c）amplitude and（d）phase distributions of x，y，and r components of a radially polarized THz beam.Measured（e）amplitude and（f）phase patterns of x，y，and r components of a radially polarized THz beam

3.3太赫茲衍射場縱向分量重建

電磁波在聚焦過程中由于引入了橫向波矢，因此在衍射過程中會產(chǎn)生縱向偏振電場。特殊光束的縱向場分量具有十分重要的應用潛力，然而由于在可見光波段不易測量所以常常被忽視。隨著光學技術的發(fā)展，人們提出了很多測量縱向場分量的方法。例如，L.Novotny等人利用具有固定偶極子吸收取向的單分子熒光信號對縱向分量進行了測量［34］；S.Quabis等人將刀片法與全息重建算法相結(jié)合，再現(xiàn)了三維聚焦光場的強度分布［35］；G.Miyaji等人利用在Kerr介質(zhì)中由激光誘導的雙折射現(xiàn)象，對徑向偏振光束的縱向分量進行了測量［36］。然而，這些方法都主要是對縱向分量的強度信息進行探測，相位信息則被完全丟失。

圖7 太赫茲衍射場縱向分量重建。（a）實驗系統(tǒng)圖；（b）線偏振太赫茲光束聚焦，其縱向分量的振幅和相位分布；（c）利用Richards-Wolf公式得到的模擬結(jié)果；（d）圓偏振太赫茲光束聚焦，其縱向分量的振幅和相位分布；（e）相應的模擬結(jié)果Fig.7 Reconstruction of the Ez component of a THz diffraction field.（a）Experimental system.（b）Amplitude and wrapped phase distributions of the Ezcomponent for a converging THz beam with a linear polarization.（c）Simulation results obtained by using the Richards-Wolf equation.（d）Amplitude and wrapped phasemaps of the Ezcomponent for a focused THz beam with a circular polarization.（e）Corresponding simulation result

2014年，本團隊通過對太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)進行改進，利用＜100＞晶體取代了＜110＞晶體，實現(xiàn)了對不同偏振態(tài)太赫茲光束在聚焦過程中的縱向場分量進行相干測量［37］。圖7（a）展示了實驗系統(tǒng)，其基本構架與圖1相同，區(qū)別在于采用＜100＞ZnTe晶體作為探測器對縱向分量的復振幅波前進行獲取。實驗中利用焦距為25 mm的高阻硅透鏡對太赫茲光束進行聚焦，并連續(xù)改變透鏡與探測面之間的距離，通過Z掃描測量觀察縱向分量的衍射過程。實驗首先對線偏振太赫茲光束在聚焦過程中產(chǎn)生的縱向分量進行了測量，圖7（b）展示了在距離焦平面-10 mm、-5 mm、0 mm、5 mm、10 mm處0.7 THz縱向分量的振幅和相位分布，可以看出縱向分量的振幅呈現(xiàn)了類似于偶極子輻射的分布特點，在光軸上（x=0 mm）存在振幅的極小值，在光軸兩側(cè)約x= ±0.4 mm處存在兩個振幅極大值。在縱向分量的相位分布中，可以看出以Y-Z平面為分界，兩側(cè)的相位相差π，這表明兩側(cè)的縱向分量傳播方向是相反的，導致了在光軸位置處二者相干相消，進而出現(xiàn)了振幅極小值。為了驗證實驗的準確性，利用Richards-Wolf衍射積分公式對實驗過程進行了模擬，圖7（c）展示了相應的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與實驗結(jié)果完全一致。實驗中還對圓偏振太赫茲光束聚焦產(chǎn)生的縱向分量進行了測量。利用TQWP將入射線偏振太赫茲光束轉(zhuǎn)換為圓偏振光束，通過硅透鏡聚焦后，對其縱向分量進行了Z掃描測量。圖7（d）展示了0.7 THz縱向分量的振幅和相位分布，可以看出其振幅呈現(xiàn)環(huán)狀分布，光圈強度分布不均勻是因為入射太赫茲光束的不均勻和測量誤差引起的。縱向分量的相位呈現(xiàn)出清晰的渦旋分布，并隨著傳播距離的增大，旋轉(zhuǎn)方向一直呈現(xiàn)逆時針變化，在焦點前后其扭轉(zhuǎn)方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)。對于該過程的模擬，由于圓偏振光束可以分解為兩個正交線偏振光束的線性疊加，因此其縱向分量可以表示為Ez=exp（-iπ／2）Exz+Eyz，其中Exz和Eyz為由水平和豎直線偏振太赫茲光束產(chǎn)生的縱向分量。圖7（e）展示了相應的振幅和相位模擬結(jié)果，與實驗結(jié)果獲得了很好的一致。本工作的完成為研究電磁波的矢量衍射特性提供了一個很好的測試平臺，同時也證明了本成像系統(tǒng)的實用性。

3.4太赫茲表面波再現(xiàn)

金屬表面等離子體器件是超材料家族中的重要成員，它利用亞波長結(jié)構對局域在金屬表面的電磁波進行調(diào)制，對于集成光學系統(tǒng)的發(fā)展貢獻巨大，并有可能在未來取代印刷電路板成為更有力的信息處理工具。然而，對金屬表面等離子體器件的功能進行設計和驗證，需要對局域在金屬上的表面電場進行觀測。在可見光波段多是采用掃描近場光學顯微（SNOM）、熒光成像、泄露輻射成像等技術對表面波進行測量，在太赫茲波段也是采用SNOM和太赫茲時域光譜技術相結(jié)合的方法來對太赫茲表面場進行探測。這種方法實驗耗時很長，并且需要改變探測器與樣品之間的位置進行逐點掃描，難免影響測量的穩(wěn)定性。2014年，本團隊通過對太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)進行改進，實現(xiàn)了對金屬表面的太赫茲場進行線掃描測量，很大程度上縮短了實驗時間，并提高了測量穩(wěn)定性［38］。

實驗系統(tǒng)如圖8（a）所示，擴展的太赫茲光源照射到金屬表面等離子體器件上，在器件的兩側(cè)激發(fā)太赫茲表面場。利用狹縫和擴束鏡生成線形探測光束，并使其盡量貼近器件出射面掠過，同時在靠近器件出射面附近放置＜110＞ZnTe晶體對太赫茲表面場進行相干探測，實驗中ZnTe晶體距離器件約500μm，探測光距離器件約1 mm。當探測光通過ZnTe晶體后攜帶太赫茲表面場信息，入射到系統(tǒng)的成像模塊中，與圖1描述一致，通過動態(tài)相減技術和差分探測技術對太赫茲信息進行提取。實驗中，ZnTe晶體放置在一維電動平移臺上沿x方向進行掃描測量，掃描范圍為-3 mm到4 mm，掃描步長為0.4 mm。在每個掃描位置獲取一系列時域圖像，通過傅里葉變換，可以組成每個頻率成分的太赫茲表面波分布。圖8（a）的插圖展示了成像樣品是一個半徑為6 mm，寬度為120μm的半月形金屬狹縫。當太赫茲光束照射樣品時，在狹縫邊緣會激發(fā)等相位的太赫茲表面場，根據(jù)等光程原理，太赫茲表面波會出現(xiàn)聚焦效果。圖8（b）展示了實驗測量得到的X-Y平面上太赫茲表面波時域峰值圖像，清晰地呈現(xiàn)了太赫茲表面波的聚焦過程。實驗的成像面積為7×4 mm2，實驗耗時為9 h，如果利用傳統(tǒng)的SNOM方法進行同樣的實驗需要約兩天時間，可見線掃描太赫茲數(shù)字全息成像技術可以大幅度的縮短實驗時間。圖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位置處，提取的5個太赫茲時域信號，可以明顯地看出在焦點處的信號強度大于其它位置處的。圖8（d）展示了所提取的0.73 THz太赫茲表面波聚焦振幅圖像，實驗結(jié)果顯示了太赫茲表面波聚焦在半月形金屬狹縫的中心。圖8（e）是利用時域有限差分FDTD solutions模擬軟件得到的仿真結(jié)果，與實驗測量達到了很好的吻合。為了更準確地觀察太赫茲表面波分布特點，將圖8（d）和8（e）中沿x=0 mm和y=0 mm方向的歸一化振幅分布曲線提取并進行比較，如圖8（f）和8（g）所示，實驗得到的橫向和縱向振幅分布半高全寬（FWHM）分別是493μm和4 mm，模擬結(jié)果分別是540μm和3.6 mm，略微的誤差主要來自于探測晶體和探測光束的不均勻。由于獲取的太赫茲信息是相干的，因此可以提取其相位信息，圖8（h）和8（i）展示了0.73 THz太赫茲表面波的相位分布實驗和模擬結(jié)果。由于在實驗中隨著探測晶體的移動，太赫茲表面波與探測光的光程是一同改變的，因此太赫茲表面波的線性相移被有效地消除，可以清晰地觀測出在聚焦過程中的Gouy相移現(xiàn)象。將圖8（h）和8（i）中沿y=0 mm方向的相位分布曲線進行提取，如圖8（j）和8（k）所示，可以看出由于太赫茲表面波是一維聚焦，因此在焦點前后，其相位僅發(fā)生了π／2的變化。為了進一步驗證實驗和模擬結(jié)果，實驗中還對0.2 THz和0.3 THz分量的相位分布進行了提取，同樣觀察到了π／2的變化，不同之處在于頻率越高的光譜成分，相位變化越迅速，這是因為高頻成分具有更短的Rayleigh長度和更大的橫向波矢，這與本團隊之前在自由空間中觀察太赫茲波的衍射現(xiàn)象是一致的［39］。本工作的完成為表征金屬表面等離子體器件的性能測試提供了一項有效的工具，對于推動太赫茲集成系統(tǒng)、芯片系統(tǒng)的發(fā)展有很大的幫助。

圖8 金屬等離子體器件的太赫茲表面波再現(xiàn)。（a）實驗系統(tǒng)圖，插圖展示了測試樣品；（b）太赫茲表面波時域峰值圖像；（c）在x=0 mm方向上y=-1 mm、-0.5 mm、0 mm、0.5 mm、1 mm位置處的太赫茲時域信號；（d）0.73 THz太赫茲表面波的振幅分布圖；（e）利用FDTD算法得到的模擬結(jié)果；（f）和（g）展示了歸一化橫向和縱向振幅輪廓曲線；（h）0.73 THz表面太赫茲波的相位分布圖；（i）相應的模擬結(jié)果；（j）不同光譜成分太赫茲表面波的縱向相位輪廓曲線；（k）相應的模擬結(jié)果Fig.8 Reconstruction of THz surface waves onmetallic plasmon devices.（a）Experimental setup.The inset shows the test samp le.（b）The temporal peak image of the THz surface wave.（c）The temporal THz signals measured at y= -1 mm，-0.5 mm，0 mm，0.5 mm，and 1 mm along the x=0 mm direction.（d）Amplitude distribution of the THz surface wave at 0.73 THz.（e）Simulation result by using the FDTD algorithm.（f）and（g）show the normalized transverse and longitudinal amp litude profile curves.（h）Phase distribution of the THz surface wave at 0.73 THz.（i）Corresponding simulation result.（j）Longitudinal phase profile curves for THz surface waves with difference spectral components.（k）Corresponding simulation result

圖9 太赫茲表面波偏振選擇性聚焦。（a）太赫茲表面波成像系統(tǒng)，插圖為樣品示意圖；（b）和（c）為LCP和RCP入射光激發(fā)的太赫茲表面波聚焦過程振幅分布圖；（d）和（e）為圖（b）和（c）中截取的x=0 mm處振幅分布曲線；（f）和（g）為LCP和RCP入射光激發(fā)的太赫茲表面波聚焦過程相位分布圖；（h）為圖（f）和（g）中截取的x=-2 mm處相位分布曲線；（i）相位相減分布曲線；（j）y偏振入射光激發(fā)的太赫茲表面波振幅分布圖；（k）相應的數(shù)值模擬結(jié)果；（l）和（m）為在圖（j）和（k）中截取的x=0 mm處振幅和相位分布曲線Fig.9 Polarization-controlled focusing of THz surface waves.（a）THz surface waves imaging system.The inset shows the schematic of the sample.（b）and（c）present the amplitude distributions of converging THz surface waves excited by LCP and RCP THz incident fields.（d）and（e）show the amplitude profile curves along x=0 mm taken from（b）and（c）.（f）and（g）present the phase patterns of focused THz surface waves excited by LCP and RCP THz incident fields.（h）shows the phase profile curves along x=-2 mm extracted from（f）and（g）.（i）Curve of the subtraction phase.（j）Amplitudemap of the THz surface wave excited by a linearly y-polarized THz incident field.（k）Corresponding simulation result.（l）and（m）present the amp litude and phase curves along x=0 mm taken from（j）and（k）

以線掃描成像系統(tǒng)為平臺，2015年，本團隊對太赫茲表面波成像進行了進一步的探索，研究了半圓環(huán)表面等離子體透鏡的偏振選擇聚焦特性，并利用惠更斯—菲涅爾原理以及傅里葉變換特性進行了理論分析［40］。實驗系統(tǒng)如圖9（a）所示，其與圖8（a）基本一致，不同之處在于太赫茲光路中加入了TQWP或太赫茲半波片（THWP）用來產(chǎn)生LCP、RCP或y偏振太赫茲輻射。圖9（a）插圖展示了樣品示意圖，根據(jù)惠更斯—菲涅爾原理，認為任一點（x，y）處的太赫茲表面波可以看做沿半圓環(huán)邊緣不同位置（x′，y′）處產(chǎn)生的表面次波源的線性疊加。當LCP／RCP光入射樣品時，會對太赫茲表面波附加一個沿半圓環(huán)方向的螺旋相位，經(jīng)過聚焦后相當于進行了一次傅里葉變換，根據(jù)傅里葉變換的平移特性，使得表面波的焦點出現(xiàn)了相應的空間橫移。圖9（b）和9（c）展示了LCP／RCP入射光產(chǎn)生的表面波聚焦強度分布圖，可以看出LCP光激發(fā)的太赫茲表面波焦點向下移動，而RCP光激發(fā)的太赫茲表面波焦點向上移動。在x=0mm處截取強度分布曲線，如圖9（d）和9（e）所示，可以更加清晰地看出焦點的橫向移動，移動距離大約為75μm。利用FDTD solutions軟件對實驗過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果可以達到很好的一致。圖9（f）和9（g）為LCP／RCP入射光產(chǎn)生的太赫茲表面波聚焦過程的相位分布，由于存在幾何相位的干擾，螺旋相位的表現(xiàn)并不十分清晰。圖9（h）展示了在x= -2 mm處截取的相位分布曲線，可以看出LCP／RCP光引發(fā)的相位分布差別。將二者相減以消除幾何相位影響，并將相位差在y方向進行投影，結(jié)果如圖9（i）所示，可以看出太赫茲表面波的相位沿y方向逐漸增大，實驗測量結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果、以及利用理論公式計算結(jié)果吻合一致，驗證了理論分析的正確性。當y偏振太赫茲波入射時，可以看作LCP和RCP光的線性疊加，在半圓環(huán)的上下四分之一環(huán)處產(chǎn)生的太赫茲表面波會出現(xiàn)極性的反轉(zhuǎn)，因此會在圓心處產(chǎn)生兩個振幅極大值，圖9（j）和9（k）展示了實驗和模擬結(jié)果。對x= 0 mm位置處的振幅和相位分布曲線進行截取，如圖9（l）和9（m）所示，可以看出焦點的橫向場分布類似于貝塞爾光束，在光軸位置處存在振幅極小值，這是由于在光軸位置存在π的相位跳變所引發(fā)的表面波相干相消導致的。本工作在實驗上觀測了太赫茲表面波對于激發(fā)光不同偏振態(tài)的特殊響應，并提出了簡單直觀的理論模型，對于深入研究偏振相關表面等離子體器件提供了重要的實驗基礎。

4 關鍵技術分析

太赫茲數(shù)字全息成像技術發(fā)展至今已具備了較強的實用價值，可以實現(xiàn)對樣品的全部光學信息進行精確獲取，進而對物質(zhì)的物理化學特性進行全面而深入的分析。然而，太赫茲數(shù)字全息術要想便捷地應用于工業(yè)生產(chǎn)中還需要克服一些技術難關。例如：目前的太赫茲成像系統(tǒng)還只能在實驗室中運行，對于實驗環(huán)境存在較嚴苛的要求，如何使其與光纖飛秒激光器兼容使用，降低成像系統(tǒng)對周圍濕度和溫度的要求，還需要在技術上進行進一步的改良；成像系統(tǒng)是通過CCD對太赫茲圖像信息進行采集，由于無法采用鎖相技術，因此系統(tǒng)的信噪比一直受到了極大地限制，這也影響了成像系統(tǒng)的應用；為了對太赫茲電磁場的波前信息進行相干測量，通常都采用電光晶體作為探測器，而太厚的晶體會導致成像系統(tǒng)的空間分辨率下降，太薄的晶體又會影響探測靈敏度，晶體的尺寸太小會難以進行大面積成像，而大尺寸的晶體成本又太高；在對物體進行測量時，太赫茲時域圖像的獲得還是通過不斷調(diào)整太赫茲光路與探測光路的光程差進行獲取的，這使得實驗時間難以進一步縮短，如何將單脈沖測量技術引入太赫茲成像，還需要對成像系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。盡管還存在一些限制，但是隨著新一代太赫茲材料的問世（例如鈮酸鋰、DAST、DSTMS等［41-43］）以及太赫茲探測技術［44-47］的不斷開發(fā)，為太赫茲成像系統(tǒng)提供了更強的輻射源和更靈敏的探測手段，使得太赫茲成像技術的實用性不斷得到提高，相信很快會形成工業(yè)化推廣并獲得市場效益。

5 結(jié)束語

本文綜述了作者所在團隊近年來在太赫茲成像領域所進行的部分應用研究，包括對以亞波長金屬天線為結(jié)構單元的超薄太赫茲平板元件進行性能表征，觀測了對太赫茲波前實現(xiàn)純相位調(diào)制以及偏振選擇性響應等功能；對利用半導體光致載流子實現(xiàn)對太赫茲波前的全光調(diào)控，完成了可控波帶片、可控數(shù)字全息圖、以及可控太赫茲矢量光束等；對自由空間中不同偏振態(tài)太赫茲衍射光場的縱向分量進行成像，觀測了線偏振和圓偏振聚焦太赫茲光束的縱向光場分布；通過對成像系統(tǒng)進行改進，實現(xiàn)了對金屬等離子體器件的太赫茲表面場進行重建，并分析了金屬半環(huán)結(jié)構對不同偏振太赫茲入射場的選擇性聚焦。本文還對太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)的優(yōu)勢、限制以及未來的前景進行了分析和預測。這些工作對于太赫茲成像技術的應用推廣、太赫茲波段的關鍵元器件開發(fā)、以及太赫茲集成系統(tǒng)的研制都具有很好的促進作用。

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Recent advances in terahertz digital holography

SHIJing，WANG Xin-ke*，ZHENG Xian-hua，HE Jing-wen，WANG Sen，XIE Zhen-wei，CUIYe，YE Jia-sheng，SUNWen-feng，F(xiàn)ENG Sheng-fei，HAN Peng，ZHANG Yan
（Capital Normal University，Department of Physics，Beijing 100048，China）*Corresponding author，E-mail：wxk82721＠cnu．edu．cn

With the maturation of terahertz（THz）imaging technology，the spatial resolution，signal-to-noise ratio，imaging speed and ability acquiring information of the imaging system are gradually enhanced.Researchers have paid more attention to THz imaging applications in fundamental researches and industrial ex-ploitation.In this paper，several recent studies of THz digital holography are reviewed，including performance demonstration of THz planar elements，function validation of optical tunable THz elements，observation of the longitudinal component in diffraction THz fields and analysis of THz surface waves on the metallic sub-wavelength devices.These research works are very valuable for the development of THz integration systems and THz imaging technology.

terahertz；digital holography；optical tunable elements；surface wave

O434.3；O438.1

：A

10.3788／CO.20171001.0131

石 敬（1989—），女，北京人，博士研究生，主要從事太赫茲成像方面的研究。E-mail：867895903＠qq.com

王新柯（1982—），男，北京人，博士，副教授，研究生導師，主要從事太赫茲波譜與成像方面的研究。E-mail：wxk82721＠cnu.edu.cn

2095-1531（2017）01-0131-17

2016-09-12；

2016-10-14

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（No.2013CBA01702）；國家自然科學基金資助項目（No.

11474206，No.91233202，No.11374216，No.11404224）；教育部新世紀優(yōu)秀人才資助項目（No.NCET-12-0607）；北京市教委科技面上項目（No.KM201310028005）；教育部博士點基金資助項目（No. 20121108120009）；北京市教委青年拔尖人才資助項目（No.CIT＆TCD201504080）

Supported by National Program on Key Basic Research Projects of China（No.2013CBA01702）；National Natural Science Foundation of China（No.11474206，No.91233202，No.11374216，No.11404224）；Program for New Century Excellent Talents in University，Ministry of Education of China（No.NCET-12-0607）；Scientific Research Project of Beijing Education Commission（No.KM201310028005）；Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education（No.20121108120009）；Scientific Research Base Development Program of the Beijing Municipal Commission of Education and the Beijing youth top-notch talent training plan（No. CIT＆TCD201504080）