一种双模式太赫兹成像系统及方法

本发明属于太赫兹成像领域，具体涉及一种高速、高灵敏度的双模式太赫兹成像系统及方法。

背景技术：

1、太赫兹（thz）波是频率介于红外光和微波之间的一种电磁波，由于具有宽带性、高穿透性、低损伤性和高特征分辨等特点，thz波在国家安全、智能通讯、医学成像、环境监测和质量检测等关键工业领域有着卓越的应用价值。尽管太赫兹波在诸多领域有着巨大的应用前景，太赫兹的探测技术一直是领域内长期的技术难题。近年来太赫兹成像技术逐渐成为太赫兹技术的热点与前沿技术，太赫兹成像技术可以实现对太赫兹波进行精准的探测，对太赫兹技术发展和应用有着重要的意义。为了充分满足thz工业应用的需求，需要对thz波进行高速和高灵敏度的成像，而现有的thz成像技术很难满足这一要求。

2、原子无线传感技术是近年来发展起来的一种新型太赫兹成像技术，原子无线传感技术是一种基于原子物理和量子力学原理的传感技术，这种技术的核心思想是利用原子系统（如气态原子或冷原子）的量子态对外界电磁场的高灵敏度反应来进行测量和传感。例如，利用里德堡原子与太赫兹相互作用产生的荧光可实现thz成像，理论上可以实现高灵敏度、高速和高转换效率的可视化成像，具有巨大的应用前景。

3、然而，在实际技术中，高灵敏度探测和高速成像探测很难在同一探测设备上实现，因此很难同时实现高速、高灵敏度thz成像。目前尚无基于该技术的太赫兹双模式高速高灵敏度成像技术的报道。

技术实现思路

1、本发明目的在于一种双模式太赫兹成像系统及方法，以实现太赫兹高速、高灵敏度成像，最终实现强场太赫兹在前沿科学领域的应用。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，包括沿太赫兹光的传播方向依次排布的一太赫兹辐射源、成像物体、一太赫兹荧光转换系统和一成像系统，以及一高速成像系统和一高灵敏度成像系统；其中，太赫兹荧光转换系统的上游设有沿激光的传播方向依次排布以将太赫兹荧光转换系统中的原子激发至里德堡态能级的一激光源和一激光整形系统，激光的传播方向与太赫兹光的传播方向位于同一水平面，且激光的传播方向与太赫兹光的传播方向在太赫兹荧光转换系统处相互垂直；所述的成像系统用于将太赫兹荧光转换系统产生的荧光分为两路成像光路，并分别成像到高速成像系统和高灵敏度成像系统，使得所述高速成像系统和高灵敏度成像系统同时接收太赫兹荧光转换系统的荧光并成像。

3、所述原子为铯原子，所述激光源为一个激光稳频系统，其用于产生波长分别为852纳米、1470纳米和843纳米三种激光束，这三种激光束通过锁频光路锁在对应的波长上。

4、所述的激光整形系统设置为接收来自激光源的激光束，并对于激光束通过依次排列的凸柱透镜、凹柱透镜和道威棱镜将圆形的激光束整形为水平变窄和垂直方向拉长的椭圆形光斑，凸柱透镜、凹柱透镜用于激光束的垂直方向拉伸、水平方向的压缩，道威棱镜用于进行激光束的横向旋转以使得激光束在太赫兹荧光转换系统处重叠。

5、所述激光源和激光整形系统之间设有光纤耦合系统，所述的光纤耦合系统包括光纤、以及设于入口和出口的光纤准直组件。

6、所述的太赫兹荧光转换系统包括原子气室、至少一部分插设于原子气室内部的特氟龙外壳、和对特氟龙外壳进行加热的温控装置。

7、所述太赫兹辐射源和太赫兹荧光转换系统之间设有太赫兹光学系统，所述成像物体位于太赫兹光学系统的内部；所述的太赫兹光学系统包括三个透镜，第一个透镜用于将太赫兹光聚集在成像物体上，后两个透镜用于将带有成像物体的空间信息的太赫兹光聚焦到太赫兹荧光转换系统上。

8、所述太赫兹荧光转换系统的下游设有成像系统，所述成像系统包括设于高灵敏度成像系统和太赫兹荧光转换系统之间的荧光透镜和设于高速成像系统和太赫兹荧光转换系统之间的透镜镜头。

9、所述的高速成像系统包括滤波片、高速摄像机和数据处理器，以对荧光进行高速成像。

10、所述的高灵敏度成像系统包括滤波片、高灵敏度光耦合组件和数据处理器，可以对成像荧光实现高灵敏度成像。

11、另一方面，本发明提供一种双模式太赫兹成像方法，包括：

12、s1：提供根据上文所述的双模式太赫兹成像系统，利用激光源产生激光束，传输到成像物体中；

13、s2：利用激光整形系统实现激光束的垂直方向拉伸、水平方向的压缩，并对激光束进行横向旋转以使得激光束在太赫兹荧光转换系统处重叠；

14、s3：利用太赫兹辐射源产生太赫兹光，利用太赫兹荧光转换系统中激发至里德堡态能级的原子与太赫兹光作用，将里德堡态能级的原子激发到里德堡态的更高能级，从而退激发产生荧光；

15、s4：利用成像系统用于将太赫兹荧光转换系统产生的荧光分为两路，并分别成像到高速成像系统和高灵敏度成像系统，使得所述高速成像系统和高灵敏度成像系统同时接收太赫兹荧光转换系统的荧光并成像；

16、s5：利用数据处理器接收并处理高速成像系统和高灵敏度成像系统的成像数据，从而实现高速、高灵敏度的双模式成像。

17、本发明的双模式太赫兹成像系统利用里德堡态的原子对外界太赫兹具有高灵敏度反应来进行测量和传感，以同时实现高速和高灵敏度的太赫兹光成像，这对太赫兹光成像技术的发展以及太赫兹光成像的应用具有重要的意义。

1.一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，包括沿太赫兹光的传播方向依次排布的一太赫兹辐射源、成像物体、一太赫兹荧光转换系统和一成像系统，以及一高速成像系统和一高灵敏度成像系统；其中，太赫兹荧光转换系统的上游设有沿激光的传播方向依次排布以将太赫兹荧光转换系统中的原子激发至里德堡态能级的一激光源和一激光整形系统，激光的传播方向与太赫兹光的传播方向位于同一水平面，且激光的传播方向与太赫兹光的传播方向在太赫兹荧光转换系统处相互垂直；

2.根据权利要求1所述的一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，所述原子为铯原子，所述激光源为一个激光稳频系统，其用于产生波长分别为852纳米、1470纳米和843纳米三种激光束，这三种激光束通过锁频光路锁在对应的波长上。

3.根据权利要求2所述的一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，所述的激光整形系统设置为接收来自激光源的激光束，并对于激光束通过依次排列的凸柱透镜、凹柱透镜和道威棱镜将圆形的激光束整形为水平变窄和垂直方向拉长的椭圆形光斑，凸柱透镜、凹柱透镜用于激光束的垂直方向拉伸、水平方向的压缩，道威棱镜用于进行激光束的横向旋转以使得激光束在太赫兹荧光转换系统处重叠。

4.根据权利要求1所述的一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，所述激光源和激光整形系统之间设有光纤耦合系统，所述的光纤耦合系统包括光纤、以及设于入口和出口的光纤准直组件。

5.根据权利要求1所述的一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，所述的太赫兹荧光转换系统包括原子气室、至少一部分插设于原子气室内部的特氟龙外壳、和对特氟龙外壳进行加热的温控装置。

6.根据权利要求1所述的一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，所述太赫兹辐射源和太赫兹荧光转换系统之间设有太赫兹光学系统，所述成像物体位于太赫兹光学系统的内部；所述的太赫兹光学系统包括三个透镜，第一个透镜用于将太赫兹光聚集在成像物体上，后两个透镜用于将带有成像物体的空间信息的太赫兹光聚焦到太赫兹荧光转换系统上。

7.根据权利要求1所述的一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，所述太赫兹荧光转换系统的下游设有成像系统，所述成像系统包括设于高灵敏度成像系统和太赫兹荧光转换系统之间的荧光透镜和设于高速成像系统和太赫兹荧光转换系统之间的透镜镜头。

8.根据权利要求1所述的一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，所述的高速成像系统包括滤波片、高速摄像机和数据处理器，以对荧光进行高速成像。

9.根据权利要求1所述的一种双模式太赫兹成像系统，其特征在于，所述的高灵敏度成像系统包括滤波片、高灵敏度光耦合组件和数据处理器，以对成像荧光实现高灵敏度成像。

10.一种双模式太赫兹成像方法，其特征在于，包括：