单像素衍射太赫兹传感器设计的基本原理

太赫兹（THz）波凭借其可以穿透大多数不透光材料的特点，在对材料中隐藏物体和缺陷的无损探测方面具有显著的优势。然而，由于受到成像速度和分辨率的束缚，现有的太赫兹探测系统面临着成像通量和精度的限制。此外，使用大阵列像素计数成像的基于机器视觉的系统由于其数据存储、传输和处理要求而遭遇瓶颈。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Rapid sensing of hidden objects and defects using a single-pixel diffractive terahertz sensor”为主题的论文。该论文第一作者为Jingxi Li，通讯作者为Aydogan Ozcan。

这项研究提出了一种衍射传感器，该传感器可利用单像素太赫兹探测器快速探测3D样品中的隐藏物体和缺陷，从而避免了样品扫描或图像形成及处理步骤。利用深度学习优化的衍射层，该衍射传感器可以通过输出光谱全光探测样品的3D结构信息，直接指示是否存在隐藏结构或缺陷。研究人员使用单像素太赫兹时域光谱（THz-TDS）装置和3D打印衍射层，对所提出的架构进行了实验验证，并成功探测了硅样品中的未知隐藏缺陷。该技术在安全筛查、生物医学传感和工业质量控制等方面具有重要的应用价值。

图1阐述了概念验证的单像素衍射太赫兹传感器设计的基本原理。该设计的前向模型可被视为相干光学系统，该系统在2束预设波长（λ₁和λ₂）下处理空间相干太赫兹波，其中产生的衍射和干涉过程用于缺陷探测任务。

图1 使用单像素光谱探测器快速探测隐藏物体和缺陷的衍射太赫兹传感器原理示意图

为了验证该无损衍射缺陷探测架构的可行性，研究人员设计了概念验证的单像素衍射太赫兹传感器（如图2所示），可以有效地探测硅材料中的孔隙状隐藏缺陷（这些缺陷从外表是不可见的）。这种能力在众多工业应用中受到高度追捧，因为它在确定制造零件/产品的质量、可靠性及性能方面颇具普遍性和重要性。

图2 用于探测硅晶圆中隐藏缺陷的单像素衍射太赫兹传感器设计

随后，为了全面评估该单像素衍射缺陷探测架构的有效性（在决策阈值为0.5的情况下），研究人员对该衍射传感器的性能指标（如探测灵敏度、缺陷探测精度等）进行了深入分析，分析测试结果如图3所示。

图3 用于探测隐藏在硅测试样品中的缺陷的单像素衍射太赫兹传感器设计的性能分析

接着，研究人员使用带有等离激元光导源和单像素探测器的太赫兹时域光谱装置对该衍射设计进行了实验验证（如图4a），实验结果如图5所示。

图4 单像素衍射太赫兹传感器的实验装置

图5 利用单像素衍射太赫兹传感器探测隐藏在样品内部的缺陷的实验结果

综上所述，这项研究提出了一种全光学、端到端的衍射传感器，用于快速探测隐藏结构。这种衍射太赫兹传感器具有独特的架构，由一对编码器和解码器构成的衍射网络组成，每个网络都承担着结构化照明和空间光谱编码的独特职责，这种设计较为新颖。基于这种独特的架构，研究人员展示了概念验证的隐藏缺陷探测传感器。实验结果和分析成功证实了该单像素衍射太赫兹传感器的可行性，该传感器使用脉冲照明来识别测试样品内各种未知形状和位置的隐藏缺陷，具有误报率极低、无需图像形成和采集以及数字处理步骤等特点。

编辑：黄飞