【光电前沿】太赫兹焦平面阵列实现实时超分辨率成像

加州大学洛杉矶分校(UCLA)研究小组近期开发了一个等离子体光电导太赫兹焦平面阵列(THz-FPA),可以同时解决长期存在的成像速度问题,并提供丰富、高质量的太赫兹信息。

太赫兹时域成像利用时间选通的超快激光脉冲生成和检测太赫兹波，具有非常有前途的潜力。通过信号处理,研究人员可以获得丰富的太赫兹信息,如幅度和相位信息、亚皮秒尺度的超快时间信息和极宽带光谱信息。

传统的太赫兹时域成像系统通常采用单像素太赫兹探测器，需要机械地扫描成像物体或成像系统。这一过程耗时长且并不适用于大型物体。因此,太赫兹研究界多年来一直在追求高速太赫兹时域成像系统。

研究团队通过引入等离子体光电导太赫兹焦平面阵列（THz-FPA）成功解决了这一问题。该阵列采用分布式等离子体纳米天线架构，具有更高的光学填充因子，有效提高了太赫兹探测效率。总共30万个等离子体纳米天线被集成到单个芯片上，这些天线的设计旨在增强光载流子和太赫兹波之间的相互作用，实现在每个像素内的高灵敏度太赫兹检测。

基于这一技术，研究团队构建了不需要机械光栅扫描组件的太赫兹时域成像系统。成像过程类似于使用手机摄像头拍照，即拍一张快照后，一张太赫兹图像即可生成。

研究小组录制了流水通过微流体通道的太赫兹视频，这是太赫兹领域中首次展示的太赫兹视频。从THz-FPA获取的图像包含幅度和相位信息的空间分布、超快时间信息和宽带光谱信息。

这项技术的独特之处在于其能够进行太赫兹超分辨率成像。通过利用深度学习卷积神经网络，研究人员能够解决传统方法中难以解析的特征。研究团队展示了对硅基板上的超分辨率蚀刻图案的概念验证实验，成功实现了大于1千像素的总有效像素数，展示了对2D形状的小细节的解析能力，同时能够解析成像对象的深度。

该团队的ThZ-FPA成像系统可以用于许多无损检测应用,包括能源、汽车、食品和制药工业。其中一个显著的应用是对锂离子电池的实时质量控制。通过识别电池电极内各种类型的隐藏缺陷，该技术能够提高电池生产的效率、安全性和性能。

（天津津航技术物理研究所 张雨彤）

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