光学前沿动态
OPTICS FRONTIERS
24
2025
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02
基于超表面的太赫兹三维成像系统
作者：
飞机等航空器的复合材料机身在长期服役过程中因疲劳损伤会产生微裂纹或分层脱落，这些结构性损伤在航空器高速飞行时可能引发重大安全事故。相比于超声波和微波检测系统，太赫兹波具有更高的分辨率，而辐射风险远低于X射线。因此，太赫兹技术对航空航天、精密制造等领域的非接触式检测展现出巨大的应用潜力，并被美国政府列为“改变未来世界的十大技术”之一。然而，目前的太赫兹三维成像技术仍面临诸多技术瓶颈，包括信噪比低、横向分辨率随深度变化、纵向分辨率差、景深有限以及成像速度慢等问题，这些因素限制了其在工业检测中的大规模应用。
上述技术瓶颈主要源于现有太赫兹成像系统核心器件的局限性，例如聚焦透镜的高损耗、光斑尺寸随波长变化、聚焦波束瑞利范围小、以及工作频段窄等问题。目前，太赫兹成像系统主要依赖三维扫描、或基于相变、温变材料来动态调整焦距，以实现待测物体内部三维结构成像。然而，三维扫描过程耗时较长，难以满足实际应用需求，而相变或温变材料的焦距调节速度慢，且可切换的焦距模式十分有限。针对这些挑战，超表面阵列为解决上述诸多难题提供了新的思路。超表面是一类由亚波长尺度的金属或介质阵列组成的人工电磁材料，其能够精确调控电磁波的振幅、相位和极化。
近日，澳大利亚阿德莱德大学游小龙博士及其合作者提出了一种基于色散超表面的太赫兹三维成像系统。该研究实现了一种无源超表面阵列，可将不同频率的入射太赫兹波分别聚焦在不同深度的焦点上，从而通过对目标物体的单次二维扫描，在不同频率采集反射信号，获取物体不同深度的信息，实现高效的物体内部三维成像。
在深入理论研究的基础上，该团队成功突破了三维成像系统中，太赫兹光斑随工作频率变化的特性，使不同频率的光斑大小保持不变，从而克服了传统成像系统中横向分辨率受深度影响的局限性。此外，该色散超表面的3 dB聚焦效率相对带宽高达100%，为实现大景深和高信噪比成像奠定了坚实基础。经系列实验验证，由该色散超表面为核心器件构建的三维成像系统，是目前唯一同时满足以下四项关键性技术指标的技术方案，有效攻克了长期困扰太赫兹三维成像领域的技术难题：
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高信噪比成像
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高横向分辨率（0.5 lp/mm）且在不同深度保持一致
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高纵向分辨率（0.5 mm或0.5λ0 at 275 GHz ）
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大景深（68.1 mm或62.4λ0 at 275 GHz）
该成果发表在Laser & Photonics Reviews，题为3D太赫兹共聚焦成像与色度超表面。该工作的完成单位为阿德莱德大学太赫兹工程实验室和皇家墨尔本理工大学（RMIT）。阿德莱德大学游小龙博士为论文第一作者及通讯作者。阿德莱德大学Withawat Withayachumnankul教授、皇家墨尔本理工大学Rajour Tanyi Ako博士、Sharath Sriram教授为研究工作做出了重要贡献。
色散超表面（Chromatic Metasurface）是一种能够准确控制不同波长（或频率）电磁波焦点位置的超表面。在传统光学系统中，色散效应通常会导致不同波长的光聚焦在不同位置，形成色差问题，而色散超表面则能够利用这一特性来实现波长依赖的波束调控。
超表面是一类由亚波长尺度的人工结构单元组成的二维材料，其设计可以准确调控电磁波的振幅、相位和极化。而色散超表面进一步利用了这些结构的频率依赖性，使得不同频率的电磁波在空间中按照预设方式传播。例如，色散超表面可以使不同频率的电磁波聚焦在不同的深度，从而对待测物体的单次二维扫描中获取三维信息，极大提高成像效率。
本文研究者采用的便是一种基于色散效应的无源太赫兹超表面。通过优化设计超表面结构，使不同频率的太赫兹波聚焦到不同深度，并巧妙设计使得光斑尺寸保持不变，成功克服了传统成像系统中横向分辨率受深度影响的局限性。此外，该色散超表面具有3 dB 聚焦效率相对带宽高达100%，同时实现了高信噪比成像、大景深、高纵向分辨率等特性。这一突破性研究为太赫兹三维成像、光谱成像、高速率无线通信等领域提供了新的解决方案，并有望推动高性能电磁波调控技术的发展。
设计思路和工作原理
通过深入的理论分析发现，当超表面阵列的相位分布在整个工作频段内保持不变（如图1a所示）时，不同频率的入射太赫兹波将在不同深度聚焦，形成如图1b所示的色散效应。进一步研究表明，通过巧妙设计能够使不同频率的光斑尺寸在整个工作频段始终不变。这些特性为三维成像领域提供了新的思路：将待测物体置于色散超表面的聚焦范围内，并沿xy平面执行单次二维扫描，获取待测物体的频域反射信号，通过傅立叶逆变换转换至时域，观测物体不同时刻的反射图像，从而解析物体内部不同深度的结构。此外，通过扩展色散超表面的带宽可进一步增加三维成像的景深和纵向分辨率，而降低超表面的传输损耗能够有效提高成像信噪比。同时，由于聚焦光斑尺寸不随频率变化，使得三维成像的横向分辨率在不同深度下保持一致，简化后续图像处理。
上述分析表明，克服现有三维成像系统存在的信噪比低、景深不足、纵向分辨率差、横向分辨率随深度变化的技术难点，在于设计一种低损耗、宽频带、相位分布不随频率变化的色散超表面。为了实现这些设计目标，该团队研究发现如图2a所示的传统金属开口谐振环结构，通过调整谐振环尺寸，可在175至525 GHz宽频段内实现高效率传输（传输损耗低于3 dB，如图2b所示)。此外，如图2c所示，不同阵列单元的传输相位曲线在宽频带内保持相互平行，即满足超表面阵列在不同频率下保持恒定相对相位分布的要求。基于该开口谐振环阵列单元，该团队完成了如图2d所示的超表面阵列设计，其在设计频率275 GHz的焦距为50 mm。值得注意的是，现有基于开口谐振环的超表面设计中，尚未有研究利用其传输相位曲线相互平行的特性来构建超表面阵列并用于三维成像。
在三维成像中，为确保不同深度成像的横向分辨率保持一致，要求色散超表面的光斑尺寸在整个工作频段内稳定不变。如图5a所示，计算结果表明，在175 – 525 GHz频段内，该超表面聚焦光斑的FWHM始终为1.5 mm。实验测量结果（图5b）验证了220 – 330 GHz频段内光斑尺寸的稳定性，并与数值计算高度一致（图5c）。此外，如图4b所示，该色散超表面的光斑尺寸略大于衍射极限，表明其应用于三维成像可实现高横向分辨率。进一步实验测量表明，由该超表面构建的三维成像系统的横向分辨率达到1.50 lp/mm。
由于所提出的超表面旨在用于构建三维成像系统，因此在不同深度保持一致的空间分辨率和足够的信噪比对成像效果至关重要。因此，该超表面的工作带宽定义为同时满足以下两项条件的频段：
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聚焦光斑尺寸保持恒定，确保三维成像系统的横向分辨率在不同深度保持一致；
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聚焦效率超过 50%，以保证三维成像系统具备高信噪比。
基于此，所提出的色散超表面工作带宽覆盖175–525 GHz，相对带宽达100%，其聚焦效率如图6所示。此外，基于光学相干断层成像理论计算与实验验证，该三维成像系统的纵向分辨率可达0.5 mm（0.5λ0at 275 GHz），能够有效解析物体内部相邻深度的结构。
色散超表面用于太赫兹三维成像系统
为了验证所提出超表面在实际高分辨率三维成像中的性能，该团队对以下目标物进行了成像实验：两层叠放含有不同文字信息的纸张、封装在纸质包装盒和充电仓内的耳机。实验测量在220–330 GHz 频段内进行。
值得注意的是，基于色散超表面构建的太赫兹三维成像系统中，待测物体的频域反射信号同时包含聚焦反射信号与离焦反射信号，其中离焦回波会导致成像模糊。为了提高图像对比度，后续信号处理采用短时傅立叶变换（STFT）分离不同时刻的频率成分，并抑制离焦反射信号，从而优化成像质量。
如图7所示，两张分别含有不同手写文字信息的纸张沿太赫兹波传播方向z轴依次叠放，间距为13 mm。太赫兹波可穿透薄墨层和纸张，但由于墨水和纸张在太赫兹频段的复介电常数不同，它们对入射太赫兹波的反射特性存在差异。这种反射对比度可以用于提取每张纸上的文字信息，如图7d、7e所示，该三维成像系统能够有效利用两层叠放纸张的频域反射信号幅度构建的太赫兹成像，并准确提取各层纸张上的文字信息。鉴于欧洲中世纪时期画布价格昂贵，画布的重复利用导致一些知名画作的下层隐藏有其他油画。该三维成像系统有望用于检测隐藏的油画作品，拓展其在文化遗产保护领域的应用。
在另一项实验中，太赫兹三维成像系统对隐藏在厚纸质包装盒和充电仓内的耳机进行太赫兹检测成像，以探索其在高分辨率公共安全检查中的潜在应用。如图8所示，聚焦太赫兹波能够穿透多种非导电层，包括厚纸包装层、多层塑料、PCB以及充电仓电池，从而精准探测到隐藏的耳机。此外，充电仓内部的金属部件，如图8b中的金属铰链及两块小尺寸芯片，同样可被聚焦太赫兹波有效检测。这一实验验证了该三维成像系统的高横向与纵向分辨率，表明其能够有效探测复杂封装内部的多层隐蔽结构，展现出在精细安全筛查中的应用潜力。
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