基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统技术方案

本发明专利技术公开的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，包括直流电源，直流电源上串接限流电阻、电流表和供电控制模块并构成回路，供电控制模块上电连接有焦平面成像阵列，供电控制模块的两端并联有滤波器和锁相放大器且均构成回路，滤波器和锁相放大器与供电控制模块的共同回路上串接有电容器，供电控制模块与锁相放大器还共同连接有计算机。本发明专利技术基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，解决了现有太赫兹波焦平面探测器阵列价格昂贵、工作温度、带宽、响应速度、响应率和NEP方面存在不足以及氖灯辉光放电探测器焦平面成像阵列存在NEP大、分辨率低和功耗大的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统
本专利技术属于太赫兹波检测系统
，具体涉及一种基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统。
技术介绍
太赫兹(THz)电磁波能穿透很多介电材料和非极性液体，如衣料、塑料和纸张等，因此能对可见光不透明的物体可进行透视成像；由于其光子能量很低，不会对生物产生有害的光电离，故THz成像技术是一种安全的成像方法，在安检、无损检测和生物医学诊断等方面具有广阔的应用前景。THz成像技术可分为脉冲波成像和连续波成像。对于THz脉冲波成像技术，大部分THz成像系统都采用超短激光泵浦光电导天线或非线性晶体产生THz脉冲，聚焦后照射到样品上，利用二维平移台控制样品的移动，实现逐点扫描成像。虽然扫描成像技术可以确保较高的信噪比，但是成像速度很慢。通常商业化的基于THz时域光谱系统成像装置对一个20mm×20mm的样品以0.5mm的扫描步长进行脉冲成像，耗时3小时以上。1996年，Q.Wu和X.-C.Zhang提出了THz脉冲实时成像技术，有效缩短了THz成像的图像获取时间，大大提高了THz成像技术的实用性。但是，由于成像时要将THz脉冲扩束直接照射样品，而目前的脉冲THz源的功率都很小，所以利用脉冲THz实时成像技术获得的图像的信噪比不高，且只能对很小的物体成像。脉冲THz成像需要飞秒激光器，成像系统复杂；数据处理也非常复杂。与THz脉冲波成像技术相比，虽然使用一个具有固定频率的THz源和单个探测器的THz连续波成像系统只能给出通过样品后的THz波的强度信息，不能提供物质的深度、频谱和时域信息，但是它体积小巧、结构简单、价格相对较低。然而，这种THz连续波成像系统仍然需要在THz焦点位置处使用二维电动平移台机械的移动样品实现逐点扫描成像，不能实现实时成像。例如，对一个20mm×20mm的样品以0.2mm的扫描速度进行脉冲成像，耗时数分钟。由于THz连续波源的功率较高，可将THz波扩束照射到样品上，然后将从样品透射(或反射)的THz波收集并聚焦到焦平面成像阵列上从而获得样品的实时THz图像。THz波实时成像技术是推动THz成像技术在安全检查、无损检测、生物医学诊断等领域广泛应用的一种有效途径。THz波实时成像系统中的核心部件是THz波焦平面探测器阵列，它被用来接收携带有样品信息的THz波。目前常用的THz波焦平面探测器阵列有Bolometer阵列、焦热电探测器阵列、肖特基二极管阵列、CMOS阵列和场效应晶体管(FET)阵列等。这些探测器阵列不仅价格非常昂贵，而且在性能上还存在许多不足。如Bolometer阵列的带宽可达0.2-30THz，噪声等效功率(NEP)可达3pW/Hz1/2，但是，需要低温冷却系统，造成体积庞大；受“热时常数”的限制，响应速度慢，难以实现实时成像。虽然Microbolometer阵列可以在室温下工作，但是其带宽大大降低(通常<5THz)，NEP增加到几十到几百pW/Hz1/2。焦热电探测器阵列可以在室温下工作，频谱响应范围0.1-30THz，但是NEP非常大。硅肖特基二极管阵列、CMOS阵列和FET阵列等电子学器件也可以在室温下工作，但是一般只能探测1THz以下的频段，并且NEP较大，一般为几十到几百pW/Hz1/2。表1比较了几种常见的室温THz焦平面成像阵列的性能。表1常见的室温太赫兹焦平面成像阵列的性能对比辉光放电探测器是一种新型的THz波探测器。它利用低压惰性气体直流放电产生等离子体，在THz电磁波的作用下，等离子体中的电子能量增加引起高激发态惰性气体原子电离，从而引起回路中电流增加。因为电流增量与THz波功率成正比，所以可以用其探测THz波。2007年，N.S.Kopeika报道了利用价格低廉的氖灯制作的辉光放电探测器(简称氖灯辉光放电探测器)探测THz电磁波，在100GHz波段，氖灯辉光放电探测器的响应率为20V/W，NEP为104pW/Hz1/2。为了提高成像速度，2011年，N.S.Kopeika制作了8×8的氖灯GDD阵列。由于氖灯的直径较大(6mm)，导致氖灯辉光放电探测器阵列的尺寸大，图像分辨率低；并且氖灯辉光放电探测器的响应率小、NEP大，即使采用很复杂的成像方法和图像重构算法也只能对很简单的物体成出很模糊的THz图像，更不能实现实时成像。当64个氖灯同时开启时，功耗很大，需要散热系统；而且需要64套数据采集和放大电路，系统复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，解决了现有太赫兹波焦平面探测器阵列价格昂贵、工作温度、带宽、响应速度、响应率和NEP方面存在不足以及氖灯辉光放电探测器焦平面成像阵列存在NEP大、分辨率低和功耗大的问题。本专利技术所采用的技术方案是：基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，包括直流电源，直流电源上串接限流电阻、电流表和供电控制模块并构成回路，供电控制模块上电连接有焦平面成像阵列，供电控制模块的两端并联有滤波器和锁相放大器且均构成回路，滤波器和锁相放大器与供电控制模块的共同回路上串接有电容器，供电控制模块与锁相放大器还共同连接有计算机。本专利技术的特点还在于，焦平面成像阵列包括依次上下封装的上面板、中面板和下面板，中面板上刻蚀有m×n个供太赫兹波入射的通孔，m×n个通孔内均充入惰性气体形成气室阵列，上面板的下表面均匀间隔设置有m列x电极，m列x电极一一对应气室阵列的m列气室，下面板的上表面均匀间隔设置有n行y电极，n行y电极一一对应气室阵列的n行气室，n行y电极和m列x电极均电连接至供电控制模块。气室均为正方形或圆形，气室的宽度均为10μm-1mm，气室的深度即中面板的厚度为10μm-1mm。上面板选用石英玻璃材质，x电极的宽度为气室宽度的1/10-1/3。y电极的宽度不小于气室的宽度。气室内惰性气体的压强均为103-105Pa，惰性气体为He、Ne、Ar、Ke、Xe中的一种或两种以上组成的潘宁混合气体。x电极和y电极均采用ITO薄膜或金属膜制作。电容器的大小为其中，f是入射太赫兹波的调制频率，R是与信号通路并联的等效电阻。滤波器为带通滤波器，滤波器的谐振频率设置为入射太赫兹波的调制频率。锁相放大器的积分时间为0.1ms-1s。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用惰性气体在若干具有微米尺度放电空间的阵元构成的阵列空间内发生直流放电产生的微等离子体阵列对携带物体信息的THz波进行实时成像。与常规等离子体相比，由于微等离子体尺寸的限制使其具有更高的等离子密度和稳定性，所以基于微等离子体阵列的THz波焦平面实时成像阵列将具有更高的响应率、更小的NEP和极高的分辨率。2、本专利技术中采用逐点顺次启动探测的方式使焦平面成像阵列工作，每次只有一个像元工作，因此功耗低。3、微等离子体放电同样遵循帕邢定律，因此基于微等离子体阵列的THz波焦平面成像阵列能够运行在大气压条件下，无需产生常规等离子体所需的真空系统，装置轻巧、便携，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，包括直流电源(5)，直流电源(5)上串接限流电阻(4)、电流表(3)和供电控制模块(2)并构成回路，供电控制模块(2)上电连接有焦平面成像阵列(1)，供电控制模块(2)的两端并联有滤波器(7)和锁相放大器(8)且均构成回路，滤波器(7)和锁相放大器(8)与供电控制模块(2)的共同回路上串接有电容器(6)，供电控制模块(2)与锁相放大器(8)还共同连接有计算机(9)。/n

【技术特征摘要】
1.基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，包括直流电源(5)，直流电源(5)上串接限流电阻(4)、电流表(3)和供电控制模块(2)并构成回路，供电控制模块(2)上电连接有焦平面成像阵列(1)，供电控制模块(2)的两端并联有滤波器(7)和锁相放大器(8)且均构成回路，滤波器(7)和锁相放大器(8)与供电控制模块(2)的共同回路上串接有电容器(6)，供电控制模块(2)与锁相放大器(8)还共同连接有计算机(9)。


2.如权利要求1所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述焦平面成像阵列(1)包括依次上下封装的上面板(10)、中面板(11)和下面板(12)，中面板(11)上刻蚀有m×n个供太赫兹波入射的通孔，m×n个通孔内均充入惰性气体形成气室(14)阵列，上面板(10)的下表面均匀间隔设置有m列x电极(13)，m列x电极(13)一一对应气室(14)阵列的m列气室(14)，下面板(12)的上表面均匀间隔设置有n行y电极(15)，n行y电极(15)一一对应气室(14)阵列的n行气室(14)，n行y电极(15)和m列x电极(13)均电连接至供电控制模块(2)。


3.如权利要求2所述的基于微等离子体阵列的太赫兹波焦平面成像系统，其特征在于，所述气室(14)均为正方形或圆形，气室(14)的宽度均为10μm-1mm，气室(14)的深度即中面板(11)的厚度为10μm-1mm。

【专利技术属性】
技术研发人员：侯磊，施卫，孙夏思，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61