太赫兹(THz)频带的电磁辐射在未来的通信和成像应用中具有独特的潜力，但因缺乏低成本、高效益的太赫兹源，太赫兹技术的应用受到阻碍。为了克服在太赫兹辐射产生、控制和检测中对高功率飞秒激光器的依赖，英国埃克塞特大学的Michal Mrnka研究团队展示了一种太赫兹频带发射和检测的时空控制装置，利用图案化可见光照射诱导钝化硅中非平衡载流子产生，实现自由电子密度的局部调制，进而图案化硅晶片的太赫兹谱的发射率，产生太赫兹辐射。这种方法可以用于对隐藏的物体进行成像，且具有微波辐射达不到的分辨率，相较于其他太赫兹成像方法具有相当的穿透能力，且不需要飞秒脉冲激光源。相关研究内容发表在Optica第10期。
主要研究内容
热辐射的动态控制一直是红外光谱带中非常活跃的研究领域，若能找到一种在空间或时间上调制材料的温度或发射率的方法，就可以在空间和时间上控制辐射功率。为了实现对目标物体的太赫兹成像，研究人员将图案化的可见光照射在表面钝化且具有高电阻率的硅片上，激发产生自由电子空穴对，进而局部调制硅片的发射率，产生用于下一步成像的图案化太赫兹辐射;发射的热辐射透过成像物体并由铝抛物面镜收集，通过两个低通滤光器将信号耦合到温斯顿锥，最终被锑化铟测辐射热计收集(图1)。
为了实现图案化太赫兹辐射的产生，用图案化的可见光束照射一块675 µm厚、高电阻率、未掺杂的硅片。当光照射晶片时，光生电子-空穴对会改变材料的介电常数，这反过来又通过增加电子和空穴的等离子体频率，使改性的硅片成为毫米和更低太赫兹波段的有效吸收体/发射器。为了减少表面的自由载流子复合进而提升载流子寿命，扩大太赫兹光谱的发射率调制范围，使用的硅片采用ZnO/Al2O3作为表面钝化层，图1c中的发射峰对应于法布里-珀罗共振。由于发射信号几乎线性地随着温度的升高而增加，为了使太赫兹热发射在室温条件下可观察并进一步提高探测水平，研究人员使用加热枪通过对流加热提高调制器的热力学温度。
图1(a)实验装置示意图;(b)导电物体的太赫兹成像照片;(c)钝化硅晶片的仿真光谱辐射图谱
作为验证，研究团队以西门子星作为成像对象来检测该成像装置的分辨率，受限于自由载流子在硅晶片中的扩散长度，可获得最小分辨特征约1.2 mm。太赫兹成像的一个主要优点是太赫兹辐射能够穿透不透明的材料，如纸张、塑料和陶瓷，可以利用这种能力对隐藏的物体进行成像。为证明该成像系统足够灵敏，研究人员分别以纸信封中的剃须刀片和夹在塑料层与纸之间的射频识别标签为成像对象，图2显示，太赫兹能穿透信封对刀片成像，也能穿过标签中的塑料进而对圆形铜线和内部芯片成像。
图2 使用发射率调制器成像
结论与展望
该研究开发了一种不需要外部太赫兹源的成像方法，基于表面钝化硅光调制设计了一种动态的、全光学的太赫兹频率空间发射率调制器。得益于表面钝化硅中相对长的载流子寿命，可以利用中等强度的图案化泵浦光束(200 W/m2)就能实现对发射率的调制，该成像方法有望克服目前标准太赫兹成像技术中对飞秒激光器的依赖。通过结合合适的光学器件与硅晶片的图案化微天线设计，这种热调制方法将具有更多的应用潜能。
近年来，随着现代光学和光电子学的快速发展，太赫兹成像领域不断出现新的方法和技术，促进太赫兹成像向更高维度，更高分辨率，更高性能以及更高效率方向发展。为了展示太赫兹成像技术在原理，技术以及应用方面的新进展，促进学术交流，《激光与光电子学进展》在2023年第18期推出了“太赫兹波前获取与调控”专题，该专题包含特邀综述和原创性研究论文。
