鬼影像，基于單個像素的探測和多模式照明，是一個針對難以到達的波長范圍的比較關鍵的研究手段。在太赫茲所占據的區域，此時高分辨率的圖像在大多數情況下是不易獲得的，鬼圖像是一個優化的選擇，可以植入到時間維度，創造出一個高光譜的圖像。在這一框架中，高分辨率比較容易實現。因此，這在發展實際的影像觀察的時候就非常重要。在這里，來自瑟賽克斯大學的研究人員為大家展示了時間分辨率的非線性鬼圖像，這是一種基于近場，光——太赫茲的非線性轉換技術和探測照明模式。研究人員展示了空間——時間耦合效應時如何影響近場時間占據主導的圖像，并且研究人員發展了一個完整的辦法來克服基礎系統構建的問題。研究人員的理論——實驗平臺使得高可靠性的亞波長影像和攜帶相關的限制在非線性生成晶體厚度方面得到了解決。這一工作使得構建復雜樣品在使用常規固定時間的手段難以獲得高光譜影像建立了嚴格的框架。

太赫茲場傳輸后窺見不可見物體的藝術構圖

This is an artistic rendering of the terahertz field transmitted by an abstract object. Credit: University of Sussex

Terahertz camera uses laser light patterns to ‘see inside’ objects — Terahertz imaging can reveal tiny hidden features of living things.太赫茲相機使用激光來看見物體的內部細節——太赫茲影像可以揭示活體內部的隱藏的微小的細節問題。

來自瑟賽克斯大學（University of Sussex ）的物理學家團隊成功的發展了第一個非線性相機，該相機可以利用太赫茲輻射捕獲固態物體內部的高分辨特征。

時間分辨率的非線性鬼照相技術的原理圖

在新興光子學實驗室的教授 Marco Peccianti的領導下， Luana Olivieri, Dr. Juan S. Totero Gongora和一個研究生團隊構建了一個新型的太赫茲相機，該相機可以捕獲探測THz電磁波，且探測的精度達到前所未有的精度。

TNGI 測量的概念性描述圖

采用THz發射所獲得圖像稱之為超光譜，這是因為這些圖像是由像素(組成屏幕圖像的最小獨立元素)所組成的，每一個像素包含目標物體相應點的電磁信號。

THz 波位于微波和紅外波之間的電磁波，THz的發射比較容易的就可以穿透諸如紙張，衣服，塑料等，其穿透形式同X射線一樣，在穿透的時候不會對物體產生破壞。該THz在使用的時候是比較安全的，即使是對比較敏感的生物學樣品也是安全無害的。THz圖像使得我們可以非常容易的觀察目標物體的分子成分和區分出不同的材料——諸如區分糖和可卡因。

時間分辨率非線性鬼照相相機使用非線性的晶體來將標準的激光轉換成THz的模式，使得采用單個的THz像素構建成復雜的物體

在解釋這一最新研究成果的重要性的時候， Peccianti教授認為：THz相機所面臨的最大挑戰在于并不是收集圖像，而在于保留目標物體的指紋，而指紋的保留在使用其他技術的時候非常容易受到損壞。這就是我們的技術所取得的成就的關鍵所在。影像的所有細節的指紋信息會被這一方式所保留，由此我們可以對物體進行更加完全詳細的調查研究。

直到今天，可以捕獲高光譜影像能力的相機可以保留THz發射所揭示的精細的襲擊，這在以前是不可能的。

新型光子學實驗室的團隊使用一個單像素的相機，利用THz光的模式來對物體進行影像。他們構建的原型可以探測出目標物體在THz光的不同模式下是如何變化的。通過綜合每一原始模式形狀的這一信息，相機可以揭示出目標物體的圖像以及其化學成分。

THz發射源一般來說比較脆弱，而且高光譜圖像，直到今天，屬于有限保真度。為了克服這一弊端，薩塞克斯大學的研究團隊將一束標準的激光照射到一個獨特的非線性材料中，該材料可以將可見光轉換成THz。這一原型相機制造出的THz電磁波非常接近樣品，有點同顯微鏡工作的時候相類似。當THz波可以穿透物體且不會對物體產生影響，獲得的圖像就可以揭示目標物體的3D形狀和三維的成分分布。

Totero Gongora博士認為：目前的這一研究成果是一大進展，這是因為我們所研究的成果展示了我們早先的理論研究所探索的可能性，不僅是可行的，而且我們的工作甚至比以前所預期的還要好。在構建我們的裝置的時候，我們發現了幾個不同的途徑來優化圖像的過程，現在這一技術比較穩定和工作可靠。下一步我們的研究將聚焦在加速圖像的構建過程和進一步的使用THz相機來在真實世界中盡快得到應用，諸如機場的安檢，智能汽車所用的傳感，制造工藝過程中的質量監控，以及健康問題，諸如皮膚癌的掃描探測。

這一研究成果發表在期刊《Optica》上。

文章來源： “Hyperspectral terahertz microscopy via nonlinear ghost-imaging” by Luana Olivieri, Juan S. Totero Gongora, Luke Peters, Vittorio Cecconi, Antonio Cutrona, Jacob Tunesi, Robyn Tucker, Alessia Pasquazi and Marco Peccianti, 19 February 2020, Optica.

DOI: 10.1364/OPTICA.381035以及University of Sussex

Ref：Cite this: ACS Photonics 2018, 5, 8, 3379–3388，Publication Date:July 3, 2018，Time-Resolved Nonlinear Ghost Imaging，