基于光学参量上转换的连续太赫兹波实时成像技术研究

A real-time THz imaging of ultra high sensitivity based on intracavity optical frequency up-conversion, which will converts THz photons to near infrared photons by 'one-to-one' method, will be studied. The principle of the intracavity and efficient nonlinear optical generation and the nonlinear optical response of THz imaging signal will be analyzed. We will build the theoretical model which will consider the influence of noise in the intracavity parameters up-conversion process of two-dimensional image signal. The method of improving the detection sensitivity and restrain noise in system will be studied and mastered. The intracavity parametric up-conversion of THz imaging will be experimentally studied and system design will be optimized on the basis of theoretical model. The key technology of the frequency bandwidth increasing, the resolution and efficiency of optical parametric up-conversion improving and two-dimensional parametric noise suppression will be studied. We will combine the commercial infrared CCD with ultra-high sensitivity to realize the high sensitivity of terahertz wave real-time imaging technology of the receiving frequency is 1 .15THz, imaging resolution is 240×240 and NEP<100 fW/Hz^1/2. This technology will prove a new basis and technical foundation for the THz wave application development in the field of medical diagnosis, nondestructive testing and sensing unit, which has important academic significance and application prospect.

研究一种基于内腔增强型光参量上转换将太赫兹（THz）波光子“一对一”转换为近红外光子的超高灵敏度连续THz波实时成像技术。理论上系统地研究内腔高效非线性光学过程和太赫兹波图像信号非线性光学响应的机理，建立考虑噪声的图像信号内腔参量上转换过程理论模型，研究分析提升系统探测灵敏度和分辨率的方法，获得高效高灵敏度THz波上转换成像探测系统条件；实验上依据理论模型对基于内腔参量上转换的光学太赫兹波成像系统方案进行优化设计，研究解决THz波二维图像信号在内腔光学参量过程中提升转换效率、成像分辨率和噪声抑制等关键技术难题，结合目前商品化的超高灵敏度近红外面探测器件，实现接收频率在1.15THz、分辨率240×240和NEP<100fW/Hz^1/2的超高灵敏度太赫兹波实时成像技术，为THz波在医学诊断、无损检测和传感等领域的发展提供新的依据和单元技术基础，具有重要的学术意义和应用价值。

本项目针对高灵敏度的太赫兹（THz）波实时成像技术在THz波检测和传感等应用领域的广泛需求，探索国际相关领域前沿，突破目前THz波探测灵敏度的器件和技术瓶颈。由于THz波与红外激光的波长差距较大导致非线性转换效率较弱，之前的报道均采用短脉冲高峰值功率的泵浦光来提高非线性增益，对连续光而言通常提高泵浦激光器的输出功率（>100W）来提升转换效率的方法很难适用，且功耗巨大。本项目研究了一种基于内腔增强型光参量上转换将THz波光子转换为近红外光子的超高灵敏度连续THz波实时成像技术。理论上深入地研究了非线性成像机理，建立考虑噪声的图像信号腔内参量上转换过程理论模型，研究分析提升系统转换效率和对比度的方法，获得高效高灵敏度THz波上转换成像探测系统条件；针对成像系统引入噪声对非线性成像信噪比和分辨率的影响，研究了注入真空压缩场的图像相敏放大过程，提出了一种通过调整压缩真空场的压缩角等参数实现解决非理想相敏放大中增益起伏的新方法，可以有效地提高非线性成像系统的信噪比及分辨率；提出并设计了以超表面铌酸锂薄层波导结构为非线性介质的高效光学参量上转换，结合超表面相位可调的性质，实现了相位不敏感的高转换效率波长转换，相比于传统红外上转换过程，突破了光参量逆变换对参量作用介质长度的限制，使闲频光转换功率提升了一个数量级；通过基于光学非线性调制不稳定性来实现弱图像噪声抑制以及信噪比提升的研究，提出并实现了基于调制不稳定性及光诱导型光子晶体的非线性图像信号重构技术，促进弱图像信号的自增强及图像相关度提升，从而提高图像的信噪比；研究解决THz波二维图像信号在内腔光学参量过程中提升转换效率、成像分辨率和噪声抑制等关键技术难题，结合目前商品化的超高灵敏度近红外面探测器件，实现接收中心频率在1.6THz和灵敏度优于100fW/p的太赫兹波实时成像技术，为THz波在医学诊断、无损检测和传感等领域的发展提供新的依据和单元技术基础，具有重要的学术意义和应用价值。