太赫兹量子级联激光器自混合层析成像基础研究

High-resolution terahertz tomosynthesis or tomography has great application potentials in many fields, such as precision manufacturing of special materials, biomedical nondestructive diagnosis and transient detection of shock waves. The coherent imaging based on the self-mixing interference of quantum cascade lasers (QCLs) can improve the resolution of current terahertz tomosynthesis techniques and may provide new method for multi-interface displacement/velocity measurements. This project aims for the high-performance terahertz tomosynthesis and solves the basic problems of self-mixing interference of QCLs with multi-reflections. By studying the dynamics of QCLs, we will develop the simulation method for the self-mixing interference of QCLs under multi-reflected optical fields with arbitrary strengths to reveal the basic principle of terahertz tomosynthesis with self-mixing interference. We will design and fabricate terahertz QCLs with high stability and high coupling efficiency to the self-injected optical fields to overcome the lacking of high-performance devices in terahertz self-mixing experiments. We will also develop the extraction, analysis and inversion method of weak and complex self-mixing signals to set up the experimental systems for the terahertz tomosynthesis and multi-interface displacement and velocity measurements.

高分辨的太赫兹层析成像技术在特种材料精密加工、生物医学无损诊断、冲击波瞬态监测等领域具有重要的应用前景。基于量子级联激光器（QCLs）自混合干涉的相干成像技术有望改善目前常见的太赫兹层析成像分辨率不足的问题，并为发展多界面的太赫兹测距/测速传感提供新的可能。本项目以高性能太赫兹层析成像技术为研究目标，解决多界面反射时QCLs自混合干涉测量的基础问题：通过对QCLs在多界面反射光作用下自混合干涉动力学特性的深入研究，发展任意强度多反射光的QCLs自混合干涉模拟手段，阐明基于自混合干涉的太赫兹层析成像及多界面测距/测速机理；有针对性的发展QCLs器件设计和研制，获得对光场反馈具有高稳定性、高耦合效率的实用化器件，解决目前用于自混合系统的器件困难；针对多界面反射时微弱而复杂的自混合信号，发展高效的自混合信号提取、分析和信息反演方法，完成基于太赫兹QCLs的自混合层析成像、测距/测速实验系统研究。

本项目针对太赫兹量子级联激光器（THz-QCLs）自混合干涉现象及其内在规律研究中的基础性问题，紧密结合特种材料检测及军事、科技、工业等领域对太赫兹层析成像技术的重要需求，开展相关基础理论和基础实验技术研究，以实现5微米纵向分辨率的太赫兹层析成像技术为核心目标。.经过四年的努力工作，项目顺利达到了预期目标，取得的研究成果包括：.（1）在基础理论研究中，阐明了THz-QCLs动力学响应的过阻尼特性及其在高速光电调制下区别于传统半导体激光的特殊稳定性。系统地研究了THz-QCLs及其阵列在光场自混合、主从注入及互注入下的分支行为、调制响应和噪声特性，提出了基于THz-QCLs互注入阵列自混合干涉的多目标测速传感方案。.（2）在理论方法探索上，发展了处理复杂光腔结构及任意反馈强度下THz-QCLs自混合干涉特性的新方法。基于新的理论方法，系统地研究了基于分布式反馈光栅的单模THz-QCLs和宽谱THz-QCLs的自混合干涉特性及其在高精度太赫兹成像/光谱技术领域的可能应用。.（3）在基础实验技术探究上，搭建了国内首个THz-QCLs自混合干涉实验平台，解决了微弱自混合信号提取等基础性技术问题，发展了相应的激光参数提取、太赫兹成像、多目标测速传感及物质光谱分析技术。.（4）在层析成像系统研制中，通过对多臂自混合干涉的原理性验证和数据反演算法研究，实现了纵向亚微米量级的THz-QCLs自混合干涉层析成像；同时，也发展了分辨率达到6微米的太赫兹时域光谱（THz-TDS）非扫描式超衍射分辨的太赫兹三维层析成像技术。这两种技术各具优势：THz-QCLs自混合干涉层析成像分辨率较高、动态范围较大；THz-TDS层析成像技术的工业化程度较高。.（5）在太赫兹层析成像技术应用上，广泛开展了半导体、航天及工业材料的太赫兹层析成像验证，进行了集成化产品开发等成果转化探索。.（6）为了进一步深化和拓展THz-QCLs在太赫兹高性能探测及高分辨成像领域中的广泛应用，项目在基于碳纳米管纤维、还原氧化石墨烯薄膜、EuBiSe3单晶等新材料的超宽谱太赫兹探测、基于VO2 薄膜的太赫兹光存储、基于GaAs/AlGaAs棘轮和LED复合结构的太赫兹上转换器件等领域进行了积极探索。