新知 物理

看破一切的兆赫波鬼影成像

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撰文者:林祉均
發文日期:2020-03-19
點閱次數:1339
  • "利用非線性鬼影成像技術,新型的兆赫波顯微鏡擁有前所未有的精準度。"

    兆赫波是頻率介於0.3到3兆赫茲的電磁波。從頻譜上來看,位於微波和紅外線之間。兆赫波就像X光一樣,可以輕鬆穿透一般物體;不過因為它頻率和能量都比較小,因此不會對生物組織造成危害,可以用於人體和其他脆弱的生物體樣本。

    兆赫波成像還有另一個優點。一般的相機捕捉的是物體反射的可見光頻段;如果利用兆赫波成像,則可以橫跨整個頻譜,從微波到珈瑪射線,呈現出每個像素的完整細節。這種技術稱為高光譜影像,讓研究人員能夠觀察物體的分子組成,藉此分辨不同材料。
    然而兆赫波顯微鏡的技術,向來被認為不可能達成。因為需要觀察的細節通常小於兆赫波的波長,使得準確成像變得十分困難,如果想要進一步聚焦的話,又會影響物體發出的電磁波信號。換句話說,成像的技術本身會破壞觀察結果。


     
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    鬼影成像突破瓶頸

    這個難題在最近有了新的突破。英國薩賽克斯大學(University of Sussex, UK)的研究團隊發表了時間解析非線性鬼影成像(time-resolved nonlinear ghost imaging),成功結合以往的鬼影成像技術,讓兆赫波在不­干擾到物體的情況下,捕捉物體的影像。研究人員首先用非線性晶體將可見光雷射轉換為兆赫波,接著射向待觀察的物體。


    在後方等著的是一個單像素的電磁場偵測器。當研究人員讓入射兆赫波的模式隨時間變化,偵測器捕捉到的散射電磁波會呈現強度的起伏。利用這個起伏的訊號,便能重建出待觀察物體的電磁波特徵。


    這項研究最近在Optica發表。研究領導人Dr. Macro Peccianti 說道:「我們偵測到的訊號包含物體的所有資訊,就像超音波成像一樣。我們整理這些資訊,重新組成物體的高光譜影像,達到前所未有的精準度。」研究團隊目前也開始利用機器學習,嘗試加速系統重建影像的過程。


    相關的影像技術在未來的應用包括腫瘤醫學,以及製造業的品質控管。另外,機場的安檢掃描也可以透過相關技術,對行李進行非破壞性的化學成份分析。


    參考文獻
    [1] Hyperspectral terahertz microscopy via nonlinear ghost imaging, Optica, 7, 186, (2020).
    [2] Temporal ghost imaging, Nature Photonic, 10, 150, (2016) 

     
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