在科技的浩瀚星空中，太赫兹技术宛如一颗冉冉升起的新星，凭借其独特的物理属性，在诸多前沿领域展现出无可限量的应用潜力。太赫兹波的频率范围处于 0.1THz 至 10THz 之间，该频段的信号具备高穿透性，能够轻松穿透纸张、塑料、木材以及部分陶瓷等常见材料 ，同时又具有非电离特性，不会对生物组织造成辐射损伤。

这两大特性，使其在生物医学成像、生物传感、无损检测等领域散发着独特魅力，吸引着众多科研工作者和企业投身其中。

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太赫兹成像的困境与突破之需

在生物医学领域，早期癌症组织的精准识别与观测一直是医学研究的重点和难点。太赫兹波能够探测到生物组织中细微的水分含量变化以及分子结构差异，为早期癌症的检测提供了全新的技术思路。在生物传感方面，太赫兹波与特定分子的振动和转动能级相匹配，可用于对特定化学成分进行精准鉴定。在无损检测领域，太赫兹技术能够有效检测复合材料中的微裂纹、空气泡等内部缺陷，保障材料的质量与安全性。

然而，太赫兹成像系统的发展之路并非一帆风顺。传统的介质透镜犹如一块沉重的巨石，严重阻碍了太赫兹成像技术的进步。其存在的强色差问题，使得不同频率的太赫兹波在经过透镜折射后无法汇聚于同一点，导致成像模糊不清；强球差现象则使得透镜边缘的光线无法准确聚焦，进一步降低了成像质量；而低分辨率更是限制了太赫兹成像系统对细微结构和特征的分辨能力。

这些问题致使太赫兹成像质量与实际应用需求之间存在着巨大的鸿沟，尤其是在 0.3THz 以上的高频段成像中，研发出超分辨率成像系统的解决方案成为当务之急。

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创新性超透镜的诞生

就在这一关键节点，香港城市大学太赫兹与毫米波国家重点实验室的科研团队勇挑重担，成功研制出超宽带无色差超分辨广角太赫兹成像透镜，并在生物成像和无损检测方面进行了极具价值的应用示范。相关研究成果以《3D 打印无像差太赫兹超透镜，具有高数值孔径、超宽带消色差超分辨率广角成像》为题，发表于国际顶尖学术期刊《Nature Communications》上，引发了科学界的广泛关注。

此次研究的核心在于创新性地提出并设计了径向梯度周期性超材料。这种超材料通过对材料的微观结构进行精心设计与调控，赋予了太赫兹波在传播过程中的特殊相位和幅度变化，从而实现了在超高工作带宽下的超分辨率成像，同时巧妙地消除了色差与彗差这两大阻碍成像质量的关键因素。

这款太赫兹超透镜的结构复杂而精密，由径向梯度周期性超材料构成。为了精准实现其复杂结构，科研团队借助了摩方精密 microArch® S230 高精密 3D 打印系统。该系统具备 2μm 的超高精度，如同一位技艺精湛的工匠，将超透镜的设计蓝图精准地转化为实物，为超透镜性能的实现提供了坚实的物质基础。

在太赫兹超透镜的基础上，科研团队进一步发挥创新思维，将两个太赫兹超透镜沿着焦点对称放置，构建出全新的太赫兹超分辨成像系统。这一创新性设计犹如神来之笔，通过巧妙的光学布局，在单个太赫兹超透镜聚焦精度的基础上，将分辨率提升了 1.5 倍。这一显著提升，使得系统对亚毫米级别的组织细节具备了更强的分辨能力，为后续在生物成像和无损检测等领域的应用提供了有力支持。

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全方位验证超透镜性能

为了全面、深入地验证太赫兹超透镜的性能，科研团队开展了一系列严谨且细致的实验。在测量 0.2THz~0.9THz 范围内的电场分布时，他们采用了 Anritsu MG3697C 信号发生器产生射频输入信号。这些信号经过一系列信号发生器扩展器（SGX）模块和乘法器的精密处理，产生了覆盖 0.2~0.9THz 范围的线性极化 THz 信号。在接收端，使用信号分析仪扩展器（SAX）模块，并将其固定在二维电动平台上。该平台由计算机控制的步进电机驱动，以 0.1mm 的精细步长移动，通过信号分析仪 KEYSIGHT N9030A 对接收的 THz 信号进行处理和记录，从而精确获得二维电场分布数据。

对于离轴聚焦的测量，科研团队精心设计了转盘装置，将 SGX 模块和倍增器安装在转盘上，并精确地定位在超透镜的中心位置。通过这种巧妙的布置，能够灵活调整 THz 波的入射角，实现从 0° 到 90° 的全范围测量，为研究超透镜在不同角度下的聚焦性能提供了丰富的数据。

成像实验同样精彩绝伦。成像系统的工作原理是从对角喇叭天线发射 y 极化 THz 波，该波入射到超透镜 1（M1）上，在样品上形成焦点。随后，超透镜 2（M2）对 M1 产生的聚焦光束进行准直，最终由接收（Rx）喇叭天线收集信号。这种双超透镜设置相较于单超透镜配置，极大地提高了成像分辨率。实验中，将工作频率设置为 0.7THz，这一频率的选择是在半高全宽（FWHM）和效率之间经过反复权衡与实验验证后确定的最佳平衡点。

成像样品被放置在 M1 和 M2 的共焦平面上，并安装在计算机控制的电动台上，通过电动台的精确移动进行 2D 光栅扫描。对收集到的 2D 功率数据进行复杂的后处理，最终生成清晰的成像场景映射。在评估成像性能之前，科研团队还进行了严格的校准程序。该程序通过在没有超透镜和安装样品的情况下评估总损耗，包括路径损耗以及 VDI 设备引入的转换损耗，对样品的测量数据进行反卷积处理，有效抵消了测量过程中的不准确性，显著增强了成像对比度。

为了充分展示广角成像性能，系统在 xz 平面上采用了 360° 旋转台。对称安装的 Tx 和 Rx 装置，使得系统能够实现任意角度 (θ) 入射，确保了离轴成像的高度灵活性。超透镜被精确定位在旋转台的中央，同时，根据之前实验评估的焦距偏移，对两个透镜 (dx 和 dz) 之间的位移进行精心调整，以保证在任意入射角下都能实现最佳聚焦。

在成像实验中，研究团队选取了隐藏在介质板下的精密电路结构、带缺陷的光栅结构以及新鲜树叶作为成像样本。实验结果令人赞叹不已，该系统能够精确识别出光栅结构中 0.1mm 量级的微小缺陷，清晰分辨出电路中间距仅为 0.2mm 的微带线路，还能呈现出介质板内部的纺织状条纹以及树叶中的细微组织纹理。

综上所述，本项研究中研发的超宽带无色差超分辨广角太赫兹成像透镜，在太赫兹成像技术领域实现了重大飞跃。首次在 0.2 到 0.9THz 的超宽带范围内，达成了数值孔径 0.555 的无色差超分辨聚焦，拥有 90 度的大视场角，并能对间距 0.2mm 的目标实现高分辨率识别。该项成果成功攻克了消色差透镜系统复杂、分辨率低、大数值孔径与大工作带宽不可兼容、消色差与消彗差不可兼容等一系列长期困扰学界的技术难题，为新一代紧凑可集成的太赫兹成像系统的研发开辟了全新的技术路径。

未来，这一成果有望推动太赫兹成像技术在生物医学、无损检测等领域的广泛应用，为相关领域的发展注入强大动力，带来更多的惊喜与突破。