Imagerie térahertz à super-résolution avec méta-guide d'ondes

Vol.49,No.5/1ermars2024/OpticsLetters 1261
WeiWeiLiu
XinyuLi,ZhengxinWang,HuiqiJiang,MinghuiDeng,LesiqiYin,ChengGong,*ET
Imagerietérahertzàsuperrésolutionbaséesurun
métaguided'ondes
https://doi.org/10.1364/OL.513859
Lettre
*[email protected]
Reçule21novembre2023;réviséle3février2024;acceptéle3février2024;publiéle5février2024;publiéle27février2024
300350,Chine
Institutd'optiquemoderne,UniversitédeNankai,TianjinLaboratoireclédescienceettechnologiedel'informationoptiqueàmicroéchelle,Tianjin,
Grouped'édition
Lafocalisationetlatransmissiondesondestérahertzdansleméta
guided'ondesontétésimuléesetanalysées.©2024Optica
01469592/24/05126104Revue©2024OpticaPublishingGroup
Lafigure1(a)présenteleschémadumétaguided'ondes.Ilsecomposed'un
guided'ondescylindriquecreuxenmétal
unezonedeconvergenceénergétiqueestgénéréeàproximitéduportdesortie.
[5,6],l’industriealimentaire[7,8]etlaconservationdesreliquesculturelles[9].
structuresmétamatériauxdanslesguidesd'ondes.Normalement,l'usinagedece
guided'ondesàl'aidedetechniquesdetraitementconventionnelles
Lemétaguided'ondesàbased'anneaumétalliqueaétéfabriquégrâceàune
impression3Dflexibleetrapideetàunetechnologiederevêtementmétallique.
permettantl'imagerieparbalayageenchamplointain.Pourlavérification,unmétal
Lemétamatériaupeutfournirdescapacitéssansprécédentpourmanipulerles
ondesélectromagnétiquesenmodifiantlagéométriedescellules.
etuneméthoded’imagerieàsuperrésolutionpeutouvriruneportepour
peutconfinerlesondesélectromagnétiquesdansunespaceclosetala
lerayonextérieurr=1,5mm,lalargeurdel'anneauw=0,4mm,l'épaisseurt=0,3
mmetlapériodep=3,3mm.Lafigure1(d)montre
Leslongueursd'ondeontétéobtenuesenplaçantlesciblesd'imagerie
analyserlescaractéristiquesdetransmissionetdefocalisationd'unTHz
maisdépasseégalementlalimitedediffractionetréaliseunefocalisationsous
longueurd'onde.Sadistanced'imagerieestbiensupérieureà
performancesdetransmissiond'unguided'ondesmaisaussiruptures
telsqueMetalens[10,11],Terajet[12,13]etlespectrespatial
Lephénomèneestsimilaireàlafocalisationd'unelentilleoud'uneparabole.
LaFig.1(b)etlesstructuresmétamatériauxdelaFig.1(c),quisontconformesàla
paroiinterneduguided'ondes.Lesdimensionssont
[17,18],métaguided'ondes[19,20],etc.Cependant,ilexiste
Lalongueurd'ondepluslonguedutérahertzentraîneunerésolutionplusfaible
structuresetdimensions.Denombreusesapplicationspassionnantesbasées
nécessitedeuxétapes.Toutd'abord,unmoule3Dspécialisédehauteprécision
Lemétaguided'ondesàbased'anneauaétéfabriquéparimpression3D
Unsystèmed'imagerieàfréquenceTHz(0,1THz)basésurceluiciaétéconstruit.
Cesystèmed'imageriesanslentillepermettrad'exploiterpleinement
unetechnologied'imagerieTHzdenouvellegénération,spécialementpourl'imagerie
àsuperrésolutionenchamplointainquipeutéviterlalimitationde lafocalisationdel'ondeTHzàtraverslemétaguided'ondes.
avantagesd'unepetitetailleetd'uneintégrationfacile.
aupointeteneffectuantunenumérisationbidimensionnelle.
L'imagerietérahertz(THz)devientunetechnologieprometteuseenraisondesa
pénétrabilité,desasécuritéetdesonempreintespectrale
danslemétaguided'ondes.Lesrésultatssontcohérentsavecles
lalongueurdeRayleigh,permettantainsil'imagerieàbalayageenchamplointain.
àtraverslalimitedediffractionsousl'actiondumétamatériau,réalisantune
focalisationsouslongueurd'onde.
miroir.C'estpourquoinousl'appelons«focus».
échantillonnage[14].Parmieux,letérahertzamélioréparmétamatériaux
del'imagerietérahertz,cequilimitesonapplicationdansdivers
montrédanslaFig.1(b),aveclalongueurl=40mmetlediamètreintérieurd=6,0
mm.LaFigure1(c)montrelesstructuresmétamatériellesde
ilexistetoujoursunproblèmedeperteimportantedansl'imagerieàsuperrésolutiontérahertz.
surlesmétamatériauxontétéproposés,notammentlematériaumagnétiqueartificiel
[15],laréfractionnégative[16],l'absorbeurparfait
doitêtreconçuetpréparé,puislemoulageglobalduguided'ondesetdelastructure
dumétamatériauesteffectué.
desavantagesduguided'ondesentermesdetransmissionàfaibleperte,de
miniaturisationetd'intégration.Sarésolutiond'imagerieatteint1/3de
etlatechnologiederevêtementmétallique.Ensuite,unsystèmed'imageriepar
balayagedetransmissionfonctionnantà0,1THzaétéconstruit.
Unguided'ondesenmétamatériautérahertz(métaguided'ondes)et
L'ondeTHzentredanslemétaguided'ondesdepuisleportd'entréeetun
Nousproposonsdoncunmétaguided'ondesTHz,quinonseulement
attentes.
distanced'imagerie.
caractéristiques.Ellepeutêtreappliquéedansdenombreuxdomaines,telsqueles
essaisnondestructifs[1,2],lasécuritédedéfense[3,4],labiomédecine
Cependant,ilestsouventdifficiledefabriquerdesprofilésconformescourbés.
Pourvérifierlesperformancesdumétaguided'ondesproposé,un
ladistanceestbiensupérieureàlalongueurdeRayleigh,donc
Lesdispositifsouméthodesd'imagerieontsuscitéungrandintérêt.
champs.Ainsi,laréalisationdedispositifsdefocalisationsouslongueurd'ondeTHz lemétaguided'ondes.Ilestcomposédeplusieursanneauxmétalliques,avec
Encomparaison,leguided’ondes,entantquesupportdetransmissionàfaibleperte,
lalongueurd'onde.Lessimulationsnumériquesontétémenéespour
imagestérahertzdequalitéavecunerésolutionde1/3dela
héritedel'avantagedelafaiblepertedetransmissiond'unguided'ondes,
Celaentraîneradescyclesdetraitementlongs,descoûtsélevésetunemauvaisequalité.
unsystèmed'imageriesanslentillebasésurunmétaguided'ondesestprésenté.
Lemétaguided'ondeshéritenonseulementdelafaibleperte
Cesdernièresannées,denombreuxdispositifsfonctionnelsTHzouméthodes
defocalisationsublongueurd'ondeenchamplointainontétédéveloppés,
Machine Translated by Google

Fig.3.Systèmed'imagerieTHzbasésurunmétaguided'ondes:(a)
schémadusystèmeet(b)schéma3Ddusystème.
Fig.4.Résultatsdusystèmed'imagerieTHz:(a)cartederésolution;
(b)lamederrièrelepapier;(c)tissud'étiquetteRFID.
Fig.2.Procéduredefabricationduguided'ondes:(a)impressiondes
profilssupérieuretinférieur;(b)recouvrementdufilmd'argentsurles
profils;(c)alignementdesprofils;et(d)combinaisondesprofilsenun
guided'ondescomplet;(e)photographied'unmétaguided'ondes
fabriqué.
Fig.1.(a)Schémadumétaguided'ondes;(b)guided'ondescylindrique
creuxenmétal(pasdestructuremétamatériau);(c)structures
métamatériaux;(d)schémadefocalisationdel'ondeTHzparleméta
guided'ondes.
1262Vol.49,No.5/1ermars2024/OpticsLetters Lettre
L'échantillond'imagerieestplacédanslazonefocaleduguided'ondes,qui
setrouveàenviron3mmduportdesortieduguided'ondes1dans
l'expérience.L'échantilloncibleestfixésuruneplateformedebalayage
linéaire2D.L'imageTHzpeutêtreobtenueenbalayantl'échantillonentraîné
parunsystèmedemouvementetd'acquisitionbidimensionnel.
Afindevérifierl'effetd'imageriedusystème,uneséried'expériences
d'imagerieaétéréalisée.Enpremierlieu,uneplaquederésolutioncontenant
desbandescreusesavecdifférentsintervalles(2,0,1,8,1,0et0,8mm)est
utiliséepourtesterlarésolutiondel'imagerie.
estunguided'ondescreuxenmétal,d'undiamètreintérieurde4mm,utilisé
pourcollecterettransmettrel'ondeTHzaudétecteur.
Flexibilité.Heureusement,avecledéveloppementdelatechnologiede
fabricationnumériqueetintelligente,lafabricationadditiveestdevenueun
pointnévralgiquedelarecherchedansledomainedelafabricationen
raisondesesavantagesdevitesse,deflexibilitéetdefaiblecoût.Par
conséquent,unetechnologied'impression3Dcombinéeàlaméthodede
revêtementmétalliqueestproposéepourfabriquerlesguidesd'ondes.Le
processusdepréparationestlesuivant:Toutd'abord,lemétaguide
d'ondesestconçuendeuxprofilscomposables(profilsupérieuretprofil
inférieur)puisfabriquéàl'aidedelatechnologied'impression3D,comme
illustrédanslaFig.2(a).Deuxièmement,lefilmd'argentestrecouvertsur
lesprofilssupérieuretinférieurduguided'ondessurlabasedela
technologiederevêtementparpulvérisationdenanoargent,commeillustré
danslaFig.2(b).L'épaisseurdufilmd'argentestd'environ33µm.
Troisièmement,lesstructuresdeprofilsupérieuretinférieursontalignées
etcoïncident,commeillustrédanslaFig.2(c).Aprèsl'analyse,laprécision
d'alignementestmieuxcontrôléeà0,2mmprèspourgarantirlaqualitéde
l'image.Enfin,ilssontcombinésenunguided'ondescompletcommeillustré
danslaFig.2(d).Laphotographiedumétaguided'ondesfabriquéest
présentéedanslaFig.2(e).Onpeutvoirquelaformegénéraleduguide
d'ondesestaplatie,cequipermetd'aligneretdefairecoïnciderlesprofils
supérieuretinférieur.Lecentreduguided'ondesestcirculaireetcomporteunmétamatériaurecouvertd'argent
Lerésultatdel'imagerieestprésentédanslaFig.4(a),etlesbandes
creusesavecdesintervallesde1,0mmpeuventêtreclairementdistinguées
selonl'image.Parconséquent,celaprouvequelarésolutiondusystème
peutatteindre1mm(1/3delalongueurd'onde).Ensuite,nousimaginons
unelamecachéederrièreunpapieraveclatailleminimaledestrousà
l'intérieurdelalameprochede1mm.LaFigure4(b)présentelerésultatde
l'imageriequidémontrequelestrousdanslalamepeuventégalementêtre
distingués.Enfin,uneétiquetteRFIDestimagée.Ilyadenombreuxfils
métalliquesdansl'étiquetteRFID,maisledétaildesfilsn'estpasvisibleen
raisondel'opacitédutissudel'étiquette.Cependant,enraisondel'opacitédutissudel'étiquette,
structures.
Lafigure3(a)illustreleschémadusystèmed'imagerieTHzbasésurun
métaguided'ondes.Lafigure3(b)montresonschéma3D.LasourceTHz
estconstituéedediodesIMPATT(lafréquenceestde0,1THzetla
puissanceestde80mW).L'ondeTHzentredansleguided'ondes1,
traversel'échantillond'imagerie,puisentredansleguided'ondes2etest
finalementdétectéeparledétecteurpyroélectriqueTHz.Parmieux,leguide
d'ondes1estunmétaguided'ondesutilisépourtransmettreetfocaliser
l'ondeTHz,etleguided'ondes2
Machine Translated by Google

Vol.49,No.5/1ermars2024/OpticsLetters1263
Fig.5.(a)coupetransversalex–zdumodèledemétaguided'ondes;(b)distribution
duchampélectrique2Ddanslemétaguided'ondes;(c)distributionduchamp
électriquedansunguided'ondescylindriquecreux;(d)courbed'intensitéduchamp
électrique1Ddumétaguided'ondeslelongdelalignepointilléerouge;(e)courbe
d'intensitéduchampélectriqueduguided'ondescylindriquecreuxlelongdela
lignepointilléerouge. Fig.6.(a)Modèle3Ddumétaguided'ondes;(b)Distributionduchampélectrique
delasectiontransversaley–zdumétaguided'ondes;(c)Distributionduchamp
électriqueduguided'ondescreux(sansstructure);(d)Distributionduchamp
électriquedelasectiontransversalex–yàlapositionfocale;(e)CourbeS21du
métaguided'ondes.
Lettre
Pourcomprendreleprincipedumétaguided'ondes,nousavonseffectuéun
calculthéoriqueetunesimulation.Ensubstance,lemétaguided'ondespeutêtre
considérécommeunecombinaisond'unguided'ondescylindriqueenmétaletde
structuresenmétamatériaux,etleguided'ondescylindriquenepeuttransmettre
quelesondesTMetTE.Salongueurd'ondedecoupurepeutêtreobtenuepar
l'équationdeBessel.Aprèslecalcul,leslongueursd'ondedecoupuredesondes
TEetTMdansleguided'ondesaveclediamètreintérieurde6mmsont
respectivementde10,23et7,839mm.Parconséquent,l'ondede0,1THzpeutêtre
transmise.
FrançaisPendantcetemps,lesdistributionsduchampélectriquedansleméta
guided'ondesetleguided'ondescylindriquecreuxsurlasectiontransversaley–z
sontégalementsimuléesrespectivement.Lafigure6(a)montrelemodèlede
simulation3Detlafigure6(b)montreladistributionduchampélectriquedansle
métaguided'ondes.Onpeutvoirquesousl'actiondesstructuresenanneau
périodique,l'énergieestfortementcontrainteautourd'elles.Enrevanche,la
contrainteénergétiqueàl'intérieurduguided'ondescreuxestfaible,commele
montrelafigure6(c).Ilestconnuquelesstructuresenmétamatériauxdesbandes
térahertzpeuventgénérerdesplasmonsdesurfacelocalisésparimposture(LSP
parimposture)[21],quipeuventêtreréaliséssurdesstructuresenmétamatériaux
métalliquessurunPEC(conducteurélectriqueparfait).L'améliorationduchamp
électriqueetlacontrainteénergétiquesontlescaractéristiquescommunes.Par
conséquent,ilpourraitêtreconsidéréquelastructuredumétamatériaudansle
métaguided'ondesgénèrelesLSPparodique,cequipermetensuited'améliorer
lechampélectrique,comprimantainsilefaisceauTHzetobtenantunefocalisation
desuperrésolution.
FrançaisEnsuite,lescaractéristiquesdel'ondetérahertzàl'intérieurduméta
guided'ondesetàproximitédesonportsontétudiées.Lemodèledumétaguide
d'ondesestconstruitetladistributionduchampélectriqueestsimuléepour
analyserl'influencedumétaguided'ondessurlatransmissionetlafocalisationdes
ondestérahertzparlelogicieldesimulationélectromagnétiqueCSTStudioSuite
2016.LemodeTE11estlemodeprincipalduguided'ondescirculairecreuxet
joueunrôleprépondérantdansl'imagerie.Parconséquent,nousanalysons
principalementlatransmissionetlafocalisationdesondestérahertzdansleguide
d'ondesenmodeTE11.Lafigure5(a)montrelasectiontransversalex–zdu
modèledemétaguided'ondes.Lesfigures5(b)et5(c)montrentrespectivement
lesdistributionsd'intensitéduchampélectriquebidimensionnel(2D)surlaparoi
internedumétaguided'ondesetlaparoiinterneduguided'ondescylindrique
creux.Lesfigures5(d)et5(e)représententrespectivementlescourbesd'intensité
duchampélectrique1Ddesdeuxguidesd'ondeslelongdeslignespointillées
rouges.Onpeutvoirqu'iln'yapasdefortedistributiondechampélectrique2Dsur
laparoiinterneduguided'ondescreux,etlacourbed'intensitéduchampélectrique
1Destapproximativementunelignedroite.Cependant,ilexisteuneamélioration
significativeduchampélectriquelocalauniveaudel'anneaumétalliquesurla
paroiinternedumétaguided'ondes.Encomparantlescourbesd'intensitédu
champélectrique1D,onpeutconclurequel'intensitéduchampélectriquea
augmentéd'unmaximumd'environtroisfois.
grâceàlabonnepénétrationduTHz,laformeetlarépartitiondesfilsàl'intérieur
dutissupeuventêtreclairementvues,commelemontrelaFig.4(c).
Àtitredecomparaison,ladistributionduchampélectriquedansleguided'ondes
circulairecreuxenmétalà0,1THzestégalementsimulée,commelemontrela
figure6(c).Sondiamètreintérieuretsalongueursontlesmêmesqueceuxduméta
guided'ondes,àl'exceptiondel'absencedestructuresmétamatérielles.Bienqu'il
yaitunpointfocaldevantlasortieduguided'ondescreuxenmétal,l'absencede
structuresmétamatériellessetraduitparunetaillefocaleplusgrandeetune
énergieplusfaible.
Lafigure6(d)illustreladistributionduchampélectriquedelasectionx–yàla
positionfocale.Lediamètredelaplusforte
Ensuite,lacaractéristiquedefocalisationdumétaguided'ondesestsimuléeet
analysée.Lafigure6(b)montreladistributionduchampélectriqueauniveaudu
portduguided'ondes.Onpeutvoirquel'ondeTHzformeunpointfocalàenviron
3mmduportdesortie.LalongueurdeRayleighdupointfocalpeutêtreobtenue
par:Z=πω2/λ.Ici,ZreprésentelalongueurdeRayleigh,ωestlerayondupoint.
Ainsi,lalongueurdeRayleighZ=0,26mm(ω=0,5mm),cequiestbienpluspetit
queladistancefocale.
Machine Translated by Google

)/l.Ici,S21estlecoefficientdetransmission,
Pourmieuxcomprendrelerôledesstructuresmétamatérielles,nousavons
menédesexpériencessurunsystèmed'imageriebasésurunguided'ondes
creux(sansstructuresannulairesmétalliques),enciblantunecartede
résolutionetencomparantleseffetsd'imageriededeuxtypesdeguides
d'ondes.Lesfigures7(a)et7(b)sontlesschémasdefocalisationduméta
guided'ondesetduguided'ondescreux,respectivement.Lesfigures7(c)et
(d)montrentlesrésultatsd'imagerie.L'expérienceaprouvéquelarésolution
dusystèmed'imagerieutilisantunguided'ondescreuxesteneffetinférieure
àcelleutilisantunmétaguided'ondesetnepeutpasatteindreunerésolution
d'imageriede1,0mm.Ilconvientdenoterqu'ilexistecertainesdistorsions
danslafigure7(d).Laraisonestlemauvaisalignementdesdonnéespendant
lanumérisationàgrandevitesse,quipeutêtreéliminéenréduisantlavitesse
etenaméliorantlesystèmedecontrôleélectronique.
Françaislarégionducentredeconvergenceestpluspetite(≤1/3λ)quele
diamètreintérieurduguided'ondes,cequiindiquequelesondesTHzsont
bienfocalisées.Deplus,nousavonsanalysélapertedetransmissiondu
métaguided'ondesvialasimulationdesparamètresS(S11etS21).Parmi
eux,S21représentelecoefficientdetransmissiondumétaguided'ondes,
etlafigure6(e)montrelacourbeducoefficientdetransmissionobtenuepar
simulation.Elleindiquequeleguided'ondesaunebonnecapacitéde
transmissionà0,1THz,etsoncoefficientdetransmissionpeutatteindre
0,947.Ensuite,lapertedetransmissiondumétaguided'ondespeutêtre
expriméecomme:perte=−10×lg(|S21|etlestlalongueurduguide
d'ondes.Selonlecalcul,
lapertedetransmissionthéoriqueduguided'ondespeutêtrecalculéeà
11,43dB/m.
Unedistanced'objetpluslonguepouruneimagerieàsuperrésolution,
permettantl'imageried'objetsplusépais.Enmêmetemps,lorsquelasurface
del'objetestrugueuseetirrégulière,l'imageriepeutégalementêtreréalisée
sansentrerencollisionaveclasurfacedel'objetpendantlebalayage.De
plus,lesmétamatériauxplacéssurlaparoiinterned'unguided'ondesfermé
peuventobteniruneaméliorationduchamplocal,cequipeutaméliorer
efficacementlasensibilitédansdesapplicationsdedétectionspécifiques.
Celafournitunenouvelleidée,quipermetdeconstruireunsystèmed'imagerie
THzsimpleàfaibleperteethauterésolution.Nouspensonsqueleméta
guided'ondesetsaméthoded'imageriepourraientservirdeplateforme
prometteuseetpratiquepouruneimagerieTHzhauteperformanceavancée
pourunelargegammed'applications.
Enrésumé,unmétaguided'ondesTHzetsonsystèmed'imageriesont
présentés.LesimagesTHzdehautequalitésontacquisesetlarésolution
atteint1/3delalongueurd'ondeà0,1THz.Cesystèmed'imagerieestsans
lentilleetpermettradetirerpleinementpartidesguidesd'ondesetdes
métamatériaux,telsquelaminiaturisation,l'intégrationetlacontrôlabilité.
Bienquelarésolutiondelatechnologieprésentéenesoitqued'untiersdela
longueurd'onde,ellenepeutpasatteindreleniveaudelatechnologiede
superrésolutionenchampprochetérahertz.Cependant,parrapportàla
plupartdesimagesenchampproche,elleatteint
Fig.7.(a)Schémadusystèmed'imagerieutilisantunmétaguide
d'ondes;(b)schémadusystèmed'imagerieutilisantunguided'ondes
cylindriquecreux;(c)résultatdusystèmed'imageriebasésurunméta
guided'ondes;(d)résultatdusystèmed'imageriebasésurunguide
d'ondescreux.
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Divulgations.Lesauteursnedéclarentaucunconflitd'intérêt.
Remerciements.Lesauteurstiennentàexprimerleursincèregratitudeauxévaluateursrespectifs
pourleuraideetleursoutien.
Disponibilitédesdonnées.Lesdonnéessousjacentesauxrésultatsprésentésdanscetarticlene
sontpasaccessiblesaupublicàl'heureactuelle,maispeuventêtreobtenuesauprèsdesauteurs
surdemanderaisonnable.
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