据中国光电期刊网，于2023年10月19日报道，非侵入式检测层状结构对于时间分辨成像方法而言具有一定的挑战性，其中分辨率和对比度可能会受到层间反射和色散引起的信号衰减的影响。在最新的一项研究中，Yuqing Cui和中国、英国和美国的制造系统工程、电气和计算机工程以及化学领域的科学家团队提出了一种基于太赫兹时域光谱的方法，通过精细的分辨率和宽带光谱来减弱这些限制，以从层状结构中提取隐藏的结构和内容信息，该研究成果已经发表在《Science Advances》期刊上。

        为了实现这一目标，他们研究了反射太赫兹脉冲的局部对称特性，以确定每一层的位置，并增强图像对比度以证明其优越的性能。科学家们指出在 26 层亚波长中提取了字母字符。这项工作使Cui和同事能够在超低信噪比下准确地重建结构和高对比度成像，以检查文物、涂层和复合材料的内部结构。

        太赫兹时域光谱（THz-TDS）

        由于太赫兹波段的非电离性质以及非极性电介质的高度透明度，科学家通常在太赫兹波段进行成像。太赫兹时域光谱是一种具有3D成像的无损光谱测试方法，利用太赫兹电磁辐射的短脉冲来检查样品的特性。与适合检查文物、药品和复合结构等层状结构的 X 射线断层扫描和超声波技术相比，该方法提供了精细的分辨率和宽带光谱特征。

        然而，由于其亚毫瓦功率过于微弱，无法深入穿透层层叠叠的材料进行信息提取，使得该方法对于广泛的实际应用来说可能具有一定的挑战性。此外，随着大量小脉冲的出现，信噪比下降，使得成像难以检测太赫兹脉冲的位置和幅度。在这项工作中，Cui 和同事提出了一种基于超低信噪比的层状结构隐藏信息提取的新方法。该方法提供了一种具有高图像对比度和深穿透深度的创新检查方法来检测层状结构。

        测量装置和处理框架

        研究团队采用反射几何学中的一对光导天线进行实验，以测量由字母组成的30层叠纸堆。利用透镜将发射的太赫兹脉冲聚焦在样品中，而反射的太赫兹信号由在各种界面产生的脉冲序列组成，用于捕获和反射太赫兹信号，并提供飞行时间和反射率信息。科学家们进行了信号分析和物理解释，以记录由于仪器共焦设置、水蒸气吸收和纸叠中的透射吸收而导致的信号衰减，Cui 及其团队探讨了信号分析和反射模型。

        层状结构重构

        为了使用 THZ-TDS 技术检测层状样品，该团队利用脉冲位置来重建层状结构并了解进行横向成像的适当时间范围。尽管脉冲位置的适当提取在一定程度上决定了图像质量，但复杂的太赫兹信号经历了从具有数十层结构的材料的反射。Cui 等人还开发了一种称为局部对称峰值查找的脉冲提取算法。科学家们比较了不同脉冲提取技术的结果。在脉冲序列的峰值查找之后，他们成功地从点云中提取层界面以重建层状样本的结构。

        随后，他们通过从相应脉冲中提取幅度信息，获得了各个层内的横向太赫兹图像。该团队采用脉冲邻域平均成像法进行平均幅度太赫兹成像，从数十层结构中获得了高对比度的太赫兹图像，具有出色的一致性和成像质量。该团队通过在22层纸堆的第三至十九层写下九个单词，并进行太赫兹成像，以清晰识别所有单词，探索了该方法的能力。

        应用于破译文化遗产

        接下来，Cui 和同事检测了具有层状结构的壁画或油画等文化艺术品，以检测艺术品的内部缺陷和隐藏的油漆层，以收集结构的隐藏信息。该团队完成了这一任务，并检验了研究西安秦始皇陵8000 个兵马俑的结构和老化状况以保护和修复兵马俑的潜力。该方法成功地检查了结构、其内部缺陷和隐藏内容，以获取具有丰富文化遗产价值的隐藏信息。

        通过这种方式，Yuqing Cui及其同事利用太赫兹脉冲和脉冲邻域平均成像来获得高对比度、消除噪声的太赫兹图像。所提出的框架可以以高分辨率和对比度提取从亚波长分层纸张到古代文献中隐藏的结构和内容信息，而不会造成损坏。因此，该方法为实际的应用提供了出色的成像质量。