太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率为0.1-10 THz的电磁辐射(对应波长为3 mm-30μm)。它处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置而具有透视性、安全性、光谱分辨等特性。太赫兹成像因其特性而广泛用于安防检测、工业检查和生物医疗等领域。在传统的太赫兹成像系统中,通过对样品逐点扫描进行成像,导致成像时间长,系统不稳定等问题。目前,尽管太赫兹面阵探测器已经有了很大的进步,但商用的太赫兹相机对于大多数研究者来说仍然较为昂贵。因此,探索先进的太赫兹成像技术是科研工作者的研究重点。近年来,单像素计算成像发展迅速,已成为光学领域重要的研究热点之一。单像素计算成像是通过单点探测器采集空间编码目标图像的强度,并结合已知的编码图案反算出图像信息。单像素计算成像的关键部件是空间光调制器和重建算法。遗憾的是,商用的空间光调制器均工作于可见光和红外波段,并不能直接应用于太赫兹波段。虽然光控半导体技术能通过改变载流子的空间分布实现对太赫兹波的调制,但是基于传统本征半导体的太赫兹光控调制效率普遍不高,直接影响了成像质量,研究高效太赫兹光控调制器是提高单像素太赫兹成像质量的重要环节。在太赫兹单像素计算成像中,压缩传感算法以其可靠性被广泛使用。虽然该算法只需部分采集编码强度就能够重建图像信号,但是图像质量随着采样率降低而变差,因此,研究高采样比下高质量图像重建算法至关重要。此外,太赫兹成像由于受到长波衍射的影响导致图像质量较差,虽然太赫兹单像素计算超分辨成像很好地解决了分辨率差问题,但是为了兼顾调制效率往往使用高能激光照明。本文围绕太赫兹成像质量与时间问题,提出一种兼顾成本和性能的新型成像方法。首先研制了高效的太赫兹光控调制器以增强调制效率降低系统复杂度,并且搭建了太赫兹单像素计算成像系统。其次,研究了高效的基扫描成像算法以降低时间成本,最后结合高效调制器和成像算法实现了太赫兹单像素近场成像。论文主要内容与创新点如下:(1)高效光控太赫兹调制器的制备与表征。太赫兹的调制效率与载流子浓度直接相关,光致半导体自由载流子会因为复合而消失,为了获得高效太赫兹调制,本研究提出了两种提高本征半导体载流子浓度的方法:异质结和物理钝化。方法一:利用石墨烯和硅的势垒差,将光致自由载流子的电子和空穴分开,减小复合机率,从而增加载流子浓度。实验结果表明,在相同光照下,硅基石墨烯的太赫兹调制因子是传统高阻硅调制因子的3倍。方法二:通过高温热氧化工艺制备二氧化硅钝化层,减少表面复合中心,同时研究了不同厚度二氧化硅层对光控太赫兹调制的效率。实验结果表明,在808 nm连续激光器以25~°入射时,二氧化硅厚度在148 nm,太赫兹调制出现最大值,相比传统高阻硅片,其调制因子增加约2倍,且性能稳定。(2)太赫兹单像素计算成像系统的搭建。传统太赫兹成像由于使用二维光栅扫描方式,其成像速度严重受到图像尺寸限制。利用压缩感知成像算法,结合太赫兹时域光谱系统实现了空间欠采样太赫兹光谱成像。将压缩感知算法与扫描电机结合,设计的采集策略能有效减少采样的数量,实现图像的光谱重建。实验结果表明,当采样率为50%时可以重建太赫兹图像,这节省了一半的采样时间和存储空间。此外,结合太赫兹时域光谱系统和光控调制器,比较了优化后的硅片与传统硅片对太赫兹成像的影响。实验结果表明,无论是硅基石墨烯还是钝化硅片,在连续激光照射下,都能重建清晰的太赫兹图像,而高阻硅作为调制器重建的图像却模糊不清。结合压缩感知成像算法和高效太赫兹调制器的成像系统能节省75%的采样时间。(3)高效的单像素成像算法的研究。利用光控调制器的太赫兹单像素成像系统,研究了高效的单像素成像算法:傅里叶单像素成像和哈达玛单像素成像。通过投影正交掩膜得到图像在变换域的系数,并利用逆变换得到图像重建。不同于压缩感知的随机采样,由于自然图像在变换域是稀疏的,而且能量集中在低频区域,通过采集低频条纹的调制信号,可以实现高质量图像重建效果。实验结果表明,只需最初约10%的采样时间,就能够重建高质量图像。(4)太赫兹单像素近场成像的实现。太赫兹成像受到长波衍射的影响,其图像分辨率很难满足实际需求。通过制作微米级厚度光控调制器,将成像目标放置调制器背面以达到近场成像条件,并且结合傅里叶单像素成像算法,实现了快速高质量图像重建。实验结果表明,使用约10%的采样时间可以重建分辨率为λ/5的太赫兹图像。