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太赫茲近場探測簡介

太赫茲波由于光子能量很低、 具有非破壞性和非等離特性, 使得太赫茲在材料檢測和無損探測方面有著廣泛應(yīng)用. 更為值得提出的是太赫茲成像, 特別是在生物醫(yī)學(xué)方面的成像, 引起了人們的廣泛關(guān)注。在可見光不能穿透或X射線對比度無法達(dá)到要求的情況下, 太赫茲成像則成為選擇. 但是傳統(tǒng)遠(yuǎn)場太赫茲成像系統(tǒng)受衍射極限的限制, 小只能分辨λ/2的尺度, 即對應(yīng)于1 THz的小分辨率為0.15 mm. 其毫米量級的成像分辨率在一定程度上制約了太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用, 因此, 發(fā)展近場探測和顯微技術(shù)對于獲得更高的分辨率顯得尤為重要. 為了打破衍射極限, 提高空間分辨率, Hunsche等實(shí)現(xiàn)了一種太赫茲近場成像系統(tǒng), 將太赫茲逐點(diǎn)成像的分辨率提高到了亞波長量級. 該工作將太赫茲近場成像技術(shù)的性能提高到了一個新層次, 為太赫茲成像的研究開辟了新的途徑.

太赫茲近場系統(tǒng)原理

太赫茲近場掃描成像系統(tǒng)主要可以分為兩部分 ：

1，太赫茲時域光譜儀

太赫茲近場探測系統(tǒng)建立在太赫茲時域光譜系統(tǒng)上，原理如下圖所示,從飛秒激光器出來的光經(jīng)過分束器BS被分成兩路相干光: 泵浦光和探測光。 泵浦光經(jīng)過機(jī)械延遲線和斬波器后，照射在 無偏壓光導(dǎo)發(fā)射天線，產(chǎn)生太赫茲輻射。系統(tǒng)中使用的太赫茲源是一塊大激發(fā)面積、無偏壓太赫茲光電導(dǎo)天線，這種無偏壓天線用于近場系統(tǒng)大的特點(diǎn)是沒有偏壓，消除了暗電流等噪聲對探測效果的影響。 探測光經(jīng)過一系列反射鏡組后，聚焦照射在太赫茲近場探針， 探測光用來驅(qū)動太赫茲探測器 ，即近場光導(dǎo)天線探針。太赫茲近場探針使用低溫生長的超薄GaAs作基底, 基底厚度為1.3 μm, 將其設(shè)計(jì)成三角錐形, 并將錐形走向的金屬線沉積在上面, 完成制作。通過調(diào)整金屬結(jié)的方向, 可設(shè)計(jì)出對水平和垂直電場分量敏感的兩種探針, 分別用于測量橫向和縱向電場。探測光路上加有一塊分束鏡，可以將探針探測過程成像于CCD相機(jī)中，進(jìn)行實(shí)時觀測。

太赫茲近場探測系統(tǒng)原理

2， 太赫茲近場系統(tǒng)控制系統(tǒng)

近場探針信號進(jìn)入電流放大器后連接鎖相放大器對信號進(jìn)行鎖相放大，參考信號輸入為加在產(chǎn)生光路上的斬波器的調(diào)制頻率。隨延時線變化得到完整的太赫茲脈沖波形, 對脈沖信號進(jìn)行傅里葉變換即可得到場的振幅和相位信息。樣品臺上放固定有一個高精度的光學(xué)距離傳感器，可實(shí)時感應(yīng)探針與樣品的間距，以避免探針觸碰到樣品而損壞。系統(tǒng)軟件則通過控制單元反饋的樣品-探針橫向縱向位置而實(shí)時控制XYZ-三維平臺移動，同時控制步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作，逐點(diǎn)掃描太赫茲時域譜。太赫茲近場系統(tǒng)軟件包也可以實(shí)時分析近場成像的三維數(shù)據(jù)。

整個探測端安裝在三維平移臺上, 探針可實(shí)現(xiàn)三維逐點(diǎn)掃描, 進(jìn)而能探測全局空間場分布和局部目標(biāo)位置的場信息。系統(tǒng)使用太赫茲光導(dǎo)天線探針不僅可以測量近場信號, 它還可以直接放置在距離樣品一定距離的位置, 從而測量透射的太赫茲遠(yuǎn)場信號。基于傳統(tǒng)的光導(dǎo)天線TDS系統(tǒng)搭建的近場掃描成像系統(tǒng), 其太赫茲的激發(fā)及探測原理與傳統(tǒng)的TDS系統(tǒng)一樣, 不同之處在于近場掃描系統(tǒng)中采用無偏壓天線作為太赫茲發(fā)射器，微探針作為探測器, 聯(lián)合三維樣品臺，能夠?qū)崿F(xiàn)探測部分的三維掃描; 并且通過探針針尖與近場的耦合作用, 探針可以直接靠近樣品表面, 能直接在近場探測到太赫茲的水平分量及垂直分量(如表面波), 具有測量倏逝波的能力。