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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用. 更為值得提出的是太赫茲成像, 特別是在生物醫(yī)學方面的成像, 引起了人們的廣泛關注。在可見光不能穿透或X射線對比度無法達到要求的情況下, 太赫茲成像則成為選擇. 但是傳統(tǒng)遠場太赫茲成像系統(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的應用, 因此, 發(fā)展近場探測和顯微技術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等實現(xiàn)了一種太赫茲近場成像系統(tǒng), 將太赫茲逐點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)過機械延遲線和斬波器后，照射在 無偏壓光導發(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天線，這種無偏壓天線用于近場系統(tǒng)大的特點是沒有偏壓，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, 將其設計成三角錐形, 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, 可設計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相機中，進行實時觀測。

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)

近場探針信號進入電流放大器后連接鎖相放大器對信號進行鎖相放大，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距離傳感器，可實時感應探針與樣品的間距，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時控制XYZ-三維平臺移動，同時控制步進電機協(xié)同工作，逐點掃描太赫茲時域譜。太赫茲近場系統(tǒng)軟件包也可以實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, 探針可實現(xiàn)三維逐點掃描, 進而能探測全局空間場分布和局部目標位置的場信息。系統(tǒng)使用太赫茲光導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場信號。基于傳統(tǒng)的光導天線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。