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太赫茲近場(chǎng)探測簡(jiǎn)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(wú)損探測方面有著(zhù)廣泛應用. 更為值得提出的是太赫茲成像, 特別是在生物醫學(xué)方面的成像, 引起了人們的廣泛關(guān)注。在可見(jiàn)光不能穿透或X射線(xiàn)對比度無(wú)法達到要求的情況下, 太赫茲成像則成為最佳選擇. 但是傳統遠場(chǎng)太赫茲成像系統受衍射極限的限制, 最小只能分辨λ/2的尺度, 即對應于1 THz的最小分辨率為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)的應用, 因此, 發(fā)展近場(chǎng)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)現了一種太赫茲近場(chǎng)成像系統, 將太赫茲逐點(diǎn)成像的分辨率提高到了亞波長(cháng)量級. 該工作將太赫茲近場(chǎng)成像技術(shù)的性能提高到了一個(gè)新層次, 為太赫茲成像的研究開(kāi)辟了新的途徑.

太赫茲近場(chǎng)系統原理

太赫茲近場(chǎng)掃描成像系統主要可以分為兩部分 ：

1，太赫茲時(shí)域光譜儀

      太赫茲近場(chǎng)探測系統建立在太赫茲時(shí)域光譜系統上，原理如下圖所示,從飛秒激光器出來(lái)的光經(jīng)過(guò)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(guò)機械延遲線(xiàn)和斬波器后，照射在 無(wú)偏壓光導發(fā)射天線(xiàn)，產(chǎn)生太赫茲輻射。系統中使用的太赫茲源是一塊大激發(fā)面積、無(wú)偏壓太赫茲光電導天線(xiàn)，這種無(wú)偏壓天線(xiàn)用于近場(chǎng)系統最大的特點(diǎn)是沒(méi)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(guò)一系列反射鏡組后，聚焦照射在太赫茲近場(chǎng)探針尖端， 探測光用來(lái)驅動(dòng)太赫茲探測器 ，即近場(chǎng)光導天線(xiàn)探針。太赫茲近場(chǎng)探針使用低溫生長(cháng)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(xiàn)沉積在上面, 完成制作。通過(guò)調整金屬結的方向, 可設計出對水平和垂直電場(chǎng)分量敏感的兩種探針, 分別用于測量橫向和縱向電場(chǎng)。探測光路上加有一塊分束鏡，可以將探針探測過(guò)程成像于CCD相機中，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測。

太赫茲近場(chǎng)探測系統原理

2， 太赫茲近場(chǎng)系統控制系統

      近場(chǎng)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制頻率。隨延時(shí)線(xiàn)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(chǎng)的振幅和相位信息。樣品臺上放固定有一個(gè)高精度的光學(xué)距離傳感器，可實(shí)時(shí)感應探針與樣品的間距，以避免探針觸碰到樣品而損壞。系統軟件則通過(guò)控制單元反饋的樣品-探針橫向縱向位置而實(shí)時(shí)控制XYZ-三維平臺移動(dòng)，同時(shí)控制步進(jìn)電機協(xié)同工作，逐點(diǎn)掃描太赫茲時(shí)域譜。太赫茲近場(chǎng)系統軟件包也可以實(shí)時(shí)分析近場(chǎng)成像的三維數據。

      整個(gè)探測端安裝在三維平移臺上, 探針可實(shí)現三維逐點(diǎn)掃描, 進(jìn)而能探測全局空間場(chǎng)分布和局部目標位置的場(chǎng)信息。系統使用太赫茲光導天線(xiàn)探針不僅可以測量近場(chǎng)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(chǎng)信號。基于傳統的光導天線(xiàn)TDS系統搭建的近場(chǎng)掃描成像系統, 其太赫茲的激發(fā)及探測原理與傳統的TDS系統一樣, 不同之處在于近場(chǎng)掃描系統中采用無(wú)偏壓天線(xiàn)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，能夠實(shí)現探測部分的三維掃描; 并且通過(guò)探針針尖與近場(chǎng)的耦合作用, 探針可以直接靠近樣品表面, 能直接在近場(chǎng)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。

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