太赫兹近场探测简介

      太赫兹波由于光子能量很低、 具有非破坏性和非等离特性, 使得太赫兹在材料检测和无损探测方面有着广泛应用. 更为值得提出的是太赫兹成像, 特别是在生物医学方面的成像, 引起了人们的广泛关注。在可见光不能穿透或X射线对比度无法达到要求的情况下, 太赫兹成像则成为最佳选择. 但是传统远场太赫兹成像系统受衍射极限的限制, 最小只能分辨λ/2的尺度, 即对应于1 THz的最小分辨率为0.15 mm. 其毫米量级的成像分辨率在一定程度上制约了太赫兹成像技术的应用, 因此, 发展近场探测和显微技术对于获得更高的分辨率显得尤为重要. 为了打破衍射极限, 提高空间分辨率, Hunsche等实现了一种太赫兹近场成像系统, 将太赫兹逐点成像的分辨率提高到了亚波长量级. 该工作将太赫兹近场成像技术的性能提高到了一个新层次, 为太赫兹成像的研究开辟了新的途径.

太赫兹近场系统原理

太赫兹近场扫描成像系统主要可以分为两部分 ：

1，太赫兹时域光谱仪

      太赫兹近场探测系统建立在太赫兹时域光谱系统上，原理如下图所示,从飞秒激光器出来的光经过分束器BS被分成两路相干光: 泵浦光和探测光。 泵浦光经过机械延迟线和斩波器后，照射在 无偏压光导发射天线，产生太赫兹辐射。系统中使用的太赫兹源是一块大激发面积、无偏压太赫兹光电导天线，这种无偏压天线用于近场系统最大的特点是没有偏压，消除了暗电流等噪声对探测效果的影响。 探测光经过一系列反射镜组后，聚焦照射在太赫兹近场探针尖端， 探测光用来驱动太赫兹探测器 ，即近场光导天线探针。太赫兹近场探针使用低温生长的超薄GaAs作基底, 基底厚度为1.3 µm, 将其设计成三角锥形, 并将锥形走向的金属线沉积在上面, 完成制作。通过调整金属结的方向, 可设计出对水平和垂直电场分量敏感的两种探针, 分别用于测量横向和纵向电场。探测光路上加有一块分束镜，可以将探针探测过程成像于CCD相机中，进行实时观测。

太赫兹近场探测系统原理

2， 太赫兹近场系统控制系统

      近场探针信号进入电流放大器后连接锁相放大器对信号进行锁相放大，参考信号输入为加在产生光路上的斩波器的调制频率。随延时线变化得到完整的太赫兹脉冲波形, 对脉冲信号进行傅里叶变换即可得到场的振幅和相位信息。样品台上放固定有一个高精度的光学距离传感器，可实时感应探针与样品的间距，以避免探针触碰到样品而损坏。系统软件则通过控制单元反馈的样品-探针横向纵向位置而实时控制XYZ-三维平台移动，同时控制步进电机协同工作，逐点扫描太赫兹时域谱。太赫兹近场系统软件包也可以实时分析近场成像的三维数据。

      整个探测端安装在三维平移台上, 探针可实现三维逐点扫描, 进而能探测全局空间场分布和局部目标位置的场信息。系统使用太赫兹光导天线探针不仅可以测量近场信号, 它还可以直接放置在距离样品一定距离的位置, 从而测量透射的太赫兹远场信号。基于传统的光导天线TDS系统搭建的近场扫描成像系统, 其太赫兹的激发及探测原理与传统的TDS系统一样, 不同之处在于近场扫描系统中采用无偏压天线作为太赫兹发射器，微探针作为探测器, 联合三维样品台，能够实现探测部分的三维扫描; 并且通过探针针尖与近场的耦合作用, 探针可以直接靠近样品表面, 能直接在近场探测到太赫兹的水平分量及垂直分量(如表面波), 具有测量倏逝波的能力。

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