CN105606534B - 太赫兹近场信号转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太赫兹近场信号转换器，所述太赫兹近场信号转换器包括：近场耦合放大模块，适于将被测样品的太赫兹近场信号放大并转换为传输波；远场传输模块，适于将传输波收集并汇集至太赫兹探测器敏感元上进行探测。本发明太赫兹近场信号转换器具备将太赫兹近场信号转换为远场信号的功能，使太赫兹近场信号可以被普通远场探测器所探测，确保了近场信息不丢失，从而使测量结果精度和准确性得到改善；太赫兹近场信号转换器的使用无需采用相干探测技术，降低了测试***复杂程度，提高了近场技术的可操作性。

Description

太赫兹近场信号转换器
技术领域
本发明属于光学应用技术领域，特别是涉及一种太赫兹近场信号转换器。
背景技术
近年来，随着THz(Terahertz，太赫兹)源与探测器的不断发展，THz探测技术也向着更快，更准，更实用的目标迈进。THz频段覆盖的频率范围为100GHz(0.1THz)～10THz，对应波长范围为3mm～30um，光子能量范围为0.4meV～40meV，因此，THz波不会对生物组织或细胞造成辐射伤害，相较于高能量的X射线，THz波更加安全；与毫米波微波比较而言，由于THz波波长更短，使其在众多的THz感测研究和应用中可获得更高的精准度，所以THz波被广泛用于生物医学成像，材料特性表征和产品质量监控等领域。
目前THz频段的探测器主要沿用中红外探测器，而此类探测器应用范围基本为远场探测，根据瑞利判据可知，远场成像***均受到光学衍射效应的影响，存在一个极限分辨距离d:
d＝1.22×λf/D
(1)
其中λ为波长，f为等效透镜焦距，D为等效透镜直径，由公式1可知，对于普通远场测试***而言，极限分辨距离在1个波长量级，以3THz为例，并假设f/D＝1，则极限分辨距离(d)约为1mm，能够满足一般探测及成像要求，但对于更加精细的观测而言，远场探测则无法满足。近场探测技术应运而生，近场探测最主要的特点即是可以获取更高的精度和分辨率。因为从物体上辐射出(主动或被动)的电磁波信号均包含衰逝波(即近场信号)和传输波(即远场信号)两部分，衰逝波包含了被测目标的高频和亚波长信息，但衰逝波幅度在波矢方向上呈指数衰减规律，所以通常在一个或几个波长范围以外的位置无法探测到衰逝波信号，而只能检测到传输波信号，所以探测精度和分辨率无法突破衍射极限限制。
常见的近场探测即指探测对象与探测器(或探针)距离在波长范围以内，从而可以对衰逝波(近场信号)和传输波同时进行提取，实现被测目标信息的‘完整’还原，从而使探测精度突破衍射极限限制，达到亚波长量级甚至更高。近场探测技术自身特点决定了探测***及方法比常见的远场探测更加精细与复杂，对THz频段而言，目前广泛使用的近场探测技术是由探针调制结合相干探测技术实现的，***复杂且对被测物体表面形状平整度有较高要求，实用性不广，这在一定程度上限制了该技术的实际应用。
本发明提出了一种新型的THz近场信号转换器，具备将被测物体近场信息(衰逝波)转换为远场信息(传输波)进行探测的功能。在保留原有测试精度的情况下，显著降低测试***的复杂程度，同时降低了对被测目标几何外形的要求，拓展了测试对象范围，有利于太赫兹探测技术及其光学***的应用与发展。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹近场信号转换器，用于解决现有技术中的近场探测技术存在的***复杂且对被测物体表面形状平整度有较高要求，实用性不广的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹近场信号转换器，所述太赫兹近场信号转换器包括：
近场耦合放大模块，适于将被测样品的太赫兹近场信号放大并转换为传输波；
远场传输模块，适于将所述传输波收集并汇集至太赫兹探测器敏感元上进行探测。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述近场耦合放大模块包括：近场信号放大介质层、信号耦合层及太赫兹棱镜；
所述太赫兹棱镜的一面为平面，另一面为凸面；所述近场信号放大介质层贴置于所述太赫兹棱镜的平面，所述信号耦合层贴置于所述近场信号放大介质层远离所述太赫兹棱镜的表面。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述近场信号放大介质层的厚度为λ/12～λ/8，所述信号耦合层的厚度为λ/12～λ/8，其中，λ为太赫兹光的波长。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述近场信号放大介质层的端面及所述信号耦合层的端面的形状均为圆形，且所述近场信号放大介质层的端面及所述信号耦合层的端面的直径相同，均大于或等于10×λ，其中，λ为太赫兹光的波长。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述太赫兹棱镜的平面的形状为圆形，且所述近场信号放大介质层的端面及所述信号耦合层的端面的直径为所述太赫兹棱镜的平面的直径的一半。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述太赫兹棱镜的材料的衰减系数小于或等于0.05mm-1，且所述太赫兹棱镜的材料的折射率与所述太赫兹近场信号及传输波相匹配。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述远场传输模块包括第一平凸透镜及第二平凸透镜，所述第一平凸透镜及所述第二平凸透镜均一面为平面，另一面为凸面；
所述第一平凸透镜与所述第二平凸透镜平行排布，所述第一平凸透镜的平面与所述第二平凸透镜的平面相对设置，且所述第一平凸透镜的平面及所述第二平凸透镜的平面均与所述太赫兹棱镜的平面相平行，所述第一平凸透镜的轴向中心线与所述第二平凸透镜的轴向中心线均与所述太赫兹棱镜的轴向中心线相重合。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述第一平凸透镜的平面的直径及所述第二平凸透镜的平面的直径与所述太赫兹棱镜的平面的直径相同。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述太赫兹近场信号转换器还包括距离调节装置，所述距离调节装置位于所述近场耦合放大模块与所述远场传输模块之间，适于调节所述近场耦合放大模块与所述远场传输模块的距离。
作为本发明的太赫兹近场信号转换器的一种优选方案，所述距离调节装置包括：第一圆筒装置及第二圆筒装置；
所述第一圆筒装置的外侧设有外螺纹，所述第二圆筒装置内侧设有与所述外螺纹相吻合的内螺纹，所述第二圆筒装置通过所述内螺纹及所述外螺纹旋至于所述第一圆筒装置的***；
所述近场耦合放大模块位于所述第一圆筒装置远离所述第二圆筒装置的一端，所述远场传输模块位于所述第二圆筒装置远离所述第一圆筒装置的一端。
如上所述，本发明的太赫兹近场信号转换器，具有以下有益效果：本发明太赫兹近场信号转换器具备将太赫兹近场信号(即衰逝波)转换为远场信号(即传输波)的功能，使太赫兹近场信号可以被普通远场探测器所探测，确保了近场信息不丢失，从而使测量结果精度和准确性得到改善；太赫兹近场信号转换器的使用无需采用相干探测技术，降低了测试***复杂程度，提高了近场技术的可操作性；信号耦合层的使用不仅保护了转换器同时也提高了对被测样品表面的适应性；相比于传统的近场相干探测方法，本发明有效的降低了测试***的复杂度，显著的提高了太赫兹近场信号探测的效率，对太赫兹光学测量技术的发展具有积极的推动作用。
附图说明
图1显示为本发明的太赫兹近场信号转换器的结构示意图。
图2显示为本发明的太赫兹近场信号转换器的工作原理示意图。
元件标号说明
1 近场耦合放大模块
11 近场信号放大介质层
12 信号耦合层
13 太赫兹棱镜
2 远场传输模块
21 第一平凸透镜
22 第二平凸透镜
3 距离调节装置
31 第一圆筒装置
32 第二圆筒装置
33 外螺纹
34 内螺纹
4 太赫兹光源
5 被测样品
6 太赫兹探测器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图2需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种太赫兹近场信号转换器，所述太赫兹近场信号转换器包括：近场耦合放大模块1及远场传输模块2，近场耦合放大模块1适于将被测样品的太赫兹近场信号放大并转换为传输波(即远场信号)；所述远场传输模块2适于将所述传输波收集并汇集至太赫兹探测器敏感元上进行探测。
作为示例，所述近场耦合放大模块1包括：近场信号放大介质层11、信号耦合层12及太赫兹棱镜13；其中，所述太赫兹棱镜13的一面为平面，另一面为凸面；所述近场信号放大介质层11贴置于所述太赫兹棱镜13的平面，所述信号耦合层12贴置于所述近场信号放大介质层11远离所述太赫兹棱镜13的表面。
作为示例，所述近场信号放大介质层11的材料可以为但不仅限于Ag(银)；所述信号耦合层12的材料可以为但不仅限于甲基丙烯酸甲酯。
作为示例，所述近场信号放大介质层11的厚度可以为λ/12～λ/8，优选地，本实施例中，所述近场信号放大介质层11的厚度为λ/10，所述信号耦合层12的厚度可以为λ/12～λ/8，优选地，本实施例中，所述信号耦合层12的厚度为λ/9，其中，λ为太赫兹光的波长。需要说明的是，此处所述太赫兹光的波长即为照射到所述被测样品表面的太赫兹光源的波长。
作为示例，所述近场信号放大介质层11的端面及所述信号耦合层12的端面的形状均为圆形，且所述近场信号放大介质层11的端面及所述信号耦合层12的端面的直径相同，均大于或等于10×λ，以确保被探测区域近场信号被有效收集；其中，λ为太赫兹光的波长。
作为示例，所述太赫兹棱镜13的平面的形状为圆形，且所述近场信号放大介质层11的端面及所述信号耦合层12的端面的直径为所述太赫兹棱镜13的平面的直径的一半，以确保已转换的具有不同发散角的太赫兹远场信号被完整收集。
作为示例，，所述太赫兹棱镜13的材料的衰减系数小于或等于0.05mm-1，且所述太赫兹棱镜13的材料的折射率与所述太赫兹近场信号及传输波相匹配(譬如，所述太赫兹近场信号的频率为1THz时，所述太赫兹棱镜13的材料的折射率为1.465)。所述太赫兹棱镜13与所述近场信号放大介质层11组合对透射的太赫兹波产生衰减全反射作用。
所述近场信号放大介质层11不仅作为保护接触层对转换器起到保护作用，还可以提高对被测样品的适应性，对于表面平整度较差的样品(譬如，样品表面的起伏超过λ，λ为太赫兹光的波长)，可以进行接触式探测。
作为示例，所述远场传输模块包括第一平凸透镜21及第二平凸透镜22，所述第一平凸透镜21及所述第二平凸透镜22均一面为平面，另一面为凸面；所述第一平凸透镜21与所述第二平凸透镜22平行排布，所述第一平凸透镜21的平面与所述第二平凸透镜22的平面相对设置，且所述第一平凸透镜21的平面及所述第二平凸透镜22的平面均与所述太赫兹棱镜13的平面相平行，所述第一平凸透镜21的轴向中心线与所述第二平凸透镜22的轴向中心线均与所述太赫兹棱镜13的轴向中心线相重合。需要说明的是，此处所述第一平凸透镜21及所述第二平凸透镜22的轴向即为垂直于所述第一平凸透镜21及所述第二平凸透镜22的平面的方向，所述太赫兹棱镜13的轴向即为垂直于所述太赫兹棱镜13的平面的方向。
作为示例，所述第一平凸透镜21的平面的直径及所述第二平凸透镜22的平面的直径与所述太赫兹棱镜13的平面的直径相同。
作为示例，所述第一平凸透镜21及所述第二平凸透镜22对太赫兹波具有高透过率的特点，所述第一平凸透镜21及所述第二平凸透镜22的材料可以为但不仅限于TPX(聚4-甲基戊烯-1)、高密度聚乙烯或硅等。
需要说明的是，所述第一平凸透镜21及所述第二平凸透镜22在太赫兹频段的折射率、衰减系数及焦距等光学参数完全相同。
作为示例，所述太赫兹近场信号转换器还包括距离调节装置3，所述距离调节装置3位于所述近场耦合放大模块1与所述远场传输模块2之间，适于调节所述近场耦合放大模块1与所述远场传输模块2的距离，以适应不同波长的太赫兹波的转换与探测。
作为示例，所述距离调节装置3包括：第一圆筒装置31及第二圆筒装置32；所述第一圆筒装置31的外侧设有外螺纹33，所述第二圆筒装置32内侧设有与所述外螺纹33相吻合的内螺纹34，所述第二圆筒装置32通过所述内螺纹34及所述外螺纹33旋至于所述第一圆筒装置31的***；所述近场耦合放大模块1位于所述第一圆筒装置31内，且位于所述第一圆筒装置31远离所述第二圆筒装置32的一端，所述远场传输模块2位于所述第二圆筒装置32内，且位于所述第二圆筒装置32远离所述第一圆筒装置31的一端。通过调节所述第一圆筒装置31的所述内螺纹34及所述第二圆筒装置32的所述外螺纹33即可实现对所述近场耦合放大模块1与所述远场传输模块2的距离。具体的，所述近场耦合放大模块1可以固定于所述第一圆筒装置31内远离所述第二圆筒装置32的一端，所述远场传输模块2可以固定于所述第二圆筒装置32内远离所述第一圆筒装置31的一端。
本发明太赫兹近场信号转换器具备将太赫兹近场信号(衰逝波)转换为远场信号(传输波)的功能，使太赫兹近场信号可以被普通远场探测器所探测，确保了近场信息不丢失，从而使测量结果精度和准确性得到改善；太赫兹近场信号转换器的使用无需采用相干探测技术，降低了测试***复杂程度，提高了近场技术的可操作性；信号耦合层的使用不仅保护了转换器同时也提高了对被测样品表面的适应性；相比于传统的近场相干探测方法，本发明有效的降低了测试***的复杂度，显著的提高了太赫兹近场信号探测的效率，对太赫兹光学测量技术的发展具有积极的推动作用。
请参阅图2，本发明的所述太赫兹近场信号转换器的使用方法及工作原理为(图2中，虚线箭头表示光线的传播方向)：
首先，将所述太赫兹近场信号转换器置于被测样品5近场范围以内，所述被测样品5另一侧采用单频太赫兹光源4照射，所述被测样品5的透射信号(衰逝波和传输波)则照射到所述信号耦合层12上，并穿透所述信号耦合层12达到所述近场信号放大介质层11，在所述近场信号放大介质层11与所述信号耦合层12表面形成的表面等离子体效应与近场信号(衰逝波)产生共振，衰逝波耦合进入所述近场信号放大介质层11并在所述近场信号放大介质层11内得到增强(放大)，然后在所述太赫兹棱镜13与所述近场信号放大介质层11之间发生衰减全发射效应，转换为传输波向外扩散。
其次，转换的传输波和原本的远场传输波同时传输至所述第一平凸透镜21，并被所述第一平凸透镜21收集转换为平行光，然后传输至所述第二平凸透镜22，并被所述第二平凸透镜22转换为汇聚光，并由太赫兹探测器6进行探测。
另外，对于不同频率的所述太赫兹光源4，传输波的发散角会不同，通过旋转所述距离调节装置3进行聚焦微调，以达到太赫兹信号最好的收集汇聚效果。
对于平整度较好的所述被测样品5而言，所述被测样品5与转换器之间的距离容易调节，将所述被测样品5置于近场范围内可以获得信号转换效果；对于平整度较差的所述被测样品5，则可以缓慢的将所述被测样品5靠近所述信号耦合层12端面并接触，以实现最大程度的近场信号提取，然后切换不同位置以完成对所述被测样品5的最大程度覆盖检测。
综上所述，本发明提供一种太赫兹近场信号转换器，所述太赫兹近场信号转换器包括：近场耦合放大模块，适于将被测样品的太赫兹近场信号放大并转换为传输波；远场传输模块，适于将所述传输波收集并汇集至太赫兹探测器敏感元上进行探测。本发明太赫兹近场信号转换器具备将太赫兹近场信号(衰逝波)转换为远场信号(传输波)的功能，使太赫兹近场信号可以被普通远场探测器所探测，确保了近场信息不丢失，从而使测量结果精度和准确性得到改善；太赫兹近场信号转换器的使用无需采用相干探测技术，降低了测试***复杂程度，提高了近场技术的可操作性；信号耦合层的使用不仅保护了转换器同时也提高了对被测样品表面的适应性；相比于传统的近场相干探测方法，本发明有效的降低了测试***的复杂度，显著的提高了太赫兹近场信号探测的效率，对太赫兹光学测量技术的发展具有积极的推动作用。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种太赫兹近场信号转换器，其特征在于，所述太赫兹近场信号转换器包括：
近场耦合放大模块，适于将被测样品的太赫兹近场信号放大并转换为传输波；所述近场耦合放大模块包括：近场信号放大介质层、信号耦合层及太赫兹棱镜；所述太赫兹棱镜的一面为平面，另一面为凸面；所述近场信号放大介质层贴置于所述太赫兹棱镜的平面，所述信号耦合层贴置于所述近场信号放大介质层远离所述太赫兹棱镜的表面；
远场传输模块，适于将所述传输波收集并汇集至太赫兹探测器敏感元上进行探测；所述远场传输模块包括第一平凸透镜及第二平凸透镜，所述第一平凸透镜及所述第二平凸透镜均一面为平面，另一面为凸面；所述第一平凸透镜与所述第二平凸透镜平行排布，所述第一平凸透镜的平面与所述第二平凸透镜的平面相对设置，且所述第一平凸透镜的平面及所述第二平凸透镜的平面均与所述太赫兹棱镜的平面相平行，所述第一平凸透镜的轴向中心线与所述第二平凸透镜的轴向中心线均与所述太赫兹棱镜的轴向中心线相重合。
2.根据权利要求1所述的太赫兹近场信号转换器，其特征在于：所述近场信号放大介质层的厚度为λ/12～λ/8，所述信号耦合层的厚度为λ/12～λ/8，其中，λ为太赫兹光的波长。
3.根据权利要求1所述的太赫兹近场信号转换器，其特征在于：所述近场信号放大介质层的端面及所述信号耦合层的端面的形状均为圆形，且所述近场信号放大介质层的端面及所述信号耦合层的端面的直径相同，均大于或等于10×λ，其中，λ为太赫兹光的波长。
4.根据权利要求3所述的太赫兹近场信号转换器，其特征在于：所述太赫兹棱镜的平面的形状为圆形，且所述近场信号放大介质层的端面及所述信号耦合层的端面的直径为所述太赫兹棱镜的平面的直径的一半。
5.根据权利要求1所述的太赫兹近场信号转换器，其特征在于：所述太赫兹棱镜的材料的衰减系数小于或等于0.05mm-1，且所述太赫兹棱镜的材料的折射率与所述太赫兹近场信号及传输波相匹配。
6.根据权利要求1所述的太赫兹近场信号转换器，其特征在于：所述第一平凸透镜的平面的直径及所述第二平凸透镜的平面的直径与所述太赫兹棱镜的平面的直径相同。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的太赫兹近场信号转换器，其特征在于：所述太赫兹近场信号转换器还包括距离调节装置，所述距离调节装置位于所述近场耦合放大模块与所述远场传输模块之间，适于调节所述近场耦合放大模块与所述远场传输模块的距离。
8.根据权利要求7所述的太赫兹近场信号转换器，其特征在于：所述距离调节装置包括：第一圆筒装置及第二圆筒装置；
所述第一圆筒装置的外侧设有外螺纹，所述第二圆筒装置内侧设有与所述外螺纹相吻合的内螺纹，所述第二圆筒装置通过所述内螺纹及所述外螺纹旋至于所述第一圆筒装置的***；
所述近场耦合放大模块位于所述第一圆筒装置远离所述第二圆筒装置的一端，所述远场传输模块位于所述第二圆筒装置远离所述第一圆筒装置的一端。
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