CN106442394B - 一种太赫兹近场成像***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太赫兹近场成像***及方法，所述太赫兹近场成像***包括太赫兹相干光源模块、外腔光路模块及近场探针模块。本发明采用高功率太赫兹量子级联激光器产生高功率THz辐射，利用探针技术和激光器自混频效应探测目标的近场太赫兹信号，进而实现高分辨率成像功能。由于采用自混频效应代替近场探测器，光路***简洁紧凑；近场探针反射的近场太赫兹信号与入射信号共光路，精度高且结构简单，显著改善了传统近场成像技术的缺陷，对高精度太赫兹成像技术的发展及应用具有积极的推动作用。

Description

一种太赫兹近场成像***及方法
技术领域
本发明属于光学应用技术领域，涉及一种太赫兹近场成像***及方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波通常指频率范围为100GHz～10THz，对应波长为3mm～30um的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波和远红外射线之间，由于缺乏有效的THz源与探测器，THz频段是电磁波谱中最后一个有待全面而深入研究的频段(“Terahertz Gap”)。近年来，随着光子学和纳米技术的不断发展，THz相关技术在公共安全，通信传输，生物医学，产品质量控制和大气环境监测等领域展现出极大的应用潜力和价值。在众多的THz研究方向中，THz成像被视为最为重要的应用技术之一，主要原因在于：THz波成像可以获得适中的空间分辨率，能够穿透多种非极性材料(如纸张，塑料，陶瓷等)，实现对隐藏目标成像；特别地，在医学成像和安检成像等领域，相比于广泛应用的X射线，THz波具有更低的能量(1THz～4meV)，因此更加安全，不会电离生物分子，弥补了X射线容易对人体造成辐射损伤这一缺陷，同时THz波对低密度物质成像可以获得更好的对比度。
随着THz成像技术的不断发展，满足各类实用需求的THz成像***应运而生。太赫兹波长在毫米/亚毫米两级，对于一般大目标检测，THz图像可以获得令人满意的效果。随着THz成像技术与物质表征和生物医学检测等领域的不断融合，人们对THz成像分辨率及图像精细程度的要求越来越高，对于THz远场成像***而言，根据瑞利判据(RayleighCriterion)可知，图像的最小分辨距离不低于艾利斑(Airy disc)的半径，图像分辨率受到衍射极限的限制。为了突破该限制，近场成像技术应运而生，近场技术通过采集被测目标反射信号中的衰逝波成分，从而最大限度的保留“完整”的反射信号，实现高分辨率图像还原。一般地，近场成像可以提供亚波长尺度的图像分辨率，如目前该领域常用小孔近场成像，超透镜近场成像或是无孔近场成像等技术。图1与图2为THz近场成像与普通成像效果对比，其中图1显示为THz近场成像效果，图2显示为普通成像效果，显而易见，近场成像分辨率得到了显著提高，图像也显示了更多的细节信息，所以近场成像技术对于具有高精度要求的应用场景是非常有用的。
然而，常用的近场成像技术存在以下几方面缺陷：1.***复杂，设计难度大。近场成像信号探测通常采用相干探测技术，相干探测技术需引入同步信号，增加了光路***设计的复杂程度与操作难度；2.光源信号输出功率低。近场成像的THz信号产生主要采用两类方法，一类是通过光混频由光电导发射THz信号，第二类是采用非线性晶体产生THz信号，这两种方式产生的THz信号一般在微瓦量级，导致信号探测困难；3.对探测器要求高。一方面探测器需要具有高灵敏度，才能实现对微弱信号的检测，另一方面，因为近场探测的是距离样品表面一个波长以内的衰逝波信号，所以探测器必须放置于非常靠近探测点的位置，这就要求探测器必须具有合适的体积和精巧的结构以满足空间位置需求。以上三个方面对近场成像技术的发展与应用带来了诸多限制，尽管无孔技术、超透镜转换技术等优化方案相继出现，但改善效果有限。
因此，如何提供一种新型的太赫兹近场成像***及方法，以降低光路***的复杂度，并提高成像精度，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
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成像***及方法，用于解决现有技术中THz近场成像***结构复杂、THz输出功率低和对探测器要求苛刻等问题。
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成像***，包括太赫兹相干光源模块、外腔光路模块及近场探针模块；其中：
所述太赫兹相干光源模块包括太赫兹光源及与所述太赫兹光源相连的锁相放大器；所述太赫兹光源用于产生太赫兹信号，并接收样品近场太赫兹信号的反射信号，以在所述太赫兹光源的谐振腔内产生自混频效应；所述锁相放大器用于探测所述太赫兹光源的自混频信号，以实现对成像采样位置的信号提取；
所述外腔光路模块用于收集所述太赫兹光源发出的太赫兹信号，并汇聚至样品表面；所述外腔光路模块还用于收集样品的近场太赫兹信号的反射信号，并将该反射信号沿所述外腔光路模块的光路反向传输至所述太赫兹光源的出光端面，并在谐振腔内产生自混频效应；
所述近场探针模块包括近场探针；所述近场探针用于反射样品的近场太赫兹信号。
可选地，所述太赫兹相干光源模块还包括与所述太赫兹光源及所述锁相放大器相连的驱动电源；所述锁相放大器提供同步触发信号给所述驱动电源；所述驱动电源驱动所述太赫兹光源产生太赫兹信号。
可选地，所述外腔光路模块包括第一离轴抛物面镜及第二离轴抛物面镜；所述第一离轴抛物面镜用于收集所述太赫兹相干光源模块发出的太赫兹信号，将其转换成第一平行光，所述第二离轴抛物面镜用于将所述第一平行光汇聚至样品表面；所述第二离轴抛物面镜还用于收集样品的近场太赫兹信号的反射信号，将该反射信号转换为第二平行光，所述第一离轴抛物面镜还用于将所述第二平行光汇聚至所述太赫兹光源的出光端面，以产生所述自混频效应。
可选地，所述近场探针模块还包括调制信号发生器和二维平移台；所述二维平移台用于承载样品，并带动所述样品在垂直于近场探针的平面进行步进扫描；所述近场探针为导电型探针；所述调制信号发生器与所述近场探针相连，用于调制所述近场探针沿样品表面法线方向周期性运动；所述调制信号发生器还与所述锁相放大器相连，为所述锁相放大器提供参考频率；所述参考频率等于所述调制信号发生器调制所述近场探针的调制频率。
可选地，所述步进扫描的扫描步长s≤r，其中r为近场探针尖端半径；近场探针尖端半径r≤λ/10，近场探针尖端与样品表面的距离D≤λ，其中λ为太赫兹波长。
可选地，太赫兹信号汇聚至样品表面时采用斜入射方式；入射角度θ的范围是10°-60°。
可选地，探测自混频信号选择太赫兹光源的电压信号或电流信号，并选取一个调制周期内的峰值作为对应探测点的响应值；通过检测调制信号的高阶谐频完成自混频信号探测，高阶谐频选择为2阶或3阶。
可选地，所述太赫兹光源为太赫兹量子级联激光器；所述太赫兹量子级联激光器采用半绝缘表面等离子体波导，并采用连续波工作模式。
本发明还提供一种太赫兹近场成像方法，所述方法包括：将样品近场太赫兹信号的反射信号传输至太赫兹光源的出光端面，在太赫兹光源的谐振腔内产生自混频效应，并通过探测太赫兹光源的自混频信号实现对成像采样位置的信号提取。
可选地，所述太赫兹光源为太赫兹量子级联激光器。
可选地，探测自混频信号选择太赫兹光源的电压信号或电流信号，并选取一个调制周期内的峰值作为对应探测点的响应值。
可选地，利用近场探针反射样品的近场太赫兹信号；所述近场探针为导电型探针。
如上所述，本发明的太赫兹近场成像***及方法，具有以下有益效果：本发明提出了一种新型的THz近场成像技术，采用高功率太赫兹量子级联激光器产生高功率THz辐射，利用探针技术和激光器自混频效应探测目标的近场太赫兹信号，进而实现高分辨率成像功能。本发明利用自混频效应代替近场探测器，光路***简洁紧凑；近场探针反射的近场太赫兹信号与入射信号共光路，精度高且结构简单，显著改善了传统近场成像技术的缺陷，对高精度太赫兹成像技术的发展及应用具有积极的推动作用。
附图说明
图1显示为THz近场成像效果。
图2显示为普通成像效果。
图3显示为本发明的太赫兹近场成像***的结构示意图。
图4显示为太赫兹光束、近场探针及样品的相对位置示意图。
元件标号说明
1 太赫兹相干光源模块
101 太赫兹光源
102 锁相放大器
103 驱动电源
2 外腔光路模块
201 第一离轴抛物面镜
202 第二离轴抛物面镜
3 近场探针模块
301 近场探针
302 调制信号发生器
303 二维平移台
4 样品
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3及图4。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，遂图式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。
实施例一
本发明提供一种太赫兹近场成像***，请参阅图3，显示为该太赫兹近场成像***的结构示意图，包括太赫兹相干光源模块1、外腔光路模块2及近场探针模块3；其中：所述太赫兹相干光源模块1包括太赫兹光源101及与所述太赫兹光源101相连的锁相放大器102；所述外腔光路模块2包括第一离轴抛物面镜201及第二离轴抛物面镜202；所述近场探针模块3包括近场探针301。
具体的，所述太赫兹光源101用于产生太赫兹信号并接收样品4近场太赫兹信号的反射信号，以在所述太赫兹光源101的谐振腔内产生自混频效应。本实施例中，所述太赫兹相干光源模块1还包括与所述太赫兹光源101及所述锁相放大器102相连的驱动电源103；所述锁相放大器102提供同步触发信号给所述驱动电源103；所述驱动电源103驱动所述太赫兹光源101产生太赫兹信号。
作为示例，所述太赫兹光源101采用太赫兹量子级联激光器，其可产生高功率太赫兹辐射，有利于信号探测。本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器采用半绝缘表面等离子体波导，并采用连续波工作模式。
具体的，所述第一离轴抛物面镜201及第二离轴抛物面镜202的离轴度为90,孔径直径为2英寸，焦距为4英寸(1英寸＝25.4mm)。所述外腔光路模块2利用所述第一离轴抛物面镜201收集所述太赫兹光源101发出的太赫兹信号，将其转换成第一平行光，并进一步通过所述第二离轴抛物面镜202将所述第一平行光汇聚至样品4表面，其中汇聚至样品表面的太赫兹信号经样品反射，产生样品的近场太赫兹信号。
本发明中，样品的近场太赫兹信号采用反射模式收集，并通过太赫兹激光器的自混频效应进行探测。
具体的，所述近场探针301用于反射样品的近场太赫兹信号。同时，所述外腔光路模块2利用所述第二离轴抛物面镜202收集样品的近场太赫兹信号的反射信号，将该反射信号转换为第二平行光，并进一步通过所述第一离轴抛物面镜201将所述第二平行光汇聚至所述太赫兹光源101的出光端面，以产生所述自混频效应。换句话说，样品近场太赫兹信号的反射信号是沿所述外腔光路模块2的光路反向传输至所述太赫兹光源101的出光端面的，即近场探针反射的近场信号与入射信号共光路。
请参阅图4，显示为太赫兹光束、近场探针301及样品4在y-z平面(相对于图3的x-z平面视角)上的相对位置示意图。本实施例中，太赫兹信号汇聚至样品表面时采用斜入射方式；入射角度θ的范围是10°-60°。
作为示例，所述近场探针301为导电型探针，近场探针尖端半径r≤λ/10，近场探针尖端与样品表面的距离D≤λ，其中λ为太赫兹波长。本实施例中，所述近场探针301优选为表面镀铂，可以增加近场探针的导电性和坚硬度，同时起到保护作用。
本实施例中，所述近场探针模块3还包括与所述近场探针301及所述锁相放大器102相连的调制信号发生器302和用于承载样品4的二维平移台303。
具体的，所述二维平移台303用于带动所述样品4在垂直于近场探针301的平面进行步进扫描，以实现被测样品的二维扫描功能。
作为示例，所述步进扫描的扫描步长s≤r，其中r为近场探针尖端半径，以提高分辨率。
具体的，所述调制信号发生器302用于调制所述近场探针301，并为所述锁相放大器提供参考频率；所述参考频率等于所述调制信号发生器302调制所述近场探针301的调制频率。
作为示例，所述调制信号发生器302是通过提供运动控制信号，调制近场探针301沿样品4表面法线方向周期性运动，即相对于样品上下移动。
具体的，锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
本发明中，所述锁相放大器102用于探测所述太赫兹光源101的自混频信号，以实现对成像采样位置的信号提取。
作为示例，所述锁相放大器102通过检测调制信号的高阶谐频完成自混频信号探测。选择高阶谐频检测有利于减小背景噪声。本实施例中，调制信号高阶谐频选择为2阶或3阶，即所述锁相放大器102只响应频率为2倍或3倍参考频率的自混频信号。
作为示例，探测自混频信号选择太赫兹光源101的电压信号或电流信号，并选取一个调制周期内的峰值作为对应探测点的响应值。本实施例中，探测自混频信号优选太赫兹光源101的电压信号。
本发明的太赫兹近场成像***太赫兹相干光源模块、外腔光路模块及近场探针模块构成，利用太赫兹相干光源产生高功率THz信号，外腔光路将THz信号引导至近场探针附近的样品探测点，样品的近场太赫兹信号被近场探针反射，反射信号由外腔光路模块反馈至激光器谐振腔内产生自混频效应，通过检测激光器的电信号变化实现信号提取。本发明利用近场探针采集被测样品的近场信息并结合自混频效应完成信号探测，突破成像的衍射限制，在保留近场成像精度的同时，显著的降低***的复杂度，从而改善传统近场成像技术的缺陷，对太赫兹高精度成像技术的发展与应用具有重要的推动作用。
实施例二
本发明还提供一种太赫兹近场成像方法，所述方法包括：将样品近场太赫兹信号的反射信号传输至太赫兹光源的出光端面，在太赫兹光源的谐振腔内产生自混频效应，并通过探测太赫兹光源的自混频信号实现对成像采样位置的信号提取。
作为示例，所述太赫兹光源可选择任意带谐振腔的太赫兹波产生装置。本实施例中，所述太赫兹光源优选采用太赫兹量子级联激光器，其可产生高功率太赫兹辐射，有利于信号探测。
作为示例，探测自混频信号选择太赫兹光源的电压信号或电流信号，并选取一个调制周期内的峰值作为对应探测点的响应值。其中，探测太赫兹光源的电压信号或电流信号的探测器可根据实际需要进行设计，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，通过检测调制信号的高阶谐频完成自混频信号探测，例如2阶或3阶，有利于减小背景噪声。
作为示例，利用近场探针反射样品的近场太赫兹信号，所述近场探针为导电型探针。
作为示例，利用外腔光路传输样品近场太赫兹信号的反射信号，其具体结构可根据实际需要进行设计。
作为示例，近场探针反射的近场信号与入射信号共光路。本实施例中，优选采用一组离轴抛物面镜来传输入射信号及近场太赫兹信号的反射。
本发明的太赫兹近场成像方法所需光路结构简单，并利用自混频效应代替近场信号探测器，避免了现有技术中探测器必须放置于非常靠近探测点的位置，要求探测器必须具有合适的体积和精巧的结构以满足空间位置要求的问题。本发明的太赫兹近场成像方法可以降低太赫兹近场成像***的设计难度，有利于推动太赫兹高精度成像技术的发展和应用。
实施例三
本实施例提供一种太赫兹近场成像***的构建方法，包括如下步骤：
步骤一、构建近场成像光路***。
1)将外腔光路中的第一离轴抛物面镜(以下简称PM1)与第二离轴抛物面镜(以下简称PM2)放置于平行光轨上，便于后续的外腔长度调节；
2)将可见光光源置于PM1焦点处进行光路校准和样品位置标定，根据可见光标识，调节PM1和PM2的俯仰角度，使PM2的汇聚光斑与可见光光源处于同一高度，光斑位置与PM2焦点位置重合，光斑沿光轴方向变化呈现均匀的圆形缩放；
3)根据可见光标定光源与探测点(PM2的汇聚光斑)位置，将太赫兹相干光源中的THz光源出光端面置于标定的光源位置处，将近场探针模块中的样品放置于标定的探测点位置处，调节样品方向，使其表面法线与光轴夹角为45°，样品固定于二维平移台上，通过步进移动实现样品二维扫描功能。
步骤二、近场探针调节。
1)通过驱动电源点亮激光器，锁相放大器实时监控激光器的电压信号变化；
2)信号发生器提供参考频率给锁相放大器，并调制近场探针；
3)将近场探针置于靠近探测点且距离样品表面一个波长距离的任意位置，近场探针方向垂直于样品表面，缓慢移动近场探针趋近标识的探测点位置，根据太赫兹相干光源模块中的锁相放大器信号变化情况，选取信号的峰值位置作为探测点，并固定近场探针。
步骤三、样品扫描。
1)设定扫描路径覆盖样品表面；
2)设定扫描步长，步长范围≤r(r为近场探针尖端半径)；
3)根据探测信号对样品进行图像重建。
综上所述，本发明的太赫兹近场成像***及方法采用高功率太赫兹量子级联激光器产生高功率THz辐射，利用探针技术和激光器自混频效应探测目标的近场太赫兹信号，进而实现高分辨率成像功能。本发明利用自混频效应代替近场探测器，光路***简洁紧凑；近场探针反射的近场太赫兹信号与入射信号共光路，精度高且结构简单，显著改善了传统近场成像技术的缺陷，对高精度太赫兹成像技术的发展及应用具有积极的推动作用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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 (12)

1.一种太赫兹近场成像***，包括太赫兹相干光源模块、外腔光路模块及近场探针模块；其特征在于：
所述太赫兹相干光源模块包括太赫兹光源及与所述太赫兹光源相连的锁相放大器；所述太赫兹光源用于产生太赫兹信号，并接收样品近场太赫兹信号的反射信号，以在所述太赫兹光源的谐振腔内产生自混频效应；所述锁相放大器用于探测所述太赫兹光源的自混频信号，以实现对成像采样位置的信号提取；
所述外腔光路模块用于收集所述太赫兹光源发出的太赫兹信号，并汇聚至样品表面，其中汇聚至样品表面的太赫兹信号经样品反射，产生样品的近场太赫兹信号；所述外腔光路模块还用于收集样品的近场太赫兹信号的反射信号，并将该反射信号沿所述外腔光路模块的光路反向传输至所述太赫兹光源的出光端面，并在谐振腔内产生自混频效应；
所述近场探针模块包括近场探针；所述近场探针用于反射样品的近场太赫兹信号，其中所述近场探针反射的近场太赫兹信号与入射信号共光路。
2.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像***，其特征在于：所述太赫兹相干光源模块还包括与所述太赫兹光源及所述锁相放大器相连的驱动电源；所述锁相放大器提供同步触发信号给所述驱动电源；所述驱动电源驱动所述太赫兹光源产生太赫兹信号。
3.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像***，其特征在于：所述外腔光路模块包括第一离轴抛物面镜及第二离轴抛物面镜；所述第一离轴抛物面镜用于收集所述太赫兹相干光源模块发出的太赫兹信号，将其转换成第一平行光，所述第二离轴抛物面镜用于将所述第一平行光汇聚至样品表面；所述第二离轴抛物面镜还用于收集样品的近场太赫兹信号的反射信号，将该反射信号转换为第二平行光，所述第一离轴抛物面镜还用于将所述第二平行光汇聚至所述太赫兹光源的出光端面，以产生所述自混频效应。
4.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像***，其特征在于：所述近场探针模块还包括调制信号发生器和二维平移台；所述二维平移台用于承载样品，并带动所述样品在垂直于探针的平面进行步进扫描；所述近场探针为导电型探针；所述调制信号发生器与所述近场探针相连，用于调制所述近场探针沿样品表面法线方向周期性运动；所述调制信号发生器还与所述锁相放大器相连，为所述锁相放大器提供参考频率；所述参考频率等于所述调制信号发生器调制所述近场探针的调制频率。
5.根据权利要求4所述的太赫兹近场成像***，其特征在于：所述步进扫描的扫描步长s≤r，其中r为近场探针尖端半径；近场探针尖端半径r≤λ/10，近场探针尖端与样品表面的距离D≤λ，其中λ为太赫兹波长。
6.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像***，其特征在于：太赫兹信号汇聚至样品表面时采用斜入射方式；入射角度θ的范围是10°-60°。
7.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像***，其特征在于：所述锁相放大器探测自混频信号选择太赫兹光源的电压信号或电流信号，并选取一个调制周期内的峰值作为对应探测点的响应值；通过检测调制信号的高阶谐频完成自混频信号探测，高阶谐频选择为2阶或3阶。
8.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像***，其特征在于：所述太赫兹光源为太赫兹量子级联激光器；所述太赫兹量子级联激光器采用半绝缘表面等离子体波导，并采用连续波工作模式。
9.一种太赫兹近场成像方法，所述太赫兹近场成像方法采用如权利要求1-8任意一项所述的太赫兹近场成像***进行，其特征在于：将样品近场太赫兹信号的反射信号传输至太赫兹光源的出光端面，在太赫兹光源的谐振腔内产生自混频效应，并通过探测太赫兹光源的自混频信号实现对成像采样位置的信号提取。
10.根据权利要求9所述的太赫兹近场成像方法，其特征在于：所述太赫兹光源为太赫兹量子级联激光器。
11.根据权利要求9所述的太赫兹近场成像方法，其特征在于：探测自混频信号选择太赫兹光源的电压信号或电流信号，并选取一个调制周期内的峰值作为对应探测点的响应值。
12.根据权利要求9所述的太赫兹近场成像方法，其特征在于：利用近场探针反射样品的近场太赫兹信号；所述近场探针为导电型探针。
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