CN106645015A - 一种基于金属微纳结构的太赫兹波超分辨成像***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于金属微纳结构的太赫兹超分辨成像***，包括用于发射太赫兹波的太赫兹辐射源，所述太赫兹辐射源的后侧设置有第一太赫兹透镜，所述第一太赫兹透镜的后侧设置有金属微纳结构，所述金属微纳结构的后侧设置有第二太赫兹透镜，所述第二太赫兹透镜的后侧设置有第三太赫兹透镜，所述第三太赫兹透镜的后侧设置有第四太赫兹透镜，所述第三太赫兹透镜和第四太赫兹透镜之间设置有用于放置待测样品的平台，所述第四太赫兹透镜的后侧设置有太赫兹探测器。本发明还提供了采用上述的***对样品进行成像的方法。发明结构简单，分辨率高，成像清晰。
Description
技术领域
本发明属于物理学领域，涉及一种成像***，具体来说是一种基于金属微纳结构的太赫兹波超分辨成像***及方法。
背景技术
自从第一套太赫兹成像***搭建以来，太赫兹成像广阔的应用领域和巨大的应用价值引起了国内外专家学者的普遍关注，时域光谱成像、连续波成像、太赫兹实时成像等技术也都成为研究的热门课题。太赫兹波可以穿透衣料、塑料、纸张等材料，即使对可见光不透明物体也可以进行透视成像，而且其光子能量比较低，不会引起电离作用，因此成为一种十分安全的成像技术。
传统的太赫兹成像设备，将被测样品放置在二维平移台上，确保在平移过程中，可以实现太赫兹波对样品整个表面的照射。然后将被测样品固定在图1中所示的太赫兹波焦点处，利用太赫兹探测器测量并记录太赫兹波的电场信息和强度信息；分别沿水平和垂直方向移动二维平移台，使得太赫兹波照射到样品的不同表面处，并分别记录太赫兹波经过样品表面每一处的太赫兹波电场信息和强度信息；将记录下的太赫兹波电场信息或强度信息与样品表面的位置信息相对应，即可呈现出被测样品的像。此成像过程中的分辨率主要由太赫兹光斑大小决定。由于太赫兹波长较长，光斑较大，因此，分辨率低。
目前太赫兹成像***存在分辨率低的缺陷。传统的透镜或是抛物面镜聚焦，分辨率最好达到毫米量级；利用飞秒光丝产生太赫兹波，分辨率在亚毫米量级。因此，太赫兹波成像技术的分辨率需要进一步提高。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于金属微纳结构的太赫兹波超分辨成像***及方法，所述的这种基于金属微纳结构的太赫兹波超分辨成像***及方法要解决现有技术中的太赫兹成像***分辨率低的技术问题。
本发明提供了一种基于金属微纳结构的太赫兹超分辨成像***，包括用于发射太赫兹波的太赫兹辐射源，所述太赫兹辐射源的后侧设置有第一太赫兹透镜，所述第一太赫兹透镜的后侧设置有金属微纳结构，所述金属微纳结构的后侧设置有第二太赫兹透镜，所述第二太赫兹透镜的后侧设置有第三太赫兹透镜，所述第三太赫兹透镜的后侧设置有第四太赫兹透镜，所述第三太赫兹透镜和第四太赫兹透镜之间设置有用于放置待测样品的平台，所述第四太赫兹透镜的后侧设置有太赫兹探测器。
进一步的，所述太赫兹辐射源为半导体天线、或光整流晶体或飞秒激光源。
进一步的，所述的金属微纳结构是指颗粒直径在100nm以下的金属结构，所述的金属为任意一种金属材料。
本发明还提供了采用上述的***对样品进行成像的方法，包括如下步骤：
步骤1，将金属微纳结构和待测样品移出成像***，利用太赫兹探测器记录此时的太赫兹波强度，作为基底强度信息；
步骤2，将待测样品放置在待测样品的平台上，确保在平移过程中，实现太赫兹波对样品整个表面的照射，然后将待测样品固定在第三太赫兹透镜和第四太赫兹透镜之间的焦点处，通过调节待测样品的平台，使太赫兹波照射在待测样品表面的确定位置，记录此处的位置信息，同时，利用太赫兹波探测器测量并记录太赫兹波的强度信息；
步骤3，固定此时的待测样品位置，将金属微纳结构放置在二维平移台上，所述金属微纳结构放置于第一太赫兹透镜和第二太赫兹透镜之间，确保在平移过程中，金属微纳结构与整个太赫兹波光斑相互作用，在此基础上，首先固定待测样品的平台的位置，使金属微纳结构与太赫兹波光斑的任一处相互作用，并记录下金属微纳结构在太赫兹光斑中的位置信息；然后利用太赫兹探测器测量并记录此时的太赫兹波强度信息；沿水平和垂直方向移动待测样品的平台，分别记录金属微纳结构与太赫兹光斑不同位置处相互作用时的强度信息，将此时记录下的强度信息与位置信息相对应；
步骤4，完成步骤3之后，将金属微纳结构移出***；
步骤5，移动固定待测样品的平台，使焦点处的太赫兹光斑照射到待测样品的下一个位置，记录此时的位置信息，并利用太赫兹探测器测量并记录太赫兹波的强度信息；
步骤6，重复进行步骤3，直到完成金属微纳结构与整个太赫兹光斑的相互作用，记录每一处的位置信息和太赫兹波强度信息，将其相对应；
步骤7，继续移动固定待测样品的待测样品的平台，使第三太赫兹透镜和第四太赫兹透镜之间的焦点处的太赫兹光斑完成对整个待测样品的扫描，在每一位置处重复进行步骤3的过程；
步骤8，将金属微纳结构与太赫兹波相互作用后照射到待测样品上的位置信息以及探测到的太赫兹强度信息相对应，还原出待测样品的像；
通过以上步骤实现太赫兹波对待测样品的超分辨成像过程。
本发明的原理是：太赫兹辐射源发射太赫兹波，太赫兹辐射源可以为半导体天线，或光整流晶体（碲化锌、磷化镓等），亦可为超快飞秒激光在空气中聚焦成丝发射太赫兹波。太赫兹波经过第一太赫兹透镜将产生的太赫兹脉冲聚焦到金属微纳结构，此微纳结构通常指尺寸在100nm以下的微小结构，也就是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装的新体系，包括一维、二维、三维体系，这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。众所周知，金属纳米颗粒在外电磁场作用下，其费米能级附近导带上的自由电子产生集体震荡，金属颗粒周围局域场强发生明显变化。在此***中，太赫兹波作为一种外加电场与金属微纳结构相互作用，使得太赫兹电场强度发生变化。此相互作用发生的空间尺寸由金属微纳结构的尺寸决定。将经过金属微纳结构的太赫兹波重新收集并汇聚到样品表面，然后利用太赫兹透镜将经过样品的太赫兹波输入到太赫兹波探测器，探测太赫兹强度变化。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明结构简单，分辨率高，成像清晰。
附图说明
图1为现有技术采用的成像***。
图2为本发明实施例的成像***。
图3为本发明成像***的原理图。
具体实施方式
下面结合实施方式及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。
如图2所示，一种基于金属微纳结构的太赫兹超分辨成像***，包括用于发射太赫兹波的太赫兹辐射源1，所述太赫兹辐射源1的后侧设置有第一太赫兹透镜2，所述第一太赫兹透镜2的后侧设置有金属微纳结构3，所述金属微纳结构3的后侧设置有第二太赫兹透镜4，所述第二太赫兹透镜4的后侧设置有第三太赫兹透镜5，所述第三太赫兹透镜5的后侧设置有第四太赫兹透镜6，所述第三太赫兹透镜5和第四太赫兹透镜6之间放置待测样品8，所述第四太赫兹透镜6的后侧设置有太赫兹探测器7。所述太赫兹辐射源1为半导体天线或光整流晶体或飞秒激光源。
对样品进行超分辨成像的整个过程分以下几个步骤实现：
步骤1，在图2所示示意图中，将金属微纳结构3和待测样品8移出成像***，利用太赫兹探测器7记录此时的太赫兹波强度，作为基底强度信息；
步骤2，将待测样品8放置在二维平移台上，确保在平移过程中，可以实现太赫兹波对样品整个表面的照射。然后将待测样品8固定在图2中所示的第三太赫兹透镜5和第四太赫兹透镜6之间的焦点处，通过调节二维平移台，使太赫兹波照射在待测样品8表面的确定位置，记录此处的位置信息，同时，利用太赫兹波探测器7测量并记录太赫兹波的强度信息；
步骤3，固定此时的待测样品8位置，将金属微纳结构3放置在二维平移台上，所述金属微纳结构放置于第一太赫兹透镜和第二太赫兹透镜之间，确保在平移过程中，金属微纳结构3可以与整个太赫兹波光斑相互作用。在此基础上，首先固定二维平移台的位置，使金属微纳结构3与太赫兹波光斑的任一处相互作用，并记录下金属微纳结构3在太赫兹光斑中的位置信息；然后利用太赫兹探测器7测量并记录此时的太赫兹波强度信息；沿水平和垂直方向移动二维平移台，分别记录金属微纳结构3与太赫兹光斑不同位置处相互作用时的强度信息，将此时记录下的强度信息与位置信息相对应。
步骤4，完成步骤3之后，将金属微纳结构3移出***；
步骤5，移动固定待测样品8的二维平移台，使焦点2处的太赫兹光斑照射到待测样品8的下一个位置，记录此时的位置信息，并利用太赫兹探测器7测量并记录太赫兹波的强度信息；
步骤6，重复进行步骤3，直到完成金属微纳结构3与整个太赫兹光斑的相互作用，记录每一处的位置信息和太赫兹波强度信息，将其相对应；
步骤7，继续移动固定待测样品8的二维平移台，使第三太赫兹透镜5和第四太赫兹透镜6之间的焦点处的太赫兹光斑完成对整个待测样品8的扫描，在每一位置处重复进行步骤3的过程；
步骤8，将金属微纳结构3与太赫兹波相互作用后照射到待测样品8上的位置信息以及探测到的太赫兹强度信息相对应，还原出待测样品8的像。
通过以上步骤可以实现太赫兹波对待测样品8的超分辨成像过程。传统太赫兹成像过程中，由于太赫兹波长在毫米量级，因此，受衍射极限限制，成像过程中能达到的分辨率为毫米量级。金属微纳结构的加入，使该过程的成像分辨率达到纳米量级。
附图3为基于金属微纳结构的太赫兹超分辨成像原理图。图中太赫兹光斑指被聚焦后形成的太赫兹波光斑9，此太赫兹光斑9可以由半导体天线、光整流晶体、激光成丝发射的太赫兹波通过一对抛物面镜或太赫兹波透镜汇聚。由于太赫兹波波长较长，经过汇聚之后的太赫兹波光斑9较大，限制了成像过程中的分辨率提高。图中金属微纳结构3是指尺度在纳米量级的金属结构，可以为纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及不同形状、不同金属材料的纳米结构。此金属纳米结构与太赫兹电场相互作用，由于太赫兹电场的激发作用，使得金属结构内的自由电子发生运动，此时作为驱动源的太赫兹电场强度信息发生变化，由于金属微纳结构3的尺寸在纳米量级，因此可以准确记录下在金属微纳结构3处引起的太赫兹电场强度变化。
通过引入金属微纳结构3，将成像过程中的分辨率由太赫兹光斑尺寸降低到纳米量级，分辨率提高了几个数量级。
同时本发明上述实施例仅为说明本发明技术方案之用，仅为本发明技术方案的列举，并不用于限制本发明的技术方案及其保护范围。采用等同技术手段、等同设备等对本发明权利要求书及说明书所公开的技术方案的改进应当认为是没有超出本发明权利要求书及说明书所公开的范围。
Claims (4)
1.一种基于金属微纳结构的太赫兹超分辨成像***，包括用于发射太赫兹波的太赫兹辐射源，其特征在于：所述太赫兹辐射源的后侧设置有第一太赫兹透镜，所述第一太赫兹透镜的后侧设置有金属微纳结构，所述金属微纳结构的后侧设置有第二太赫兹透镜，所述第二太赫兹透镜的后侧设置有第三太赫兹透镜，所述第三太赫兹透镜的后侧设置有第四太赫兹透镜，所述第三太赫兹透镜和第四太赫兹透镜之间设置有用于放置待测样品的平台，所述第四太赫兹透镜的后侧设置有太赫兹探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属微纳结构的太赫兹超分辨成像***，其特征在于：所述太赫兹辐射源为半导体天线、或光整流晶体或飞秒激光源。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属微纳结构的太赫兹超分辨成像***，其特征在于：所述的金属微纳结构是指颗粒直径在100nm以下的金属结构，所有的金属为任意一种金属材料。
4.采用权利要求1所述的一种基于金属微纳结构的太赫兹超分辨成像***对样品进行成像的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，将金属微纳结构和待测样品移出成像***，利用太赫兹探测器记录此时的太赫兹波强度，作为基底强度信息；
步骤2，将待测样品放置在待测样品的平台上，确保在平移过程中，实现太赫兹波对样品整个表面的照射，然后将待测样品固定在第三太赫兹透镜和第四太赫兹透镜之间的焦点处，通过调节待测样品的平台，使太赫兹波照射在待测样品表面的确定位置，记录此处的位置信息，同时，利用太赫兹波探测器测量并记录太赫兹波的强度信息；
步骤3，固定此时的待测样品位置，将金属微纳结构放置在二维平移台上，所述金属微纳结构放置于第一太赫兹透镜和第二太赫兹透镜之间，确保在平移过程中，金属微纳结构与整个太赫兹波光斑相互作用，在此基础上，首先固定待测样品的平台的位置，使金属微纳结构与太赫兹波光斑的任一处相互作用，并记录下金属微纳结构在太赫兹光斑中的位置信息；然后利用太赫兹探测器测量并记录此时的太赫兹波强度信息；沿水平和垂直方向移动待测样品的平台，分别记录金属微纳结构与太赫兹光斑不同位置处相互作用时的强度信息，将此时记录下的强度信息与位置信息相对应；
步骤4，完成步骤3之后，将金属微纳结构移出***；
步骤5，移动固定待测样品的平台，使焦点处的太赫兹光斑照射到待测样品的下一个位置，记录此时的位置信息，并利用太赫兹探测器测量并记录太赫兹波的强度信息；
步骤6，重复进行步骤3，直到完成金属微纳结构与整个太赫兹光斑的相互作用，记录每一处的位置信息和太赫兹波强度信息，将其相对应；
步骤7，继续移动固定待测样品的待测样品的平台，使第三太赫兹透镜和第四太赫兹透镜之间的焦点处的太赫兹光斑完成对整个待测样品的扫描，在每一位置处重复进行步骤3的过程；
步骤8，将金属微纳结构与太赫兹波相互作用后照射到待测样品上的位置信息以及探测到的太赫兹强度信息相对应，还原出待测样品的像；
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