CN108844914B - 一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像装置及成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像装置及成像方法，该技术基于太赫兹波在金属探针上以表面等离激元形式传输至探针针尖处形成远小于太赫兹波长尺寸的太赫兹光斑，在针尖末端近场区域内放置待成像样品，针尖与样品的近场区域内设置垂直度检测模块以及近场距离反馈模块，样品固定于二维电控平移台以在针尖末端进行扫描成像，样品之后放置太赫兹探测器用来探测待成像样品每一个扫描点处透射的太赫兹强度信号，将待成像样品上每一个扫描点处的太赫兹信号强度采集并关联绘图，即可实现样品在太赫兹波段内的超分辨成像，成像分辨率取决于针尖末端尺寸与扫描步进位移，最高分辨率可达纳米量级。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹超分辨成像领域，具体涉及使用棱镜将太赫兹波耦合进金属探针中传播至针尖末端，太赫兹波聚焦于针尖末端处，从而实现近场扫描超分辨成像。
背景技术
太赫兹波一般是指频率介于0.1-10THz(1THz＝1012Hz)的电磁波辐射，其对应波长范围为：30um—3mm，所以太赫兹波又被称为远红外或者亚毫米波。由于其波长较长，由阿贝所提出的光学成像***中的衍射极限定律可知，其成像的极限分辨率只有波长的一半，所以较难实现高分辨率的成像，而由于太赫兹波对一般非极性材料都有很强穿透性，并且其光子能量低，在覆盖生物大分子振动和转动能级的同时不会对生物样品造成电离损伤。因此太赫兹成像在无损检测、生物医学、国防安全等领域具有重大的应用前景。所以提高太赫兹成像的分辨率是一个极具有实际意义的研究课题。
大幅度提高太赫兹成像的分辨率一直是一项有挑战性的课题，目前关于太赫兹超分辨成像的相关专利有：
专利申请号：201611007664.6，其公开了一种基于金属微纳结构的太赫兹波超分辨成像***及方法，在其光学成像***中共使用了四个太赫兹透镜，分别对太赫兹光束进行准直和聚焦，在第一个聚焦透镜的焦点位置处放置金属微纳结构，在第三透镜和第四透镜之间放置待成像样品，其扫描成像***需要不断实时调整金属微纳结构以及待成像样品的位置，寻找记录位置和太赫兹波强度的关系，且其装置总共有四个透镜去对太赫兹光进行波束整形，这对于肉眼不可见的太赫兹波来说，调整光路的难度极大，可行性不高。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前太赫兹成像技术分辨率不高的问题，从而针对性地提出了一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像技术，该技术通过相应的装置，实现超分辨成像方法，该方法利用针尖尺寸极小的金属探针对太赫兹波的聚焦作用，在针尖近场区域内进行扫描成像的一种超分辨成像技术。
本发明采用的技术方案是：
一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像装置，在沿太赫兹波传播的方向上依次有太赫兹辐射源、太赫兹棱镜、金属探针、开有小孔的金属挡板、待成像样品、垂直度检测模块、近场距离反馈模块、太赫兹探测器；其中太赫兹棱镜与金属探针之间采用表面接触式的Kretschmann耦合方式来激发起金属探针上的太赫兹表面等离激元。
进一步的，所述的金属探针是任意一种金属材料制成的锥形探针。
一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像方法，
首先，将太赫兹辐射源辐射出的太赫兹波照射于太赫兹棱镜的前侧表面，太赫兹波经太赫兹棱镜前侧表面的折射后到达太赫兹棱镜的上表面；
然后，在太赫兹棱镜的上表面放置金属探针，金属探针与太赫兹棱镜之间采用Kretschmann耦合方式来激发太赫兹表面等离激元；
其次，太赫兹表面等离激元沿着金属探针向前传播，在传播方向上放置开有小孔的金属挡板以隔绝太赫兹棱镜后侧面传播的太赫兹信号；
再次，太赫兹信号以表面等离激元的形式传输至金属探针针尖处，针尖末端形成环形分布的太赫兹光斑；
最后，将待成像样品经二维电控平移台固定于针尖末端近场区域内进行二维扫描，即可突破照明成像衍射极限从而实现超分辨成像，所述的超分辨成像为纳米量级，万分之一波长的超分辨成像，所述的超分辨成像的分辨率取决于针尖尺寸及扫描步进位移，针尖越细成像的分辨率越高。
其中在金属探针针尖与待成像样品的近场区域内设置垂直度检测模块以及近场距离反馈模块，用来调节针尖与样品的垂直度及距离检测并实时提供反馈信息。
本发明的原理分析：
表面等离激元是指沿着金属与介质分界面传播的表面电磁波，主要特性是电场强度在金属与介质的分界面上具有最大值，远离金属表面电场强度呈指数衰减，另外表面等离激元的等效波长比真空中的波长小，可以实现局域长增强、亚波长约束等特性。这些性质使得表面等离激元在成像方面可以突破衍射极限从而实现超分辨成像。
由金属光学性质中的表面等离激元色散关系曲线可知，在一定频率下，表面等离激元的纵向波失开始大于同等频率下光的波失，即表面等离激元的等效波长小于真空中光的波长，因此表面等离激元不能被直接激发，一般需要采用棱镜或周期性结构来激发起表面等离激元；本发明采取的激发方式为棱镜激发方式中的Kretschmann方式。
太赫兹波经棱镜的Kretschmann激发方式在金属探针表面激发其表面等离激元，并沿着金属探针向前传播，金属探针的末端针尖尺寸为微米量级，太赫兹波以表面等离激元的形式传播至针尖末端处，此时波长较长的太赫兹波以表面等离激元的形式约束于针尖末端，形成一个尺寸为微米量级的环形分布的太赫兹光斑。
太赫兹波在针尖末端形成强约束的微米尺寸光斑，该尺寸远小于太赫兹的波长尺寸，由于太赫兹波离开针尖末端辐射进空气中后发散角巨大，光斑发散严重，故将待成像样品放置于远小于波长尺寸的近场区域内，进行二维近场扫描成像。通过控制扫描步进位移与近场条件，即可实现太赫兹波的超分辨成像。
本发明的优点及有益效果：
本发明提出了一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像技术，利用太赫兹波在金属探针表面传播的表面等离激元强约束于探针针尖，形成远小于太赫兹波长量级的光斑尺寸，在探针的针尖末端进行近场扫描，即可实现超分辨成像，该发明装置简单，方便调节，易于探测，重点在于能够大幅度的提高太赫兹波的成像分辨率，这对未来太赫兹波在生物医学成像、无损检测等领域具有重大的应用前景。
附图说明
图1为基于金属探针的太赫兹超分辨成像技术的实验装置图。
图2为金属探针针尖末端沿径向的太赫兹光斑强度分布图。
附图标记：1为太赫兹辐射源，2为太赫兹棱镜，3为金属探针，4为开有小孔的金属挡板，5为待成像样品，6为垂直度检测模块，7为近场距离反馈模块，8为太赫兹探测器。
具体实施方式
为了能更加清楚地理解本发明的技术特征、目的和效果，现参照附图说明本发明的具体实施方式。
实施例一：
如图1所示：在沿太赫兹波传播的方向上依次有太赫兹辐射源(1)、太赫兹棱镜(2)、金属探针(3)、开有小孔的金属挡板(4)、待成像样品(5)、垂直度检测模块(6)、近场距离反馈模块(7)、太赫兹探测器(8)；其中太赫兹棱镜(2)与金属探针(3)之间采用表面接触式的Kretschmann耦合方式来激发起金属探针(3)上的太赫兹表面等离激元。
所述的太赫兹源(1)选用商用型雪崩二极管辐射出太赫兹波，频率为0.1THz，对应太赫兹波长为3mm，光场分布为高斯型，偏振态为线偏振。
太赫兹波经由太赫兹源(1)产生，辐射进入所述的太赫兹棱镜(2)，太赫兹棱镜(2)在0.1-4THz频段内的折射率为3.416。
太赫兹波经由太赫兹棱镜(2)前侧面折射后到达太赫兹棱镜(2)的上表面，在上表面产生倏逝波，太赫兹棱镜(2)的上表面放置金属探针(3)，太赫兹棱镜(2)与金属探针(3)之间表面接触，即金属导波光学中的Krestchemann耦合方式，太赫兹波则可以通过该种Krestchemann耦合方式以倏逝波的形式耦合进入金属探针(3)中传播，在金属探针(3)表面即形成所谓的太赫兹表面等离激元，沿着金属探针向前传播。
所述的金属探针(3)的针尖末端尺寸为10um，波长为3mm的太赫兹波以表面等离激元的形式传播至针尖末端，太赫兹光场局域至针尖尺寸微米量级，形成远小于波长的光斑尺寸。
值得一提的是，太赫兹表面等离激元只在金属探针(3)的表面进行传播，所以在针尖末端形成的光斑为环形分布的，且向自由空间迅速衰减和发散，所以要实现最优化的超分辨成像，针尖与待成像样品之间的距离必须满足近场条件。
所述的待成像样品经由二维电控平移台固定于金属探针(3)的针尖末端近场距离内，经过二维步进扫描，所述的太赫兹探测器(8)在待成像样品(5)后端收集样品表面每一个扫描点的太赫兹波强度信号，经由计算机绘图处理，即可得到该样品在太赫兹波段的超分辨成像。
值得一提的是，在金属探针(3)的针尖末端与待成像样品(5)的近场区域内分别放置垂直度检测模块(6)和近场距离反馈模块(7)来实时监控针尖末端与待成像样品(5)之间的距离，保持近场条件得以满足。
图2为金属探针(3)针尖末端沿探针径向的太赫兹光斑强度分布图，该图表明：在金属探针(3)的尺寸为10um针尖的末端形成环形辐射光斑，光斑大小为20um，远小于0.1THz的太赫兹波波长：3mm；从而实现基于金属探针的太赫兹超分辨成像。
Claims (5)
1.一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像装置，其特征在于：在沿太赫兹波传播的方向上依次有太赫兹辐射源(1)、太赫兹棱镜(2)、金属探针(3)、开有小孔的金属挡板(4)、待成像样品(5)、垂直度检测模块(6)、近场距离反馈模块(7)、太赫兹探测器(8)；其中太赫兹棱镜(2)与金属探针(3)之间采用表面接触式的Kretschmann耦合方式来激发起金属探针(3)上的太赫兹表面等离激元；其中金属探针(3)是任意一种金属材料制成的锥形探针。
2.根据权利要求1所述的基于金属探针的太赫兹超分辨成像装置，其特征在于在金属探针(3)的针尖与待成像样品(5)之间的近场区域内设置所述的垂直度检测模块(6)与近场距离反馈模块(7)，用来实时监测针尖与待成像样品之间的距离，满足进场条件的同时也保证样品与针尖一直处于完全垂直状态。
3.一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像方法，包括权利要求1-2所述的装置，其特征在于：
首先，将太赫兹辐射源(1)辐射出的太赫兹波照射于太赫兹棱镜(2)的前侧表面，太赫兹波经太赫兹棱镜(2)前侧表面的折射后到达太赫兹棱镜(2)的上表面；
然后，在太赫兹棱镜(2)的上表面放置金属探针(3)，金属探针(3)与太赫兹棱镜(2)之间采用Kretschmann耦合方式来激发太赫兹表面等离激元；
其次，太赫兹表面等离激元沿着金属探针(3)向前传播，在传播方向上放置开有小孔的金属挡板(4)以隔绝太赫兹棱镜(2)后侧面传播的太赫兹信号；
再次，太赫兹信号以表面等离激元的形式传输至金属探针(3)针尖处，针尖末端形成环形分布的太赫兹光斑；
最后，将待成像样品(5)经二维电控平移台固定于针尖末端近场区域内进行二维扫描，即可突破照明成像衍射极限从而实现超分辨成像。
4.根据权利要求3所述的基于金属探针的太赫兹超分辨成像方法，其特征是：所述的超分辨成像为万分之一波长的超分辨成像。
5.根据权利要求4所述的基于金属探针的太赫兹超分辨成像方法，其特征是：所述的超分辨成像的分辨率取决于针尖尺寸及扫描步进位移，针尖越细成像的分辨率越高。
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