CN111044481A - 近场显微***及其搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近场显微***及其搭建方法，包括红外/太赫兹激光器、光路耦合模块、原子力显微镜，可以对样品在亚波长尺度下进行形貌、理化和分子特征做精确的成像和成谱；红外/太赫兹双频段可调辐射的“光诱导热膨胀效应”，将材料热膨胀形变与红外/太赫兹特征吸收相关联，通过原子力探针直接提取材料结构性质信息。本发明无需在远端设置红外/太赫兹光学探测器，避免了由于长距离传输造成的信号剧烈衰减；无需设置参比光路，将显著增强材料亚波长结构信息探测的可重复性和可靠性；同时，本发明具有成像速度快，对生物体完全无害，分辨率高，能实现多模态同步输出等优点，与现有的主流医学成像手段形成了良好的互补。

Description

近场显微***及其搭建方法

技术领域

本发明设计生物医学检测技术领域，特别是设计一种近场显微***及其搭建方法。

背景技术

随着THz-TDS(太赫兹时域光谱)的发明和近年来的推广普及，电磁波在太赫兹频段的众多独特性质得以逐渐发现，众多生物和化学大分子的振动和转动频率均位于THz波段，从而掀起了基于THz-TDS成谱成像技术的研究热潮。THz-TDS采集物质在THz频段的频谱特性，使我们对物质在太赫兹频段的电磁响应有了一个清晰地认知，这也是进一步开展太赫兹工作的基础。

上述两种主流的用于物性或结构表征的太赫兹技术手段，发展至今日，均开始停滞不前。纠其原因，主要是因为当前广泛使用的这些太赫兹时域光谱***由于其辐射源的原因，普遍存在信噪比低、动态范围窄、光路复杂等缺点，为克服这些不足就急需开发宽谱激射的窄带增益THz QCL(太赫兹量子级联激光器)。

而随后发展起来的可以弥补THz TDS只能基于远场太赫兹信号进行成谱成像而无法用于亚波长精细结构表征的近场太赫兹成像技术，则存在一个致命的缺陷，那就是它需要用到太赫兹探测器。虽然太赫兹技术从被发掘到迅猛发展已经经历了较长一段时间，但是高速太赫兹探测器仍然鲜有突破，这就使得现有的近场太赫兹成像技术难以对待测对象一些快速的瞬态行为进行表征。

因此，如何设计一种能应用于近场太赫兹成像技术，且无需太赫兹探测器的近场成像***已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

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近场显微***及其搭建方法，用于解决现有技术中无法用于近场太赫兹成像技术、难以对待测对象快速瞬态行为进行表征等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种近场显微***，所述近场显微***至少包括：

太赫兹量子级联激光器，用于提供宽频谱的太赫兹激光；

光路耦合模块，接收激光并将激光聚焦到样品上；

原子力显微镜，用于加载所述样品，并基于光诱导热膨胀效应将所述样品的热膨胀形变与激光特征吸收相关联，以提取所述样品的结构性质信息。

可选地，所述太赫兹量子级联激光器包括：

共振腔及设置于所述共振腔内的太赫兹量子级联激光器件；

所述太赫兹量子级联激光器件包括衬底，设置于所述衬底上的下接触层，分别设置于所述下接触层上的波导及下电极，以及设置于所述波导上的上电极；所述波导包括有源区及位于所述有源区上的上接触层，其中，所述有源区包括交替叠置的至少一层GaAs层及至少一层AlGaAs层。

更可选地，所述衬底的材质包括GaAs，所述下接触层的材质包括n型GaAs，所述上接触层的材质包括n型GaAs。

更可选地，所述太赫兹量子级联激光器件与所述共振腔的腔面之间设置有单层或多层石墨烯。

可选地，所述太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹激光的频谱范围为2～5THz，谱宽为900GHz以上。

可选地，所述太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹激光的脉冲输出功率不低于1W。

可选地，所述太赫兹量子级联激光器的工作频段数量不少于2个，频率±5％内连续可调。

可选地，所述光路耦合模块包括抛物面镜、反射镜和透镜组的组合。

更可选地，所述光路耦合模块包括依次设置于激光传播方向上的第一抛物面镜、第二抛物面镜、第三抛物面镜、反射镜及透镜组；所述第一抛物面镜用于聚光，所述第二抛物面镜及所述第三抛物面镜用于缩束，所述反射镜用于调整光路传播方向，所述透镜组用于聚光。

更可选地，所述第一抛物面镜的焦距设定为50mm-500mm。

可选地，所述太赫兹量子级联激光器的汇聚光光斑的直径为100～800μm；所述太赫兹量子级联激光器的平行光光斑的直径为1mm～2cm。

可选地，所述原子力显微镜包括移动平台、原子力探针、多模态同步信号采集单元；

所述移动平台用于实现三维移动，以调整所述样品的位置；

所述原子力探针设置于所述样品上，用于在所述样品热膨胀时产生共振；

所述多模态同步信号采集单元与所述原子力探针连接，采集所述原子力探针的振荡信号，进而检测到所述样品的近场信息。

可选地，所述原子力显微镜对入射激光的输出强度调制范围为0.06％～100％。

可选地，所述近场显微***还包括红外激光器，所述红外激光器用于提供红外激光，通过所述光路耦合模块为所述原子力显微镜提供入射激光。

可选地，所述红外激光的频谱范围为800-2000cm^-1。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述近场显微***的搭建方法，所述搭建方法至少包括：

设计一具有宽频谱的太赫兹量子级联激光器；

搭建耦合光路，将激光聚焦到样品上；

在X、Y方向上扫描激光最优化位置，精确调节激光聚焦到样品上，基于光诱导热膨胀效应提取所述样品的结构性质信息。

可选地，设计所述太赫兹量子级联激光器的方法包括：

采用蒙特卡洛模拟方法对太赫兹量子级联激光器的载流子输运和光输出特性进行定量分析，对不同频点的有源区结构参数及所述有源区刻蚀后形成的波导的形状进行优化改进，确定所述有源区的势垒和厚度、所述上接触层的厚度、所述下接触层的厚度及所述波导的形状；

提供一衬底，于所述衬底表面依次沉积下接触层、有源区及上接触层；

基于优化后的所述有源区结构参数及所述波导的形状刻蚀所述上接触层及所述有源区，形成所述波导；

于所述下接触层上形成下电极，于所述上接触层上形成上电极，以形成太赫兹量子级联激光器件。

更可选地，形成所述波导的方法包括：

首先采用干法刻蚀对所述上接触层及所述有源区进行初步刻蚀，以得到掩膜图案的大致结构；

然后采用湿法刻蚀对所述上接触层及所述有源区进行各向异性刻蚀，以得到所需的波导。

更可选地，形成太赫兹量子级联激光器件后还包括对所述太赫兹量子级联激光器进行主动锁模，包括：

测量所述太赫兹量子级联激光器的散射系数，根据所述散射系数设计微带线以实现阻抗匹配；

将直流电压及微波信号加载到所述太赫兹量子级联激光器上，根据太赫兹量子级联激光器在不同微波信号注入调制频率和功率情况对所述太赫兹量子级联激光器进行锁模，并确定锁模后的发射谱。

更可选地，形成太赫兹量子级联激光器件后还包括对所述太赫兹量子级联激光器进行被动锁模，包括：

于所述太赫兹量子级联激光器件与所述共振腔的腔面之间设置石墨烯材料，优化所述石墨烯材料的厚度及层数实现被动锁模。

可选地，搭建耦合光路的方法包括：

提供一可见激光，于所述可见激光的出射端设置一发散装置，以将所述可见激光变为发散的点光源，基于所述发散的点光源调节所述光路耦合模块中各抛物面镜、反射镜及透镜组的参数，实现光束在样品上的聚焦；

采用所述太赫兹量子级联激光器替换所述可见激光及所述发散装置，所述太赫兹量子级联激光器发射的激光与所述点光源的光路重合。

如上所述，本发明的近场显微***及其搭建方法，具有以下有益效果：

本发明利用基于太赫兹辐射的“光诱导热膨胀效应”，将材料热膨胀形变与THz特征吸收相关联，通过原子力探针直接提取材料结构性质信息，可获得样品特定微观区域的纳米尺度高分辨(空间分辨率小于50nm)近场太赫兹光谱。相较于传统太赫兹近场光学技术而言，该方法无需在远端设置太赫兹光学探测器(采集由太赫兹近场效应产生的隐失场转换成传播场的光学信息)，避免了由于长距离传输造成的信号剧烈衰减，最大程度上排除了环境因素对信号的干扰，不会造成信号的漂移(与传统远场表征结果一致)；无需设置参比光路，将显著增强材料亚波长结构信息探测的可重复性和可靠性。

本发明在得到材料近场太赫兹光谱的情况下，可以针对不同材料的太赫兹特征吸收峰，采用接触共振技术，在选定波数下对材料进行化学成像，即对特定结构成分进行二维表征，精准地区分材料的结构组成和空间分布，空间分辨率有望实现50nm。此外，使用接触模式可以获取材料形变信号在单一太赫兹脉冲时间内逐渐衰减的情况，而这种衰减频率与材料的机械性能密切相关。因此，在获取材料纳米太赫兹图像和光谱信息的同时，还可以得到材料的纳米机械性能，这是其他测试方法所无法同步实现的。

本发明将原子力显微技术与多频谱太赫兹辐射源有机整合，填补太赫兹间隙，开发新型的原子力-太赫兹近场光学显微技术，实现近场太赫兹的纳米成像和纳米光谱同步采集，获取材料的微观形貌、结构组成和机械性能等综合信息，形成全面评价材料性质的新方法。

本发明在延续太赫兹光学技术无损探测、特征吸收等优势的同时，将突破传统光学技术衍射极限的限制，实现在纳米尺度下对材料形貌、组分、力学等关键性质的精准测量，***反映材料的综合性质特征，是未来诸多热点科研领域中十分必要的专业仪器设备，开展相关研究将填补国际上该类仪器设备的空白，具有重大的理论和实际意义。

附图说明

图1显示为本发明的基于原子力显微镜的红外/太赫兹近场显微***的结构示意图。

图2显示为本发明的近场显微***的主体结构示意图。

图3显示为沉积本发明的太赫兹量子级联激光器件各材料层的示意图。

图4显示为刻蚀形成本发明的太赫兹量子级联激光器件的波导的示意图。

图5显示为本发明的太赫兹量子级联激光器件的结构示意图。

图6显示为本发明的太赫兹量子级联激光器主动锁模的设备。

图7显示为本发明基于热膨胀实现近场探测的原理示意图。

图8显示为本发明的近场显微***中生物材料在1600cm^-1频段的红外近场吸收图。

图9显示为本发明的近场显微***中生物材料在1631cm^-1频段的红外近场吸收图。

图10显示为本发明的近场显微***中生物材料在1648cm^-1频段的红外近场吸收图。

图11显示为本发明的近场显微***中生物材料在1710cm^-1频段的红外近场吸收图。

图12显示为本发明的近场显微***八通道多模态同步信号采集的示意图。

图13显示为本发明的近场显微***中脑胶质瘤切片样本在2.5THz太赫兹波段下的吸收成像示意图。

图14显示为本发明的近场显微***中脑胶质瘤切片样本在3.4THz太赫兹波段下的吸收成像示意图。

图15显示为本发明的近场显微***中脑胶质瘤切片样本在4.3THz太赫兹波段下的吸收成像示意图。

元件标号说明

1 激光器

11 太赫兹量子级联激光器

12 红外激光器

2 光路耦合模块

21 第一抛物面镜

22 第二抛物面镜

23 第三抛物面镜

24 反射镜

3 原子力显微镜

31 移动平台

32 样品台

33 原子力探针

41 衬底

42 下接触层

43 有源区

44 上接触层

45 波导

46 下电极

47 上电极

51 微波信号产生装置

52 定向耦合器

53 电源

54 激光器调制接口

55 太赫兹量子级联激光器

56 频谱分析仪

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～图15。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。

基于非辐射场的探测与成像原理，近场光学能够突破传统光学所受到的衍射极限，可以在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。本发明将近场的概念引入到红外/太赫兹成谱成像技术中来，开发出一套基于近场散射信号的可用于对亚波长精细结构表征的超衍射近场红外/太赫兹光谱仪，无疑将是一里程碑式的成果。它的出现，将成功解决长久以来困扰太赫兹技术研究人员的诸多瓶颈问题。例如如何实现对有太赫兹频段特定指纹谱的毒品、***物等危险品的微粒级痕量检测；如何利用非侵入性的太赫兹辐射从细胞甚至更加微观的层面对活体生物组织进行无损研究；如何表征新型人造太赫兹超材料结构在太赫兹辐射作用下的微观行为。上述这些难题的解决，势必又将掀起太赫兹技术研究新的热潮。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种基于原子力显微镜的红外/太赫兹近场显微***，所述基于原子力显微镜的红外/太赫兹近场显微***包括：太赫兹量子级联激光器、红外激光器、样品腔、CCD图像传感器、太赫兹近场光谱成像***、红外近场光谱成像***及计算机。其主体结构如图2所示，包括：激光器1，光路耦合模块2及原子力显微镜3。

如图2所示，所述激光器1用于提供激光，作为光源。

具体地，在本实施例中，所述激光器1包括太赫兹量子级联激光器11及红外激光器12，所述太赫兹量子级联激光器11及红外激光器12具有相同或对称的光路，所述红外激光的频谱范围为800-2000cm^-1。

需要说明的是，所述激光器1可以仅包括所述太赫兹量子级联激光器11，也可以仅包括所述红外激光器12，不以本是例为限。本实施例中，既包括所述太赫兹量子级联激光器11又包括所述红外激光器12，所述太赫兹量子级联激光器11与所述红外激光器12同一时间仅一个作为光源，可兼顾太赫兹和红外激光的应用，功能更全面。

更具体地，所述太赫兹量子级联激光器11包括共振腔及设置于所述共振腔内的太赫兹量子级联激光器件；所述太赫兹量子级联激光器件用于产生受激辐射的光子，所述共振腔用于使所述受激辐射的光子振荡，并通过对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。所述太赫兹量子级联激光器11主要包括设计和研制高性能宽谱太赫兹量子级联激光器件，以及宽谱太赫兹量子级联激光器的主动锁模、被动锁模及频梳。

所述太赫兹量子级联激光器件的设计包括：

11)采用蒙特卡洛模拟方法，基于传输矩阵、密度矩阵优化设计所述太赫兹量子级联激光器件的有源区结构和波导结构。

具体地，采用蒙特卡洛模拟方法对太赫兹量子级联激光器件的载流子输运和光输出特性进行定量分析；基于分析结果对所述太赫兹量子级联激光器件的参数进行了优化，以设计出低阈值、高增益的太赫兹量子级联激光器件有源区结构。对不同频点的有源区结构参数及所述有源区刻蚀后形成的波导的形状进行优化改进，确定的参数包括但不限于所述有源区的势垒和厚度、所述上接触层的厚度、所述下接触层的厚度及所述波导的形状，准确评估器件的载流子输运和输出增益特性，以实现太赫兹量子级联激光器件的谱宽达到900GHz以上。

12)制备所述太赫兹量子级联激光器件，本实施例制备单面金属波导结构的太赫兹量子级联激光器件，有助于提高太赫兹量子级联激光器件的远场光束质量。具体包括，

121)如图3所示，提供一衬底41，于所述衬底表面依次外延生长下接触层42、有源区43及上接触层44，所述衬底41的材质包括GaAs，所述下接触层42的材质包括n型GaAs，所述上接触层44的材质包括n型GaAs。其中，所述有源区43采用多周期级联结构，每个周期由GaAs/AlGaAs叠置形成的多量子阱结构组成。通过控制分子束外延生长GaAs/AlGaAs材料的速率稳定性、组分和掺杂精确度，从而生长出高质量太赫兹量子级联激光器件有源区结构。多量子阱势垒和阱的厚度直接决定太赫兹量子级联激光器件的激光能量。

122)如图4所示，基于优化后的所述有源区结构参数及所述波导的形状刻蚀所述上接触层44及所述有源区43，形成所述波导45。本实施例中，采用的干法和湿法结合刻蚀技术，首先采用干法刻蚀对所述上接触层44及所述有源区43进行初步刻蚀，以得到掩膜图案的大致结构；然后采用湿法刻蚀对所述上接触层44及所述有源区43进行各向异性刻蚀，最终精确控制波导刻蚀深度，同时减小刻蚀对器件的损伤，提高器件工作性能。对研制的THzQCL器件进行电流-电压、输出功率和发射谱的表征。

123)如图5所示，采用电子束蒸发于所述下接触层42上形成下电极46，于所述上接触层44上形成上电极47。并采用芯片封装技术对所述太赫兹量子级联激光器件进行封装。

如图5所示，由此可得到高性能宽谱太赫兹量子级联激光器件，包括衬底41，设置于所述衬底41上的下接触层42，分别设置于所述下接触层42上的波导45及下电极46，以及设置于所述波导45上的上电极47；所述波导45包括有源区43及位于所述有源区43上的上接触层44，其中，所述有源区45包括交替叠置的至少一层GaAs层及至少一层AlGaAs层。

所述太赫兹量子级联激光器11的主动锁模包括：

21)采用网络分析仪测量所述太赫兹量子级联激光器的散射系数(S参数)，根据所述散射系数设计微带线以实现阻抗匹配。

22)然后基于如图6所示的实验设备，从微波信号产生装置51获取微波信号，从电源53获取直流电压，微波信号通过定向耦合器52及激光器调制接口54加载到所述太赫兹量子级联激光器55上，直流电压经激光器调制接口54加载到所述太赫兹量子级联激光器55上，太赫兹量子级联激光器55的拍频信号和微波信号由频谱分析仪56测量，根据太赫兹量子级联激光器在不同微波信号注入调制频率和功率情况对所述太赫兹量子级联激光器进行锁模，研究折射率色散关系在宽谱太赫兹量子级联激光器锁模中的决定性因素，锁模之后的太赫兹量子级联激光器发射谱通过傅里叶变换光谱仪测量。

所述太赫兹量子级联激光器11的被动锁模包括：

在可见激光和近红外波段，基于饱和吸收的激光锁模已经比较成熟。然而在太赫兹波段，由于缺少高功率激光器和饱和吸收体，目前还没有科研人员实现被动锁模。本发明拟在太赫兹量子级联激光器件中集成石墨烯材料以实现被动锁模，二维材料石墨烯在全波段具有饱和吸收的特性。如图7所示，将单层或多层石墨烯集成在太赫兹量子级联激光器件与所述共振腔的反/透射腔面之间，太赫兹光子每经过一次石墨烯材料就会发生一次吸收，从而达到调制损失的目的。通过优化太赫兹量子级联激光器件的结构和所述石墨烯材料的厚度及层数，实现太赫兹量子级联激光器的被动锁模。

本实施例的所述太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹激光的频谱范围为2～5THz，谱宽为900GHz以上。所述太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹激光的脉冲输出功率不低于1W。所述太赫兹量子级联激光器的工作频段数量不少于2个(本实施例中，为3个，分别为2.5THz、3.4THz及4.3THz)，频率±5％内连续可调。

如图2所示，所述光路耦合模块2接收激光，并将激光聚焦到样品上。

具体地，在本实施例中，所述光路耦合模块2接收的激光可以是太赫兹激光，也可以是红外激光。

具体地，所述光路耦合模块2包括抛物面镜、反射镜和透镜组的组合，任意可将激光缩束、聚焦、引导至样品的设置方式均适用于本发明，不以本实施例为限。在本实施例中，所述光路耦合模块2包括依次设置于激光传播方向上的第一抛物面镜21、第二抛物面镜22、第三抛物面镜23、反射镜24及透镜组(图中未显示)。所述第一抛物面镜21接收激光，用于聚光，在本实施例中，所述第一抛物面镜21为2英寸的抛物面镜，其焦距设定为50mm～500mm，使点光源(激光)的光斑达到2英寸左右。所述第二抛物面镜22及所述第三抛物面镜23用于缩束，所述第二抛物面镜22接收所述第一抛物面镜21出射的光，所述第三抛物面镜23接收所述第二抛物面镜22出射的光，在本实施例中，所述第二抛物面镜22为2英寸的抛物面镜，所述第三抛物面镜23为1英寸的抛物面镜，所述第三抛物面镜23出射的点光源的光斑达到1英寸左右。所述反射镜24用于调整光路传播方向，所述透镜组用于聚光。在本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器的汇聚光光斑的直径为100～800μm；所述太赫兹量子级联激光器的平行光光斑的直径为1mm～2cm。

如图2所示，所述原子力显微镜3，用于加载所述样品，并基于光诱导热膨胀效应将所述样品的热膨胀形变与激光特征吸收相关联，以提取所述样品的结构性质信息。

具体地，所述原子力显微镜3包括移动平台31、样品台32、原子力探针33及多模态同步信号采集单元(图中未显示)。所述移动平台31用于实现三维(X，Y，Z方向)移动，以调整所述样品的位置；所述样品台32设置于所述移动平台31上，用于加载样品；所述原子力探针33设置于所述样品上，与所述样品接触，用于在所述样品热膨胀时产生共振；所述多模态同步信号采集单元与所述原子力探针33连接，采集所述原子力探针33的振荡信号，进而检测到所述样品的近场信息。

具体地，如图7所示，所述原子力显微镜3采用光热诱导共振技术，样品分子经过导入激光的照射后会发生快速振动产生热量，导致样品发生热膨胀，而样品的热膨胀会引起与目标区域接触的所述原子力探针33产生震荡共振，所述多模态同步信号采集单元将该振荡信号提取出来并做处理，即可以得到相应的近场信号。

具体地，所述原子力显微镜3通过软件控制一系列衰减片的位置来调制激光输出强度0.06％～100％可变；X、Y方向上调节导入光路中光学元件的位置(精度达10微米)，自动扫描激光最优化位置，从而精确调节激光聚焦到所述原子力探针33，得到最优化的光学参数，提取信噪比高的近场光学信号；所述原子力显微镜3可对背景信号进行压制，有效提取有用的近场信号，确保可靠、稳定、高信噪比的近场红外/太赫兹测试结果，如图8～图11所示，生物材料分别在1600cm^-1、1631cm^-1、1648cm^-1、1710cm^-1频段的红外近场吸收图，图像清晰，信息可靠。同时可对选取的测试数据进行简单处理(加法、减法、乘法、除法)，得到所需信息，实现八通道多模态同步信号采集与提取分析(如高度、相位、近场强度等)，支持光谱采集和成像全方位信号采集，如图12所示。

所述近场显微***的搭建主要包括：

31)提供一具有宽频谱的太赫兹量子级联激光器，所述太赫兹量子级联激光器的设计方法如上文所述，在此不一一赘述。

32)搭建耦合光路，将激光聚焦到样品上。所述太赫兹量子级联激光器11或所述红外激光器12与所述原子力显微镜的耦合光路的搭建，包括：

321)选择合适的引导光。由于红外/太赫兹光不可见，在调试过程中带来很大困难，因而本发明在光路校准过程中采用可见激光作为引导光来辅助校准激光，如图2中虚线所示光路。本实施例中，采用可见绿光作为引导光，波长为532nm。任意可见激光均适用于本发明，不以本实施例为限。

322)引导光路的调节。可见激光通过一个2英寸的抛物面镜(焦距50mm-500mm)进行光汇聚，使可见激光光斑达到2英寸左右；随后将可见激光相继通过一个2英寸的抛物面镜和一个1英寸的抛物面镜进行缩束，使可见激光光斑达到1英寸左右；然后可见激光再依次通过反射镜和透镜组后将准确聚焦到原子力针尖的位置。最后，借助于原子力显微镜辅助观测，通过微调使绿光恰好聚焦到探针针尖位置。

323)太赫兹激光的引入。将太赫兹激光(如图2中实线所示光路)准确取代绿光完美重合，此时可认为太赫兹激光光路与绿光光路已完全重合，太赫兹激光经过物镜和透镜组后将准确聚焦到针尖的位置。本发明可以提供真实的太赫兹吸收光谱，无能带失真和峰位偏移。

需要说明的是，为了模拟太赫兹点光源的特点，在可见激光前面放置以散射装置，在本实施例中，采用半透明的白纸使可见激光变为发散的点光源，更准确的模拟太赫兹激光的位置。

33)在X、Y方向上扫描激光最优化位置，精确调节激光聚焦到样品上，基于光诱导热膨胀效应提取所述样品的结构性质信息。

实施例二

本实施例基于原子力显微镜的红外/太赫兹近场显微***提供一种太赫兹医学成像检测仪。首先利用上述方法制作一种基于原子力的太赫兹医学成像检测仪，再利用该成像检测仪实现对人体脑组织进行实时的功能成像。人脑是人体最复杂、最重要的一个部位，安全、精确、快速地对人脑组织实时成像，将为现代医学提供一种极其有价值的检验手段，对人类的健康有着极其重大的意义。

所述基于原子力的太赫兹医学成像检测仪的工作原理如下：首先是太赫兹宽频谱、频段可切换的量子级联激光器的研发，然后太赫兹量子级联激光器与近场显微镜的光路耦合，而后是基于原子力的太赫兹信号的调节，最后是采集生物样本，通过原子力探针采集信号送到计算机端进行功能成像成谱。

器件的设计、制备、***的搭建方法均与上文一致，在此不一一赘述。

将所述基于原子力的太赫兹医学成像检测仪应用于以脑胶质瘤的组织切片作为近场生物样品的样本检测。包括：

将脑胶质瘤的组织切片放置于原子力显微镜的载物台上，初步定位检测样品的位置。

通过软件控制，自动聚焦探针位置和样品位置，实现工作区域的定位。

设定合适的太赫兹光源强度，软件寻找到最优化的光斑参数，调试得到最大的信号强度。则可实现太赫兹信号的最优化设置。

本实施例中，可以设定2-5太赫兹的谱线采集区间，进行样本定点的谱线采集，得到某一特征位置的吸收曲线，用来判定该处样本是否发生病变。同时可以固定某一激光频率，对一定范围内的样本(如100μm*100μm)进行太赫兹吸收强度图的采集，用来界定病变样本的边界。如图13～图15所示，脑胶质瘤切片样本在三个不同太赫兹波段下的吸收成像，可见样本在2.5THz、3.4THz及4.3THz均能成像，且在4.3THz波段成像最清晰，在实际应用中，不同样品可能在不同频段成像最清晰，不以本实施例为限。

综上所述，本发明提供一种近场显微***及其搭建方法，所述近场显微***至少包括红外/太赫兹激光器、光路耦合模块、原子力显微镜，可以对样品在亚波长尺度下(纳米到百纳米量级)进行形貌、理化和分子特征做精确的成像和成谱。红外/太赫兹双频段可调辐射的“光诱导热膨胀效应”，将材料热膨胀形变与红外/太赫兹特征吸收相关联，通过原子力探针直接提取材料结构性质信息。该方法无需在远端设置红外/太赫兹光学探测器，避免了由于长距离传输造成的信号剧烈衰减；无需设置参比光路，将显著增强材料亚波长结构信息探测的可重复性和可靠性。该成像仪具有成像速度快，对生物体完全无害，分辨率高，能实现多模态同步输出，与现有的主流医学成像手段形成了良好的互补。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 (21)

1.一种近场显微***，其特征在于，所述近场显微***至少包括：

太赫兹量子级联激光器，用于提供宽频谱的太赫兹激光；

光路耦合模块，接收激光并将激光聚焦到样品上；

原子力显微镜，用于加载所述样品，并基于光诱导热膨胀效应将所述样品的热膨胀形变与激光特征吸收相关联，以提取所述样品的结构性质信息。

2.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器包括：

共振腔及设置于所述共振腔内的太赫兹量子级联激光器件；

所述太赫兹量子级联激光器件包括衬底，设置于所述衬底上的下接触层，分别设置于所述下接触层上的波导及下电极，以及设置于所述波导上的上电极；所述波导包括有源区及位于所述有源区上的上接触层，其中，所述有源区包括交替叠置的至少一层GaAs层及至少一层AlGaAs层。

3.根据权利要求2所述的近场显微***，其特征在于：所述衬底的材质包括GaAs，所述下接触层的材质包括n型GaAs，所述上接触层的材质包括n型GaAs。

4.根据权利要求2所述的近场显微***，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器件与所述共振腔的腔面之间设置有单层或多层石墨烯。

5.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹激光的频谱范围为2THz～5THz，谱宽为900GHz以上。

6.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹激光的脉冲输出功率不低于1W。

7.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的工作频段数量不少于2个，频率±5％内连续可调。

8.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述光路耦合模块包括抛物面镜、反射镜和透镜组的组合。

9.根据权利要求8所述的近场显微***，其特征在于：所述光路耦合模块包括依次设置于激光传播方向上的第一抛物面镜、第二抛物面镜、第三抛物面镜、反射镜及透镜组；所述第一抛物面镜用于聚光，所述第二抛物面镜及所述第三抛物面镜用于缩束，所述反射镜用于调整光路传播方向，所述透镜组用于聚光。

10.根据权利要求9所述的近场显微***，其特征在于：所述第一抛物面镜的焦距设定为50mm～500mm。

11.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的汇聚光光斑的直径为100μm～800μm；所述太赫兹量子级联激光器的平行光光斑的直径为1mm～2cm。

12.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述原子力显微镜包括移动平台、原子力探针、多模态同步信号采集单元；

所述移动平台用于实现三维移动，以调整所述样品的位置；

所述原子力探针设置于所述样品上，用于在所述样品热膨胀时产生共振；

所述多模态同步信号采集单元与所述原子力探针连接，采集所述原子力探针的振荡信号，进而检测到所述样品的近场信息。

13.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述原子力显微镜对入射激光的输出强度调制范围为0.06％～100％。

14.根据权利要求1所述的近场显微***，其特征在于：所述近场显微***还包括红外激光器，所述红外激光器用于提供红外激光，通过所述光路耦合模块为所述原子力显微镜提供入射激光。

15.根据权利要求14所述的近场显微***，其特征在于：所述红外激光的频谱范围为800cm^-1～2000cm^-1。

16.一种如权利要求1～14任意一项所述的近场显微***的搭建方法，其特征在于，所述搭建方法至少包括：

设计一具有宽频谱的太赫兹量子级联激光器；

搭建耦合光路，将激光聚焦到样品上；

在X、Y方向上扫描激光最优化位置，精确调节激光聚焦到样品上，基于光诱导热膨胀效应提取所述样品的结构性质信息。

17.根据权利要求16所述的搭建方法，其特征在于：设计所述太赫兹量子级联激光器的方法包括：

采用蒙特卡洛模拟方法对太赫兹量子级联激光器的载流子输运和光输出特性进行定量分析，对不同频点的有源区结构参数及所述有源区刻蚀后形成的波导的形状进行优化改进，确定所述有源区的势垒和厚度、所述上接触层的厚度、所述下接触层的厚度及所述波导的形状；

提供一衬底，于所述衬底表面依次沉积下接触层、有源区及上接触层；

基于优化后的所述有源区结构参数及所述波导的形状刻蚀所述上接触层及所述有源区，形成所述波导；

于所述下接触层上形成下电极，于所述上接触层上形成上电极，以形成太赫兹量子级联激光器件。

18.根据权利要求17所述的搭建方法，其特征在于：形成所述波导的方法包括：

首先采用干法刻蚀对所述上接触层及所述有源区进行初步刻蚀，以得到掩膜图案的大致结构；

然后采用湿法刻蚀对所述上接触层及所述有源区进行各向异性刻蚀，以得到所需的波导。

19.根据权利要求17～18任意一项所述的搭建方法，其特征在于：形成太赫兹量子级联激光器件后还包括对所述太赫兹量子级联激光器进行主动锁模，包括：

测量所述太赫兹量子级联激光器的散射系数，根据所述散射系数设计微带线以实现阻抗匹配；

将直流电压及微波信号加载到所述太赫兹量子级联激光器上，根据太赫兹量子级联激光器在不同微波信号注入调制频率和功率情况对所述太赫兹量子级联激光器进行锁模，并确定锁模后的发射谱。

20.根据权利要求17～18任意一项所述的搭建方法，其特征在于：形成太赫兹量子级联激光器件后还包括对所述太赫兹量子级联激光器进行被动锁模，包括：

于所述太赫兹量子级联激光器件与所述共振腔的腔面之间设置石墨烯材料，优化所述石墨烯材料的厚度及层数实现被动锁模。

21.根据权利要求16所述的搭建方法，其特征在于：搭建耦合光路的方法包括：

提供一可见激光，于所述可见激光的出射端设置一发散装置，以将所述可见激光变为发散的点光源，基于所述发散的点光源调节所述光路耦合模块中各抛物面镜、反射镜及透镜组的参数，实现光束在样品上的聚焦；

采用所述太赫兹量子级联激光器替换所述可见激光及所述发散装置，所述太赫兹量子级联激光器发射的激光与所述点光源的光路重合。

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