RU2767156C1 - Terahertz subwave scanning microscope - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring and diagnostic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measuring and diagnostic equipment, more specifically to near-field microscopy in the terahertz (THz) spectral region. The terahertz subwavelength scanning microscope contains a continuous laser, a galvanometer with mirrors for x-y scanning, a beam expander, a focusing lens, a terahertz radiation emitter, an optical cryostat, a spectrometer, an incoherent terahertz radiation detector, parabolic mirrors for collecting and delivering terahertz radiation to incoherent terahertz radiation. The emitter is placed in an optical cryostat and is a subject stage for an object, and is made in the form of a layer of semiconductor material that absorbs laser radiation. A layer of semiconductor material is located on a highly doped semiconductor substrate that is transparent to laser radiation and absorbs terahertz radiation.

EFFECT: microscope provides a simplified design while maintaining resolution.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной и диагностической технике, а более конкретно к ближнеполевой микроскопии в терагерцовой (ТГц) области спектра. Оно предназначено для диагностики различных объектов при низких температурах с субволновым пространственным разрешением и разрешением по спектру.The invention relates to measuring and diagnostic equipment, and more specifically to near-field microscopy in the terahertz (THz) region of the spectrum. It is intended for diagnostics of various objects at low temperatures with subwavelength spatial resolution and spectral resolution.

Известен терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп (см. заявку US 2007181811 A1, МПК G01N 21/3581, опубликована 27.10.2007). Микроскоп состоит из источника терагерцового излучения и системы электрооптического детектирования, включающей пластинку электрооптического кристалла, зондирующий лазер, делитель пучка, балансный детектор и систему обработки данных. Субволновое разрешение достигается за счет локализации области детектирования терагерцового излучения при размещении тонкой пластинки электрооптического кристалла в непосредственной близости к исследуемому объекту и уменьшении размера пятна зондирующего лазера. В этом случае возможна регистрация терагерцового излучения от объекта в ближнем поле. Размер области локализации будет определяться толщиной электрооптического кристалла, его расстоянием до объекта и размером пятна зондирующего лазера на кристалле. Электрооптический кристалл дополнительно помещают в резонатор для усиления терагерцового поля, что несколько повышает чувствительность измерений. Сканирование можно осуществлять за счет перемещения пятна зондирующего лазера по поверхности электрооптического кристалла.Known terahertz subwavelength scanning microscope (see application US 2007181811 A1, IPC G01N 21/3581, published 27.10.2007). The microscope consists of a terahertz radiation source and an electro-optical detection system, including a plate of an electro-optical crystal, a probing laser, a beam splitter, a balanced detector, and a data processing system. Subwavelength resolution is achieved by localizing the detection region of terahertz radiation by placing a thin plate of an electro-optical crystal in close proximity to the object under study and by reducing the size of the probing laser spot. In this case, it is possible to register terahertz radiation from an object in the near field. The size of the localization region will be determined by the thickness of the electrooptical crystal, its distance from the object, and the size of the probing laser spot on the crystal. An electrooptical crystal is additionally placed in a resonator to amplify the terahertz field, which slightly increases the measurement sensitivity. Scanning can be performed by moving the probing laser spot over the surface of the electro-optical crystal.

Основным недостатком данного субволнового микроскопа является крайне низкое соотношение сигнал/шум, обусловленное применением ТГц электрооптического детектирования в тонком (субмикронной толщины) электрооптическом кристалле, а также тем, что на детектор поступает только малая доля волнового фронта анализируемого ТГц излучения.The main disadvantage of this subwavelength microscope is the extremely low signal-to-noise ratio due to the use of THz electro-optical detection in a thin (submicron thickness) electro-optical crystal, as well as the fact that only a small fraction of the wavefront of the analyzed THz radiation enters the detector.

Известен терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп (см. заявку PCT/CN 2014/073368, МПК G01N 21/3581, опубликована 2015-02-05). ТГц излучение генерируется в воздухе в условиях распространения в филаменте (в области пробоя воздуха интенсивным лазерным излучением) фемтосекундных импульсов титан сапфирового лазера на основной (800 нм) и второй (400 нм) гармониках. Сверхволновое разрешение достигалось путем расположения керамического предметного столика с изучаемым объектом в непосредственной близости от филамента. Диаметр сканирующего пучка ТГц излучения при этом удавалось получить от 20 до 50 мкм, а пространственное разрешение достигало 20 мкм. Микроскоп состоит из фемтосекундного лазера с длиной волны 800 нм, формирующей оптики, нелинейного кристалла ВВО (бета-бората бария) для генерации второй гармоники лазера, керамического предметного столика, оптической системы для сбора и доставки излучения к детектору, когерентного детектора терагерцового излучения.Known terahertz subwavelength scanning microscope (see application PCT/CN 2014/073368, IPC G01N 21/3581, published 2015-02-05). THz radiation is generated in air under conditions of propagation in the filament (in the region of air breakdown by intense laser radiation) of femtosecond pulses of a titanium sapphire laser at the fundamental (800 nm) and second (400 nm) harmonics. Superwave resolution was achieved by placing a ceramic object stage with the object under study in the immediate vicinity of the filament. In this case, it was possible to obtain the diameter of the scanning beam of THz radiation from 20 to 50 μm, and the spatial resolution reached 20 μm. The microscope consists of a femtosecond laser with a wavelength of 800 nm, forming optics, a nonlinear BBO crystal (barium beta-borate) for generating the second harmonic of the laser, a ceramic object stage, an optical system for collecting and delivering radiation to the detector, and a coherent terahertz radiation detector.

Недостатком является необходимость использования дорогостоящего фемтосекундного лазера большой мощности для достижения пробоя воздуха (филаментации) и генерации второй гармоники лазера, а также необходимость когерентного детектирования полезного ТГц сигнала.The disadvantage is the need to use an expensive high-power femtosecond laser to achieve air breakdown (filamentation) and generation of the second harmonic of the laser, as well as the need for coherent detection of the useful THz signal.

Известен терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп (см. "Scanning laser terahertz near-field imaging system", K. Serita, S. Mizuno, H. Murakami, I. Kawayama, Y. Takahashi, N. Yoshimura, Y. Mori, J. Darmo, V. Tonouchi, Optics Express, 20 (12), 12959-12965 (2012)), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Микроскоп-прототип содержит фемтосекундный лазер с длиной волны 1.56 мкм, гальванометр с зеркалами для х-у сканирования, расширитель пучка, фокусирующую линзу, эмиттер терагерцового излучения в виде тонкой пластинки нелинейного оптического кристалла DASC (4'-dimenthylamino-N-methyl-4-stilbazolium р-chlorobenzenesulfonate) толщиной 200 мкм и размером 10x10 мм², спектрометр (ТГц спектрометр во временной области), когерентный детектор терагерцового излучения, параболические зеркала для сбора и доставки терагерцового излучения к детектору терагерцового излучения. Эмиттер является предметным столиком для объекта и может быть помещен в оптический криостат.Known terahertz subwavelength scanning microscope (see "Scanning laser terahertz near-field imaging system", K. Serita, S. Mizuno, H. Murakami, I. Kawayama, Y. Takahashi, N. Yoshimura, Y. Mori, J. Darmo , V. Tonouchi, Optics Express, 20 (12), 12959-12965 (2012)), coinciding with the present decision in the largest number of essential features and taken as a prototype. The prototype microscope contains a femtosecond laser with a wavelength of 1.56 μm, a galvanometer with mirrors for x-y scanning, a beam expander, a focusing lens, a terahertz radiation emitter in the form of a thin plate of a non-linear optical crystal DASC (4'-dimenthylamino-N-methyl-4- stilbazolium p-chlorobenzenesulfonate) 200 µm thick and 10x10 mm ² in size, a spectrometer (THz spectrometer in the time domain), a coherent terahertz radiation detector, parabolic mirrors for collecting and delivering terahertz radiation to the terahertz radiation detector. The emitter is a stage for the object and can be placed in an optical cryostat.

Сверхволновое разрешение достигается тем, что область возбуждения ТГц излучения в эмиттере располагается практически вплотную к исследуемому объекту, причем размеры зоны локализации ТГц излучения в основном определяются областью фокусировки пучка фемтосекундного лазера и, следовательно, могут быть значительно меньше длины волны ТГц излучения. В данном устройстве было достигнуто пространственное разрешение ТГц изображений порядка 27 мкм, что значительно меньше средней волны ТГц излучения в центре спектра используемого ТГц излучения (порядка 750 мкм).Superwave resolution is achieved by the fact that the THz radiation excitation region in the emitter is located almost close to the object under study, and the dimensions of the THz radiation localization zone are mainly determined by the femtosecond laser beam focusing region and, therefore, can be much smaller than the THz radiation wavelength. In this device, a spatial resolution of THz images of the order of 27 μm was achieved, which is much less than the average wave of THz radiation in the center of the spectrum of the used THz radiation (about 750 μm).

Недостатком микроскопа-прототипа является необходимость применения дорогостоящего фемтосекундного лазера, что накладывает дополнительные требования к характеристикам лабораторного помещения (влажность, температурный режим и т.д.). При работе при низких температурах в оптическом криостате будут возникать нежелательные искажения импульсов фемтосекундного лазера на окнах криостата (чирп-эффект). Кроме того, когерентный 2D ТГц эмиттер на нелинейном кристалле DASC имеет сравнительно невысокую квантовую эффективность, а вся методика требует применения методов когерентного детектирования ТГц излучения.The disadvantage of the prototype microscope is the need to use an expensive femtosecond laser, which imposes additional requirements on the characteristics of the laboratory space (humidity, temperature, etc.). When operating at low temperatures in an optical cryostat, undesirable distortions of the femtosecond laser pulses on the windows of the cryostat (chirp effect) will occur. In addition, a coherent 2D THz emitter based on a nonlinear DASC crystal has a relatively low quantum efficiency, and the entire technique requires the use of methods for coherent detection of THz radiation.

Задачей настоящего технического решения является разработка терагерцового субволнового сканирующего микроскопа, который бы обеспечивал упрощение конструкции при сохранении разрешающей способности.The objective of this technical solution is to develop a terahertz subwavelength scanning microscope, which would provide a simplified design while maintaining resolution.

Поставленная задача достигается тем, что микроскоп содержит лазер, гальванометр с зеркалами для х-у сканирования, расширитель пучка, фокусирующую линзу, эмиттер терагерцового излучения, оптический криостат, спектрометр, детектор терагерцового излучения, параболические зеркала для сбора и доставки терагерцового излучения к детектору терагерцового излучения, при этом эмиттер помещен в оптический криостат и является предметным столиком для объекта. Новым в настоящем техническом решении является тот факт, что используют непрерывный лазер и некогерентный детектор терагерцового излучения, а эмиттер выполнен в виде слоя полупроводникового материала, поглощающего излучение лазера, при этом слой полупроводникового материала расположен на высоколегированной полупроводниковой подложке, прозрачной для лазерного излучения и поглощающей терагерцовое излучение.The task is achieved in that the microscope contains a laser, a galvanometer with mirrors for x-y scanning, a beam expander, a focusing lens, a terahertz radiation emitter, an optical cryostat, a spectrometer, a terahertz radiation detector, parabolic mirrors for collecting and delivering terahertz radiation to the terahertz radiation detector , while the emitter is placed in an optical cryostat and is an object stage for the object. New in this technical solution is the fact that a continuous laser and an incoherent terahertz radiation detector are used, and the emitter is made in the form of a layer of semiconductor material that absorbs laser radiation, while the layer of semiconductor material is located on a highly doped semiconductor substrate that is transparent to laser radiation and absorbs terahertz radiation. radiation.

Эмиттер может быть выполнен в виде слоя полупроводникового материала толщиной 1-2 мкм.The emitter can be made in the form of a layer of semiconductor material with a thickness of 1-2 microns.

В качестве полупроводникового материала можно использовать прямозонный полупроводник или полупроводниковый твердый раствор.The semiconductor material can be a direct-gap semiconductor or a semiconductor solid solution.

В качестве спектрометра можно использовать интерферометр Майкельсона.A Michelson interferometer can be used as a spectrometer.

Конструкция эмиттера в виде слоя поглощающего излучение лазера полупроводникового материала, расположенного на высоколегированной полупроводниковой подложке, прозрачной для лазерного излучения и поглощающей терагерцовое излучение, позволяет использовать для генерации ТГц излучения непрерывный лазер и, соответственно, некогерентный детектор терагерцового излучения, что приводит к упрощению конструкции микроскопа. Сверхволновое разрешение достигается острой фокусировкой лазерного пучка на эмиттере ТГц излучения, а работа заявляемого технического решения основана на физическом явлении ТГц фотолюминесценции при межзонном возбуждении в полупроводниках. Явление состоит в генерации внутрицентрового ТГц излучения при рекомбинации неравновесных носителей с участием примесных центров в легированных полупроводниках при низких температурах (см. "Terahertz photoluminescence from GaAs doped with shallow donors at interband excitation", A.O. Zakharln, A.V. Andrianov, A. Yu. Egorov, N. N. Zinov'ev, Appl. Phys. Lett., 96, 211118, (2010)).The design of the emitter in the form of a layer of semiconductor material absorbing laser radiation, located on a highly doped semiconductor substrate, transparent to laser radiation and absorbing terahertz radiation, makes it possible to use a cw laser and, accordingly, an incoherent terahertz radiation detector to generate THz radiation, which leads to a simplification of the microscope design. Superwave resolution is achieved by sharp focusing of the laser beam on the emitter of THz radiation, and the operation of the proposed technical solution is based on the physical phenomenon of THz photoluminescence during interband excitation in semiconductors. The phenomenon consists in the generation of intracenter THz radiation during the recombination of nonequilibrium carriers with the participation of impurity centers in doped semiconductors at low temperatures (see "Terahertz photoluminescence from GaAs doped with shallow donors at interband excitation", AO Zakharln, AV Andrianov, A. Yu. Egorov, NN Zinov'ev, Appl. Phys. Lett., 96, 211118, (2010)).

Настоящее устройство поясняется чертежами, гдеThis device is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 схематично изображен терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп;in fig. 1 is a schematic representation of a terahertz subwavelength scanning microscope;

на фиг. 2 схематично изображен эмиттер ТГц излучения;in fig. 2 schematically shows the emitter of THz radiation;

на фиг. 3 приведен характерный спектр ТГц фотолюминесценции (ФЛ) слоя n-GaAs, описанного в примере 1;in fig. 3 shows a typical THz photoluminescence (PL) spectrum of the n-GaAs layer described in Example 1;

на фиг. 4 приведено ТГц изображение тестового объекта, представляющего полоску слоя AI толщиной порядка 300 нм, нанесенную на двумерный ТГц эмиттер из примера 1;in fig. 4 shows a THz image of a test object representing a stripe of the AI layer with a thickness of about 300 nm deposited on a two-dimensional THz emitter from example 1;

на фиг. 5 показана зависимость ТГц сигнала, регистрируемого детектором в дальнем поле, от положения фокуса лазерного излучения на поверхности двумерного ТГц эмиттера из примера 1.in fig. Figure 5 shows the dependence of the THz signal recorded by the detector in the far field on the position of the laser radiation focus on the surface of the two-dimensional THz emitter from Example 1.

Настоящий терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп (фиг. 1) содержит непрерывный лазер 1, гальванометр 2 с зеркалами для х-у сканирования, расширитель 3 пучка, фокусирующую линзу 4, эмиттер 5 терагерцового излучения, оптический криостат 6, спектрометр 7, некогерентный детектор 8 терагерцового излучения, параболические зеркала 9 для сбора и доставки терагерцового излучения к детектору 8 терагерцового излучения. Эмиттер 5 помещен в оптический криостат 6 и является предметным столиком для объекта 10.This terahertz subwavelength scanning microscope (Fig. 1) contains a continuous laser 1, a galvanometer 2 with mirrors for x-y scanning, a beam expander 3, a focusing lens 4, a terahertz radiation emitter 5, an optical cryostat 6, a spectrometer 7, an incoherent detector 8 of terahertz radiation , parabolic mirrors 9 for collecting and delivering terahertz radiation to the terahertz radiation detector 8. The emitter 5 is placed in the optical cryostat 6 and is an object stage for the object 10.

Эмиттер 5 ТГц излучения (фиг. 2) выполнен в виде слоя 11 полупроводникового материала, поглощающего излучение лазера 1, при этом слой 11 расположен на высоколегированной полупроводниковой подложке 12, прозрачной для лазерного излучения и поглощающей терагерцовое излучение.The emitter 5 of THz radiation (Fig. 2) is made in the form of a layer 11 of a semiconductor material that absorbs the radiation of the laser 1, while the layer 11 is located on a highly doped semiconductor substrate 12, transparent to laser radiation and absorbing terahertz radiation.

Эмиттер 5 может быть выполнен в виде слоя полупроводникового материала толщиной 1-2 мкм.The emitter 5 can be made in the form of a layer of semiconductor material with a thickness of 1-2 microns.

В качестве полупроводникового материала можно использовать прямозонный полупроводник или полупроводниковый твердый раствор.The semiconductor material can be a direct-gap semiconductor or a semiconductor solid solution.

В качестве спектрометра можно использовать интерферометр Майкельсона.A Michelson interferometer can be used as a spectrometer.

Настоящий терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп работает следующим образом. Излучение непрерывного лазера 1 с помощью расширителя пучка 3 и фокусирующей линзы 4 остро фокусируется на эмиттере 5 ТГц излучения, с расположенным на нем объектом 10. При этом эмиттер 5 помещается в оптический криостат 6 и охлаждается до гелиевых температур. Лазерное излучение накачки полностью поглощается в эмиттере 5, и не поглощается в широкозонной полупроводниковой подложке 12, при этом генерируемое в эмиттере 5 ТГц излучение не имеет возможности распространяться внутри подложки 12 вследствие сильного поглощения на свободных носителей в ней. Кроме того, оно не может распространяться вдоль слоя эмиттера 5 в силу того, что длина волны ТГц излучения значительно больше толщины этого слоя. Поэтому оно распространяется в сторону, на которой расположен исследуемый объект 10 и область локализации ТГц излучения определяется размером фокуса возбуждающего излучения. X-Y сканирование области фотовозбуждения по поверхности эмиттера 5 осуществляется с помощью гальванометра 2 и совместно с измерением ТГц сигнала позволяет получить субволновое изображение объекта в ТГц лучах. ТГц излучение, про-генерированное в эмиттере 5, после взаимодействия с объектом 10 собирается и доставляется к детектору 8 с помощью параболических зеркал 9. В параллельном пучке ТГц излучения может быть помещен спектрометр 7, что позволяет получить спектр ТГц излучения после его взаимодействия с объектом.A real terahertz subwavelength scanning microscope works as follows. The radiation of a continuous laser 1 with the help of a beam expander 3 and a focusing lens 4 is sharply focused on the emitter of 5 THz radiation, with an object 10 located on it. In this case, the emitter 5 is placed in an optical cryostat 6 and cooled to helium temperatures. The pump laser radiation is completely absorbed in the emitter 5, and is not absorbed in the wide-gap semiconductor substrate 12, while the radiation generated in the 5 THz emitter cannot propagate inside the substrate 12 due to strong absorption by free carriers in it. In addition, it cannot propagate along the emitter layer 5 due to the fact that the wavelength of the THz radiation is much greater than the thickness of this layer. Therefore, it propagates in the direction on which the object under study 10 is located and the localization area of the THz radiation is determined by the size of the focus of the exciting radiation. X-Y scanning of the photoexcitation region over the surface of the emitter 5 is carried out using a galvanometer 2 and, together with the measurement of the THz signal, makes it possible to obtain a subwavelength image of the object in THz beams. The THz radiation generated in the emitter 5, after interaction with the object 10, is collected and delivered to the detector 8 using parabolic mirrors 9. A spectrometer 7 can be placed in the parallel THz radiation beam, which makes it possible to obtain the THz radiation spectrum after its interaction with the object.

Были изготовлены макетные образцы терагерцового субволнового сканирующего микроскопа.Model samples of a terahertz subwavelength scanning microscope were made.

Пример 1.Example 1

Использовался двумерный ТГц эмиттер, выполненный в виде эпитаксиаль-ной пленки n-GaAs с концентрацией донорной примеси (Si) 8×10¹⁶ см^-3 толщиной 2 мкм, выращенный методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке n⁺-GaAs с концентрацией донорной примеси 6×10¹⁸ см^-3 толщиной 150 мкм. Возбуждающее излучение полупроводникового лазера с длиной волны 0.81 мкм остро фокусируется на поверхность слоя n-GaAs с его обратной стороны (см. Фиг. 2) с помощью линзы с фокусным расстоянием 60 мм (диаметр линзы 45 мм, а диаметр пучка лазерного излучения на линзе порядка 20 мм) и практически полностью поглощается в этом слое. При этом возбуждающее лазерное излучение практически не поглощается в n⁺-GaAs подложке, в которой край межзонного поглощения сдвинут в высокоэнергетическую область за счет эффекта Мосса-Бурштейна. Таким образом, слой n⁺-GaAs играет роль широкозонной (непоглощающей излучение накачки) подложки. ТГц излучение после его взаимодействия с исследуемых объектом собирается с помощью параболических зеркал и доставляется к детектору, в качестве которого используется охлаждаемый кремниевый болометр. Х-У сканирование пучка возбуждающего излучения организовано с использованием зеркала с гальванометрическим сканирующим элементом XG220-Y1.A two-dimensional THz emitter was used, made in the form of an epitaxial n-GaAs film with a donor impurity concentration (Si) of 8 × 10 ¹⁶ cm ^-3 2 μm thick, grown by molecular beam epitaxy on an n ⁺ -GaAs substrate with a donor impurity concentration of 6 ×10 ¹⁸ cm ^-3 150 µm thick. The excitation radiation of a semiconductor laser with a wavelength of 0.81 μm is sharply focused on the surface of the n-GaAs layer from its reverse side (see Fig. 2) using a lens with a focal length of 60 mm (the lens diameter is 45 mm, and the diameter of the laser beam on the lens is about 20 mm) and is almost completely absorbed in this layer. In this case, the exciting laser radiation is practically not absorbed in the n ⁺ -GaAs substrate, in which the interband absorption edge is shifted to the high-energy region due to the Moss-Burstein effect. Thus, the n ⁺ -GaAs layer plays the role of a wide-gap (non-absorbing pump radiation) substrate. THz radiation after its interaction with the object under study is collected using parabolic mirrors and delivered to the detector, which is a cooled silicon bolometer. X-Y scanning of the exciting radiation beam is organized using a mirror with a galvanometric scanning element XG220-Y1.

На фиг. 3 приведен характерный спектр ТГц ФЛ слоя n-GaAs при его межзонном фотовозбуждении лазерным излучением с длиной волны 0.81 мкм при 5 К. Максимум в спектре излучения соответствует длине волны 189 мкм, а полуширина спектра излучения составляет порядка 130 мкм.In FIG. Figure 3 shows the characteristic THz PL spectrum of the n-GaAs layer upon its interband photoexcitation by laser radiation with a wavelength of 0.81 μm at 5 K. The maximum in the emission spectrum corresponds to a wavelength of 189 μm, and the half-width of the emission spectrum is about 130 μm.

На фиг. 4 приведено ТГц изображение тестового объекта, представляющего полоску слоя AI толщиной порядка 300 нм, нанесенную на двумерный ТГц эмиттер. По данным АСМ измерений ширина перехода от алюминия к GaAs составляла порядка 400 нм.In FIG. Figure 4 shows a THz image of a test object representing a stripe of the AI layer about 300 nm thick deposited on a two-dimensional THz emitter. According to AFM measurements, the width of the transition from aluminum to GaAs was about 400 nm.

На фиг. 5 показана зависимость ТГц сигнала, регистрируемого детектором в дальнем поле, от положения фокуса лазерного излучения на поверхности двумерного ТГц эмиттера. Выделен участок, соответствующий границе металлической пленки, то есть переходу от металла к арсениду галлия. Можно видеть, что изменение интенсивности ТГц сигнала в пределах 0.1-0.9 от максимальной интенсивности происходит в области значений горизонтальной координаты размером порядка 9 мкм. Этот размер соответствует достигнутому пространственному разрешению в ТГц изображении. Таким образом, заявляемый способ и устройство для его реализации позволяют получить субволновое разрешение в ТГц области. Принимая во внимание, что центральная длина волны в спектре ТГц фотолюминесценции (см. фиг. 3) составляет 189 мкм, приходим к заключению, что достигается субволновое разрешение порядка λ/21.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the THz signal recorded by the detector in the far field on the position of the laser radiation focus on the surface of the two-dimensional THz emitter. The section corresponding to the boundary of the metal film, that is, the transition from metal to gallium arsenide, is highlighted. It can be seen that the change in the intensity of the THz signal within 0.1–0.9 of the maximum intensity occurs in the range of values of the horizontal coordinate with a size of about 9 μm. This size corresponds to the achieved spatial resolution in the THz image. Thus, the proposed method and the device for its implementation make it possible to obtain subwavelength resolution in the THz region. Taking into account that the central wavelength in the THz photoluminescence spectrum (see Fig. 3) is 189 μm, we conclude that a subwavelength resolution of the order of λ/21 is achieved.

Пример 2.Example 2

Использовался двумерный ТГц эмиттер, выполненный в виде эпитаксиаль-ной пленки n-GaAs с концентрацией донорной примеси (Si) 7×10¹⁶ см^-3 толщиной 2 мкм, выращенный методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке p⁺-GaP с концентрацией акцепторной примеси 1×10¹⁸ см^-3 толщиной 150 мкм. Использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 0.81 мкм. Достигнуто пространственное разрешение 10 мкм.A two-dimensional THz emitter was used, made in the form of an epitaxial n-GaAs film with a donor impurity concentration (Si) of 7 × 10 ¹⁶ cm ^-3 2 μm thick, grown by molecular beam epitaxy on a p ⁺ -GaP substrate with an acceptor impurity concentration of 1 ×10 ¹⁸ cm ^-3 150 µm thick. A semiconductor laser with a wavelength of 0.81 μm was used. A spatial resolution of 10 µm has been achieved.

Пример 3.Example 3

Использовался двумерный ТГц эмиттер, выполненный в виде эпитаксиальной пленки твердого раствора Ga_0.47In_0.53As с концентрацией донорной примеси (Si) 8×l0¹⁶ см^-3 толщиной 2 мкм, выращенный методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке р⁺-InP с концентрацией акцепторной примеси 5×10¹⁸ см^-3 толщиной 150 мкм. Использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 1.3 мкм. Достигнуто пространственное разрешение 13 мкм.We used a two-dimensional THz emitter made in the form of an epitaxial film of a Ga _0.47 In _0.53 As solid solution with a donor impurity concentration (Si) 8 × l0 ¹⁶ cm ^-3 2 μm thick, grown by molecular beam epitaxy on a p ⁺ -InP substrate with an acceptor concentration impurities 5×10 ¹⁸ cm ^-3 with a thickness of 150 μm. A semiconductor laser with a wavelength of 1.3 μm was used. A spatial resolution of 13 µm has been achieved.

Приведенные выше примеры доказывают тот факт, что заявляемый терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп обеспечивает упрощение конструкции при сохранении разрешающей способности по сравнению с прототипом.The above examples prove the fact that the proposed terahertz subwavelength scanning microscope provides a simplified design while maintaining resolution compared to the prototype.

Claims (5)

1. Терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп, содержащий лазер, гальванометр с зеркалами для х-у сканирования, расширитель пучка, фокусирующую линзу, эмиттер терагерцового излучения, оптический криостат, спектрометр, детектор терагерцового излучения, параболические зеркала для сбора и доставки терагерцового излучения к детектору терагерцового излучения, при этом эмиттер помещен в оптический криостат и является предметным столиком для объекта, отличающийся тем, что содержит непрерывный лазер и некогерентный детектор терагерцового излучения, а эмиттер выполнен в виде слоя полупроводникового материала, поглощающего излучение лазера, при этом слой полупроводникового материала расположен на высоколегированной полупроводниковой подложке, прозрачной для лазерного излучения и поглощающей терагерцовое излучение.1. Terahertz subwavelength scanning microscope containing a laser, a galvanometer with mirrors for x-y scanning, a beam expander, a focusing lens, a terahertz radiation emitter, an optical cryostat, a spectrometer, a terahertz radiation detector, parabolic mirrors for collecting and delivering terahertz radiation to a terahertz radiation detector , while the emitter is placed in an optical cryostat and is an object table for the object, characterized in that it contains a continuous laser and an incoherent detector of terahertz radiation, and the emitter is made in the form of a layer of semiconductor material that absorbs laser radiation, while the layer of semiconductor material is located on a highly doped semiconductor substrate transparent to laser radiation and absorbing terahertz radiation. 2. Микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что эмиттер выполнен в виде слоя полупроводникового материала толщиной 1-2 мкм.2. Microscope according to claim. 1, characterized in that the emitter is made in the form of a layer of semiconductor material with a thickness of 1-2 microns. 3. Микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала используют прямозонный полупроводник.3. A microscope according to claim 1, characterized in that a direct-gap semiconductor is used as a semiconductor material. 4. Микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала используют полупроводниковый твердый раствор.4. The microscope according to claim 1, characterized in that a semiconductor solid solution is used as a semiconductor material. 5. Микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве спектрометра используют интерферометр Майкельсона.5. A microscope according to claim 1, characterized in that a Michelson interferometer is used as a spectrometer.

Images