一种太赫兹近场成像系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种太赫兹近场成像系统及方法，所述太赫兹近场成像系统包括太赫兹相干光源模块、外腔光路模块及近场探针模块。本发明专利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。由于采用自混频效应代替近场探测器，光路系统简洁紧凑；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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学应用
，涉及一种太赫兹近场成像系统及方法。
技术介绍
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(“TerahertzGap”)。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成像系统应运而生。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远场成像系统而言，根据瑞利判据(RayleighCriterion)可知，图像的最小分辨距离不低于艾利斑(Airydisc)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.系统复杂，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，增加了光路系统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系统及方法，以降低光路系统的复杂度，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。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种太赫兹近场成像系统及方法，用于解决现有技术中THz近场成像系统结构复杂、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，本专利技术提供一种太赫兹近场成像系统，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。本专利技术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，本专利技术的太赫兹近场成像系统及方法，具有以下有益效果：本专利技术提出了一种新型的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。本专利技术利用自混频效应代替近场探测器，光路系统简洁紧凑；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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹近场成像系统，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；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。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹近场成像系统，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；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。2.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像系统，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系统，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系统，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周涛，黎华，曹俊诚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31