零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜及其成像方法技术

本发明专利技术涉及利用太赫兹波扫描成像领域，特别涉及一种零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜及其成像方法

【技术实现步骤摘要】
零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜及其成像方法


[0001]本专利技术涉及利用太赫兹波进行超分辨扫描成像领域，特别涉及一种零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜及其成像方法
。

技术介绍

[0002]太赫兹波因为其在整个电磁波频谱中介于微波和红外辐射之间，同时兼备两者的特殊性质，因为其光子能量低，穿透性强等使得太赫兹成像技术质量监控
、
无损监测
、
生物医疗等方面都具有广阔的应用前景
。
但是由于受限于衍射极限的限制，传统的远场太赫兹成像系统的成像分辨率一般为波长的二分之一即一般不超过微米级
。
如今这种传统远场太赫兹成像系统以及不能满足纳米材料表面表征，生物细胞等亚微米成像的需求，需要借助其他方式突破衍射极限，满足这类需求
。
其中基于针尖散射式的近场扫描成像方式被证明能够突破衍射分辨率的极限，其分辨率仅受限与散射针尖的曲率半径
。
通过将太赫兹技术与针尖散射史近场扫描成像技术相结合，结合两种技术各自的优势特点作为上述问题的解决方案
。
[0003]太赫兹波的产生分为两种一种是利用光学差频降频到达太赫兹频段，另一种是电子学利用固态电路器件倍频达到太赫兹频段
。
现有技术是利用光学差频混频的太赫兹激光器产生太赫兹波，如：公开号为
CN105092514A
的中国专利技术申请公开了一种散射式的扫描近场太赫兹显微镜，公开号为
CN107860742A
>的中国专利技术申请公开了一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜
。
目前已有的技术方案中均存在一个问题：需要不同的射频源完成信号的发射以及信号提取，且利用太赫兹激光器差频得到的太赫兹波其功率较低，且这类太赫兹源频率难以实现低太赫兹频段覆盖
。
在
2019
年，吉林大学代广斌报道了一个
110GHz
超外差结构的太赫兹近场扫描显微镜，在报道中用太赫兹固态倍频链路产生太赫兹源，但是因为在解调时需要将太赫兹频率降到
100MHz
因此需要两个源进行差频
。
如图1和2所示，其光路部分天线和反射抛物面镜为独立的两个单元，需要分开调整，增大了系统的调试难度
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于通过将太赫兹技术与针尖散射史近场扫描成像技术相结合，结合两种技术各自的优势特点作为上述问题的解决方案
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案实现
。
[0006]本专利技术提出了一种零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜，其特征在于，所述扫描显微镜包括：零中频太赫兹雷达收发模块和扫描成像模块；其中，
[0007]所述零中频太赫兹雷达收发模块，采用零中频雷达结构，并通过太赫兹固态链路实现太赫兹收发一体化，用于产生太赫兹频率信号并传输到扫描成像模块；同时在扫描成像模块在使用太赫兹频率信号对样品进行扫描时，将样品表面反射的太赫兹频率信号处理为低频信号，并接入扫描成像模块；
[0008]所述扫描成像模块，用于使用太赫兹频率信号通过针尖对样品进行扫描；同时提
取信号频率为针尖振动频率的低频信号，并对提取的低频信号进行处理获得样品表面信息
。
[0009]作为上述技术方案的改进之一，所述扫描成像模块包括：双透镜聚焦单元
、
原子力显微镜
、
锁相放大器和电脑控制单元；
[0010]所述双透镜聚焦单元，用于通过双透镜结构将太赫兹频率信号聚焦于原子力显微镜的针尖；
[0011]所述原子力显微镜，用于通过针尖对样品进行扫描使得太赫兹频率信号在针尖振动的各阶频率点处携带有样品表面信息；
[0012]所述锁相放大器，用于提取携带样品表面信息的低频信号；
[0013]所述电脑控制单元，用于对低频信号进行处理获取样品表面信息图像；还用于控制原子力显微镜针尖的移动，通过逐点扫描的方式获得一幅扫描范围内的样品表面信息图像
。
[0014]作为上述技术方案的改进之一，所述双透镜聚焦单元包括：光路微调子单元和双透镜聚焦子单元；其中，
[0015]所述光路微调子单元，包括扩束准直镜，用于将接收的太赫兹频率信号扩束准直；
[0016]所述双透镜聚焦子单元，用于通过两个透镜将扩束准直后的太赫兹频率信号聚焦于原子力显微镜的针尖
。
[0017]作为上述技术方案的改进之一，所述对提取的低频信号进行处理，包括：在针尖振动频率处，将低频信号的高次谐波的幅度以及相位提取出来
。
[0018]作为上述技术方案的改进之一，所述零中频太赫兹雷达收发模块包括：信号源单元
、
倍频链路单元
、
功分器
、
定向耦合器
、
喇叭天线
、
低噪声放大器
、
基波混频器和隔直器；其中，
[0019]所述信号源单元，用于发射射频信号；
[0020]所述倍频链路单元，用于将射频信号的频率转换到太赫兹频率，得到太赫兹频率信号；
[0021]所述功分器，用于将太赫兹频率信号分成两路，一路通过定向耦合器传输至喇叭天线辐射出去，一路用于基波混频器的本振驱动；
[0022]所述定向耦合器，用于实现收发隔离，将发射太赫兹信号由喇叭天线辐射出去，将喇叭天线接收信号传输至基波混频器进行混频提取；
[0023]所述喇叭天线，用于将太赫兹频率信号传输到双透镜聚焦模块，并接收样品表面反射的太赫兹频率信号；
[0024]所述低噪声放大器，用于将样品表面反射的太赫兹频率信号放大后传输到基波混频器；
[0025]所述基波混频器，用于根据一路太赫兹频率信号进行本振驱动产生本振信号，与样品表面反射的太赫兹频率信号混频；
[0026]所述隔直器，用于去除混频信号中的直流信号，并送入锁相放大器
。
[0027]作为上述技术方案的改进之一，所述喇叭天线和双透镜聚焦模块封装于一个筒状结构
。
[0028]作为上述技术方案的改进之一，所述筒状结构中太赫兹波传播的光路距离小于
164mm。
[0029]作为上述技术方案的改进之一，所述针尖的曲率半径小于
20nm
；
1um*1um
范围内扫描单次扫描步进为
[0030]本专利技术还提出了一种零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜的成像方法，基于上述之一所述的零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜对样品完成扫描成像，包括如下步骤：
[0031]将信号源单元产生的太赫兹频率信号通过功分器分成两路：一路传输到基波混频器作为本振信号，另一路通过定向耦合器，传输至喇叭天线对外辐射到双透镜聚焦模块；
[0032]通过双透镜聚焦单元将太赫兹频率信号聚焦于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜，其特征在于，所述扫描显微镜包括：零中频太赫兹雷达收发模块和扫描成像模块；其中，所述零中频太赫兹雷达收发模块，采用零中频雷达结构，并通过太赫兹固态链路实现太赫兹收发一体化，用于产生太赫兹频率信号并传输到扫描成像模块；同时在扫描成像模块在使用太赫兹频率信号对样品进行扫描时，将样品表面反射的太赫兹频率信号处理为低频信号，并接入扫描成像模块；所述扫描成像模块，用于使用太赫兹频率信号通过针尖对样品进行扫描；同时提取信号频率为针尖振动频率的低频信号，并对提取的低频信号进行处理获得样品表面信息
。2.
根据权利要求1所述的零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜，其特征在于，所述扫描成像模块包括：双透镜聚焦单元
、
原子力显微镜
、
锁相放大器和电脑控制单元；所述双透镜聚焦单元，用于通过双透镜结构将太赫兹频率信号聚焦于原子力显微镜的针尖；所述原子力显微镜，用于通过针尖对样品进行扫描使得太赫兹频率信号在针尖振动的各阶频率点处携带有样品表面信息；所述锁相放大器，用于提取携带样品表面信息的低频信号；所述电脑控制单元，用于对低频信号进行处理获取样品表面信息图像；还用于控制原子力显微镜针尖的移动，通过逐点扫描的方式获得一幅扫描范围内的样品表面信息图像
。3.
根据权利要求2所述的零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜，其特征在于，所述双透镜聚焦单元包括：光路微调子单元和双透镜聚焦子单元；其中，所述光路微调子单元，包括扩束准直镜，用于将接收的太赫兹频率信号扩束准直；所述双透镜聚焦子单元，用于通过两个透镜将扩束准直后的太赫兹频率信号聚焦于原子力显微镜的针尖
。4.
根据权利要求1所述的零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜，其特征在于，所述对提取的低频信号进行处理，包括：在针尖振动频率处，将低频信号的高次谐波的幅度以及相位提取出来
。5.
根据权利要求2‑4之一所述的零中频紧凑型反射式太赫兹近场扫描显微镜，其特征在于，所述零中频太赫兹雷达收发模块包括：信号源单元
、
倍频链路单元
、
功分器
、
定向耦合器
、
喇叭天线
、
低噪声放大器
、
基波混频器和隔直器；其中，所述信号源单元，用于发射射频信号；所述倍频链路单元，用于将射频信号的频率转换到太赫兹频率，得到太赫兹频率信号；所述功分器，用于将太赫兹频率信号分成两路，一路通过定向耦合器传输至喇叭天线辐射出去，一路用于基波混频器的本振驱动；所述定向耦合器，用于实现收发隔离，将发射太赫兹信号由喇叭天线辐射出去，将喇叭天线接收信号传输至基波混频器进行混频提取；所述喇叭天线，用于将太赫兹频率信号传输到双透镜聚焦模块，并接收样品表面反射的太赫兹频率信号；所述低噪声放大器，用于将样品表面反射的太赫兹频率信号放大后传输到基波混频器；所述基波混频器，用于根据一路太赫兹频率信号进行本振驱动产生本振信号，与样品
表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭召敏，张德海，葛书岐，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：