一种太赫兹自相关近场成像成谱系统

1.本发明涉及微纳光子学和太赫兹光电探测的交叉领域，具体地，涉及一种太赫兹自相关近场成像成谱系统。


背景技术：

2.基于太赫兹时域光谱仪的散射式扫描近场光学显微镜在具备纳米级太赫兹成像能力的同时，也可以实现纳米级的太赫兹成谱功能，然而，由于太赫兹光导天线产生的太赫兹功率一般在几十微瓦量级，且探针尖端半径大小与太赫兹波长在尺度上相差过多，导致太赫兹的近场耦合效率较低。为了提高太赫兹散射效率，探针会制作成金属材质且长度与太赫兹波长相当，但是这也导致近场太赫兹频谱出现了探针的谐振，不利于对样品近场频谱的探测。


技术实现要素：

3.为了实现太赫兹自相关近场成像成谱且能够对探针的谐振进行调节，本发明提供了一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，所述系统包括：
4.太赫兹发射器、光路调节单元、散射式近场扫描显微镜、太赫兹接收器、电流放大器、锁相放大器和处理器；
5.所述太赫兹发射器用于产生第一太赫兹脉冲信号；
6.所述光路调节单元用于将所述第一太赫兹脉冲信号分束为第二太赫兹脉冲信号和第三太赫兹脉冲信号，以及用于将第二太赫兹脉冲信号处理后照射在样品上产生第一近场信号，以及用于将第三太赫兹脉冲信号处理后照射在样品上产生第二近场信号，以及用于调节第一近场信号与第二近场信号之间的时延差；
7.太赫兹接收器用于对第一近场信号和第二近场信号进行接收；
8.电流放大器用于对太赫兹接收器接收的信号进行放大获得放大近场信号，锁相放大器用于对放大近场信号进行解调获得解调信号；
9.处理器用于对解调信号进行处理获得样品表面信息，以及将第一近场信号与第二近场信号对应的解调信号进行叠加，基于叠加结果对样品自身的谐振效应进行研究；
10.散射式近场扫描显微镜用于在太赫兹脉冲信号照射在样品表示，利用探针采集包含样品表面信息的近场成像信号，基于近场成像信号对样品表面进行成像。
11.其中，本系统利用太赫兹发射器产生第一太赫兹脉冲信号，然后利用光路调节单元将第一太赫兹脉冲信号分束为两束光程差不同的信号，目的是便于进行太赫兹信号的自相关测量和对探针谐振效应进行测量，这样的设计可以实现在近场测量中引入时间延迟的目的，进一步实现自相关近场成谱测量，利用太赫兹接收器对第一近场信号和第二近场信号进行接收；利用电流放大器对太赫兹接收器接收的信号进行放大获得放大近场信号，利用锁相放大器用于对放大近场信号进行解调获得解调信号；利用处理器对解调信号进行处理获得样品表面信息，以及将第一近场信号与第二近场信号对应的解调信号进行叠加，基
于叠加结果对样品自身的谐振效应进行更为清晰的研究；利用散射式近场扫描显微镜在太赫兹脉冲信号照射在样品表示，利用探针采集包含样品表面信息的近场成像信号，基于近场成像信号对样品表面进行成像，至此本系统实现了太赫兹自相关近场成像成谱且以及对探针的谐振进行。
12.在一些实施例中，光路调节单元包括：
13.第一镜片、第二镜片和第一至第六反射镜；其中，太赫兹发射器产生第一太赫兹脉冲信号经第一镜片分束为第二太赫兹脉冲信号和第三太赫兹脉冲信号，第二太赫兹脉冲信号依次经第一至第三反射镜反射后射入第二镜片，第三太赫兹脉冲信号依次经第四至第六反射镜反射后射入第二镜片；其中，第二和第三反射镜为第一反射模块，第四和第五反射镜为第二反射模块，通过横向移动第一反射模块和/或第二反射模块来调节第一近场信号与第二近场信号之间的时延差。
14.其中，第一镜片的目的是将信号均匀分束为两束，第一至第六反射镜是将分束后的信号分别进行不同光程的反射，使得两个信号直接产生时延，具体调节的方式为横向移动第一反射模块和/或第二反射模块，通过移动上述2个模块中的一个或两个可以调节信号的传输路径长短，进而调节2个信号的时延差大小。
15.在一些实施例中，所述光路调节单元还包括第一抛物面镜和第二抛物面镜，第一抛物面镜用于将光路调节单元射出的信号汇聚至样品表面，第二抛物面镜用于对样品上产生近场信号进行接收然后传输至太赫兹接收器。
16.在一些实施例中，太赫兹发射器包括飞秒激光器和光导天线，所述飞秒激光器用于产生飞秒激光激发光导天线产生太赫兹脉冲信号。
17.在一些实施例中，所述光路调节单元还用于调节第一近场信号与第二近场信号之间的光程差对太赫兹脉冲信号进行自相关测量，得到太赫兹波的时域信息。
18.在一些实施例中，光导天线包括光电导层和天线结构。
19.在一些实施例中，第一镜片为第一高阻硅镜片，第二镜片为第二高阻硅镜片。其中，采用高阻硅镜片能够实现半透半反太赫兹波。
20.在一些实施例中，散射式近场扫描显微镜的探针尖端尺寸具有亚波长结构，可以实现更高的分辨率。
21.在一些实施例中，第一反射模块移动时第二和第三反射镜为同步移动，第二反射模块移动时第四和第五反射镜为同步移动。通过同步移动能够保障光路的正常反射路径，保障信号的正常传输。
22.在一些实施例中，第一至第六反射镜为镀银反射镜。镀银反射镜能够有效的对信号进行反射，减少信号损耗。
23.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
24.本发明采用自相关近场成像成谱，通过对太赫兹脉冲进行自相关测量，可以获取太赫兹波的时域信息。与传统的频域分析方法相比，时域信息包含了更丰富的频率成分和波形特征，能够提供更全面和准确的样品信息。通过对自相关信号的处理和解析，可以得到高分辨率的近场成像成谱结果，揭示样品的微观结构和物理特性。此外，本发明中的自相关近场成像成谱方法还具有对信号强度的增强和背景噪声的抑制能力。通过控制光程差和调节光学路径，将两次信号进行累加，可以对探针天线谐振效应的一种调节，更有利于实现对
样品本身谐振特性的研究。这样可以在背景噪声中提取出被探测到的近场信号，提高信号的强度和信噪比，进而提高了测量结果的可靠性和准确性。综上所述，本发明基于散射式近场技术的自相关近场成像成谱系统相比传统方法具有更准确、更全面的样品信息获取能力，能够实现高分辨率的近场成像和成谱分析。该系统的应用将推动微纳光子学领域的研究和应用，为材料科学、生物医学等领域提供了一种强大的工具。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
26.图1是一种太赫兹自相关近场成像成谱系统的组成示意图；
27.其中，1-太赫兹发射器，2-第一镜片，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-第三反射镜，6-第四反射镜，7-第五反射镜，8-第六反射镜，9-第二镜片，10-第二抛物面镜，11-太赫兹接收器，12-散射式近场扫描显微镜，13-第一抛物面镜。
具体实施方式
28.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
30.实施例一
31.请参考图1，图1为一种太赫兹自相关近场成像成谱系统的组成示意图，该系统包括：
32.太赫兹发射器、光路调节单元、散射式近场扫描显微镜、太赫兹接收器、电流放大器、锁相放大器和处理器；
33.所述太赫兹发射器用于产生第一太赫兹脉冲信号；
34.所述光路调节单元用于将所述第一太赫兹脉冲信号分束为第二太赫兹脉冲信号和第三太赫兹脉冲信号，以及用于将第二太赫兹脉冲信号处理后照射在样品上产生第一近场信号，以及用于将第三太赫兹脉冲信号处理后照射在样品上产生第二近场信号，以及用于调节第一近场信号与第二近场信号之间的时延差；
35.太赫兹接收器用于对第一近场信号和第二近场信号进行接收；
36.电流放大器用于对太赫兹接收器接收的信号进行放大获得放大近场信号，锁相放大器用于对放大近场信号进行解调获得解调信号；
37.处理器用于对解调信号进行处理获得样品表面信息，以及将第一近场信号与第二近场信号对应的解调信号进行叠加，基于叠加结果对样品自身的谐振效应进行研究；
38.散射式近场扫描显微镜用于在太赫兹脉冲信号照射在样品表示，利用探针采集包含样品表面信息的近场成像信号，基于近场成像信号对样品表面进行成像。
39.散射式近场扫描显微镜是一种能够探测物体表面近场分布的显微镜，该显微镜主
要由太赫兹光路和原子力显微镜两部分组成，太赫兹波经由离轴抛物面汇聚在原子力探针的尖端处，从而在探针和样品之间形成很强的局域场。探针-样品在与太赫兹波作用的过程中会形成电偶极子，把局域太赫兹场转化为可以传播的散射场，为了从背景信号中探测到这个微弱的散射场，探针一般会工作在轻敲模式下，将散射场进行调制，利用后续的解调操作即可实现对散射场的探测。近场成像的分辨率基本上与原子力探针尖端半径一致，因此也可以达到几十纳米的量级。
40.光导天线是一种利用半导体(通常是砷化镓和蓝宝石硅片)和双金属天线构成的装置，用于脉冲太赫兹信号的产生或探测。作为太赫兹的发射器时，需要有飞秒激光的激励且在双金属天线之间加上直流高压。作为探测器时，光导天线需要将飞秒激光和待测太赫兹信号同时输入双金属电极之间。飞秒激光在这里起到太赫兹信号的采集开关的作用，通过调整外部的时延光路来改变发射端和探测端的激励激光的相位差，从而获取完整的太赫兹时域信号。
41.其中，在一些实施例中，光导天线包括光电导层和天线结构，太赫兹光电导天线的结构一般由两部分组成：光电导层和天线结构。光电导层通常由半导体材料制成，天线结构可以采用不同的形式，如微带天线、天线阵列等。
42.本发明提出了一种基于散射式近场技术的自相关近场成像成谱系统。该系统利用多个高阻硅镜和平面镜构建光学路径，使得被探测到的两个近场信号具有一定的时延差，通过调节平面镜的位置，控制光路的光程差，从而实现太赫兹波的自相关测量。在实际应用中，申请人研究发现，由于针尖的存在，所测得近场信号除了激光源与待测样品相互作用激发得近场信号，还有该信号与针尖耦合后，经悬臂末端反射至针尖尖端散射出来的信号。本系统通过调节光学路径控制两个太赫兹脉冲的光程差，两次信号累加后会改变整体信号的频谱，从而实现对探针天线谐振效应的一种调节，有利于实现对样品本身谐振特性的研究。这将为散射式近场频谱技术的发展指明一个方向。
43.本发明采用的技术方案如下：
44.如图1所示，一种基于散射式近场扫描显微镜的自相关近场成谱的系统，包括太赫兹发射器1、光路调节单元、散射式近场扫描显微镜12、太赫兹接收器11、电流放大器、锁相放大器和处理器；
45.其中，光路调节单元包括：
46.第一镜片2、第二镜片9、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第五反射镜7和第六反射镜8；其中，太赫兹发射器产生第一太赫兹脉冲信号经第一镜片分束为第二太赫兹脉冲信号和第三太赫兹脉冲信号，第二太赫兹脉冲信号依次经第一至第三反射镜反射后射入第二镜片，第三太赫兹脉冲信号依次经第四至第六反射镜反射后射入第二镜片；其中，第二和第三反射镜为第一反射模块，第四和第五反射镜为第二反射模块，通过横向移动第一反射模块和/或第二反射模块来调节第一近场信号与第二近场信号之间的时延差。
47.其中第一镜片2和第二镜片9为高阻硅镜片(bs)，第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第五反射镜7和第六反射镜8为镀银反射镜。
48.在一些实施例中，所述光路调节单元还包括第一抛物面镜13和第二抛物面镜10，第一抛物面镜用于将光路调节单元射出的信号汇聚至样品表面，第二抛物面镜用于对样品
上产生近场信号进行接收然后传输至太赫兹接收器。
49.飞秒激光器用于产生飞秒激光，激励发射光导天线产生太赫兹脉冲信号，太赫兹通过第一个高阻硅镜片(bs)分为两束；其中一束经过第一至第三反射镜后到达第二个高阻硅镜片(bs)，经反射后会聚，与样品相互作用产生第一个近场信号。另一束激光在经过多次反射后到达上述第二个高阻硅镜片(bs)，透射后经会聚与样品相互作用产生第二个近场信号，两个信号由光导天线接收，所述光导天线后端依次连接电流放大器、锁相放大器。
50.高阻硅镜片(bs)用于将太赫兹进行分束，从而制造待测信号的时延差，通过两次信号进行累加，有效地改变了近场信号的频谱，有利于实现对样品本身谐振特性的研究。
51.散射式近场扫描显微镜是基于近场光学原理和原子力显微镜的轻敲扫描模式，通过光导天线太赫兹发射器产生的太赫兹脉冲信号经过外部光路聚焦到样品表面上。当太赫兹与样品表面相互作用时，会发生散射行为，探针可将微弱的近场信号增强，将局域太赫兹场转化为可以传播的散射场。这些散射产生的近场信号包含了与样品的局域性相互作用相关的信息，可以提供高分辨率的表面形貌和光学性质。
52.其中，轻敲模式是通过压电陶瓷给探针施加一个小的振幅、高频率的激励力，使探针在样品表面上来回振动。原子力激光入射到探针悬臂表面后，会反射至四象限接收器，当探针接触到样品凹凸不平表面时，针尖与样品之间会产生一定的作用力，从而将信号反射至四象限接收器，经过处理后来实现拓扑成像。
53.所述光导天线是由半导体材料(如砷化镓或蓝宝石硅片)和双金属天线构成的装置。它可以将近场信号转换为电信号，并通过电子设备进行放大和处理。
54.采用本系统，基于散射式近场扫描显微镜的自相关近场成谱的方法，包括以下步骤：
55.s1：搭建时延光路。这可以通过使用多个高阻硅镜片(bs)和镀银反射镜来实现。通过调整这些光学元件的位置和角度，可以使分束的太赫兹波在到达样品表面时经过不同的时间，从而产生光程差。这样的设计可以实现在近场测量中引入时间延迟的目的，进一步实现自相关近场成谱测量。时延光路的构建对于实现精确的时间延迟至关重要。
56.s2自相关测量：利用时延光路和太赫兹自相关对太赫兹脉冲进行自相关测量，得到太赫兹波的时域信息。太赫兹自相关是一种将输入信号与其自身延迟后的信号进行累加的过程，通过改变延迟时间可以获得太赫兹波的自相关信号。
57.s3近场成像：太赫兹激光被引导至近场探针。近场探针可以是金属探针或光纤探针等，其尖端具有亚波长尺寸的结构。太赫兹波通过抛物面镜会聚到样品表面，当探针接近样品表面时，近场探针与样品之间会发生相互作用，产生近场效应。这些相互作用导致太赫兹波的局域增强和散射，从而产生包含样品表面信息的近场信号。由于近场探针的特殊结构，可以在探针和样品之间形成很强的局域场，从而实现高分辨率成像。在实际测量中，通过利用原子力显微镜将近场信号散射出来。原子力显微镜具有纳米尺度的探测探针，可以测量样品表面的精细结构。探针在样品表面抖动时，可以探测到近场信号的变化。这种变化可以通过调整探针-样品之间的相对运动来获取。通过利用锁相放大器解调近场信号，利用近场成像系统，可以获得关于样品表面的高分辨率信息。
58.s4数据处理：通过对自相关信号进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，得到太赫兹波的频谱信息。可以利用频谱信息进行材料特性分析、成分识别等。
59.本发明利用光导天线太赫兹发射器产生的太赫兹激光，并通过一系列光学元件进行光路调节。首先，激光经过第一个高阻硅镜片(bs)分为两束。其中一束激光经过多个镀银反射镜，另一束经过多个镀银反射镜。最后，两束激光由第二个高阻硅镜片(bs)反射或透射至抛物面镜，在抛物面镜的作用下聚焦到样品表面，与样品进行相互作用。在实际应用中，近场信号的测量面临一些挑战，其中之一是针尖的存在。除了与激光源相互作用激发的近场信号外，还存在与针尖耦合并经过二次反射后，散射至针尖尖端的信号。为了有效提取被探测到的近场信号并提高信号强度和信噪比，实现对探针天线谐振效应的一种调节，本发明采用了光程差的控制和光学路径的调节策略。通过控制光程差，即利用高阻硅镜片和镀银反射镜，可以引入适当的时间延迟，使经针尖散射的信号与原始信号之间存在时间差。在信号进行累加的过程中，可以有效叠加两个信号。同时，优化光学元件的布局和位置，实现近场信号的有效收集和探测。这样可以优化探测器与近场信号的耦合效率，提高信号强度，这对于研究样品本身的谐振特性非常有利，通过叠加针尖散射引起两次信号，使得实验中得到的近场信号更具清晰性和可靠性，为进一步的数据分析和研究提供了可靠的基础。
60.综上所述，通过以上控制光程差和调节光学路径的方式，本发明能够在实验中实现对探针天线谐振效应的一种调节，有利于实现对样品本身谐振特性的研究。这样可以获得更可靠和准确的测量结果。
61.本实施如图1所示，其中，第二反射镜4和第三反射镜5可以左右平移，同理第四反射镜6和第五反射镜7也可以左右移动，实现了光程差的精准控制。通过光导天线太赫兹发射器产生的激光经过高阻硅镜片(bs)进行分束。分束后的激光经不同光程到达抛物面镜，在抛物面镜的作用下聚焦到样品表面，与样品发生相互作用。在不同的时间点上产生近场信号，这些信号被光导天线接收，并连接到电流放大器转换为电信号。随后，锁相放大器进行解调处理，最终提取纯净的近场信号，实现对样品的高精度测量和响应。由于第一次产生的近场信号包括针尖散射和耦合后的二次散射信号，因此在时域上会观察到两个峰值信号。然而，通过自相关测量方法，可以将经由光路较长的激光散射的近场信号与第一次产生的近场信号进行叠加。实现对样品本身谐振特性的研究，以获得高质量的测量结果。
62.自相关测量方法利用太赫兹自相关技术，将输入信号与其自身延迟后的信号累加。通过调整延迟时间，可以获得太赫兹波的自相关信号。在本发明中，通过控制光路的长度和时间延迟，实现了第一束激光产生的近场信号与经由光路较长的第二束激光产生的近场信号的相互作用。通过叠加这两个信号，可以获得高信噪比和高分辨率的测量结果。通过上述优化和自相关测量方法的应用，本发明能够实现对样品的高精度测量和响应。
63.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
64.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，所述系统包括：太赫兹发射器、光路调节单元、散射式近场扫描显微镜、太赫兹接收器、电流放大器、锁相放大器和处理器；所述太赫兹发射器用于产生第一太赫兹脉冲信号；所述光路调节单元用于将所述第一太赫兹脉冲信号分束为第二太赫兹脉冲信号和第三太赫兹脉冲信号，以及用于将第二太赫兹脉冲信号处理后照射在样品上产生第一近场信号，以及用于将第三太赫兹脉冲信号处理后照射在样品上产生第二近场信号，以及用于调节第一近场信号与第二近场信号之间的时延差；太赫兹接收器用于对第一近场信号和第二近场信号进行接收；电流放大器用于对太赫兹接收器接收的信号进行放大获得放大近场信号，锁相放大器用于对放大近场信号进行解调获得解调信号；处理器用于对解调信号进行处理获得样品表面信息，以及将第一近场信号与第二近场信号对应的解调信号进行叠加，基于叠加结果对样品自身的谐振效应进行研究；散射式近场扫描显微镜用于在太赫兹脉冲信号照射在样品表示，利用探针采集包含样品表面信息的近场成像信号，基于近场成像信号对样品表面进行成像。2.根据权利要求1所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，光路调节单元包括：第一镜片、第二镜片和第一至第六反射镜；其中，太赫兹发射器产生第一太赫兹脉冲信号经第一镜片分束为第二太赫兹脉冲信号和第三太赫兹脉冲信号，第二太赫兹脉冲信号依次经第一至第三反射镜反射后射入第二镜片，第三太赫兹脉冲信号依次经第四至第六反射镜反射后射入第二镜片；其中，第二和第三反射镜为第一反射模块，第四和第五反射镜为第二反射模块，通过横向移动第一反射模块和/或第二反射模块来调节第一近场信号与第二近场信号之间的时延差。3.根据权利要求1所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，所述光路调节单元还包括第一抛物面镜和第二抛物面镜，第一抛物面镜用于将光路调节单元射出的信号汇聚至样品表面，第二抛物面镜用于对样品上产生近场信号进行接收然后传输至太赫兹接收器。4.根据权利要求1所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，太赫兹发射器包括飞秒激光器和光导天线，所述飞秒激光器用于产生飞秒激光激发光导天线产生太赫兹脉冲信号。5.根据权利要求1所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，所述光路调节单元还用于调节第一近场信号与第二近场信号之间的光程差对太赫兹脉冲信号进行自相关测量，得到太赫兹波的时域信息。6.根据权利要求1所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，光导天线包括光电导层和天线结构。7.根据权利要求2所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，第一镜片为第一高阻硅镜片，第二镜片为第二高阻硅镜片。8.根据权利要求1所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，散射式近场扫描显微镜的探针尖端尺寸大小为亚波长结构。
9.根据权利要求1所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，第一反射模块移动时第二和第三反射镜为同步移动，第二反射模块移动时第四和第五反射镜为同步移动。10.根据权利要求2所述的一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，其特征在于，第一至第六反射镜为镀银反射镜。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹自相关近场成像成谱系统，涉及微纳光子学和太赫兹光电探测的交叉领域，所述系统包括：太赫兹发射器、光路调节单元、散射式近场扫描显微镜、太赫兹接收器、电流放大器、锁相放大器和处理器；本发明采用自相关近场成像成谱，通过对太赫兹脉冲进行自相关测量，可以获取太赫兹波的时域信息，本发明中的自相关近场成像成谱方法还具有对信号强度的增强和背景噪声的抑制能力，通过控制光程差和调节光学路径，将两次信号进行累加，实现对探针谐振效应的一种调节，有利于实现对样品本身谐振特性的研究。品本身谐振特性的研究。品本身谐振特性的研究。


技术研发人员：张栋昌 胡旻 尹浩玮 张晓秋艳 许星星 唐福
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/15