[发明专利]一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜

说明书

一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，该系统包括第一部分：第一射频种子源、第一功分器、第一倍频器、定向耦合器；第二部分：第二射频种子源、第二功分器、第二倍频器、混频器；以及抛物面镜、压电陶瓷、纳米级曲率探针、样品、射频混频器、第三倍频器、中频混频器、锁相放大器、信号发生器、计算机、导视激光器和反光镜片。本发明通过射频混频技术提供本振信号，而后对混频器输出的中频信号进行滤波降噪，再采用锁相技术将将近场波提取出来，从而有效地得到待测样品的信息。同时本发明还具有结构紧凑简单、操作简单、探测效率高、稳定性高、可操作性强等特点，能够完成近场THz弱散射信号的幅值和相位的提取工作。

技术领域

本发明涉及太赫兹(THz)探测和应用技术领域，特别涉及一种基于射频电子学方法的太赫兹近场显微镜。

背景技术

THz波是一种波长介于30μm-3000μm的电磁辐射，由于其低辐射、穿透性强、易与生物或半导体材料产生共振等特殊的光学性质，已经被广泛应用于固体物理学和生物学材料的研究当中。由于其波长处在微米量级，根据经典的光学瑞利判据，远场光谱仪所能达到的最佳分辨率不会优于半个波长。所以为了达到在纳米尺度研究纳米半导体器件或生物分子的目的，需要研发一种近场显微镜绕开瑞利衍射极限，将空间分辨率扩展到纳米量级。

散射式THz近场扫描显微镜(THz-SNOM)是目前纳米尺度下进行THz光谱研究的主要工具，也是国际前沿的研究热点。THz-SNOM目前面临的一项巨大的技术难题就是需要借助于功率强大的辐射源来进行泵浦，以达到增强近场电场增强效果。一般而言，基于光学方法的THz辐射源的功率很难满足需要，而电子学倍频的THz源功率一般在毫瓦级，能满足此项设备的需要。基于电子学的THz-SNOM需要解决的主要问题是如何有效地将源发射的THz波聚焦到近场范围，而后再接收回来进行处理。为解决此难题，本项发明针对性地设计了一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，通过本发明设计的结构，可以在有效发射和接收信号的同时还提高信号传输效率，具有很大的应用潜力。

发明内容

为了克服现有近场显微镜技术的遇到的瓶颈问题，本发明提供了一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，针对性地解决了光学THz系统中功率不足的问题，同时实验中的信号传输很大程度地实现了波导传输，从而解决了泵浦功率不高和传输损耗过大的问题，为THz近场显微镜的技术实现提供了新的途径。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体的技术方案为：一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，包括第一部分：第一射频种子源1、第一功分器3、第一倍频器5、定向耦合器7；第二部分：第二射频种子源2、第二功分器4、第二倍频器6、混频器8；以及抛物面镜9、压电陶瓷10、纳米级曲率探针11、样品12、射频混频器13、第三倍频器14、中频混频器15、锁相放大器16、信号发生器17、计算机18、导视激光器19、反光镜片20。第一部分中第一射频种子源1与第一功分器3的a端相连，第一功分器3的b端与射频混频器13的a端相连，第一功分器3的c端与第一倍频器5相连，第一倍频器5与定向耦合器7相连；第二部分中第二射频种子源2与第二功分器4的a端相连，第二功分器4的b端与射频混频器13的b端相连，第二功分器4的c端与第二倍频器6相连，第二倍频器6与混频器8的a端相连，混频器8的b端与定向耦合器7相连，混频器8的c端与中频混频器15相连。射频混频器13的c端与第三倍频器14相连，第三倍频器14与中频混频器15相连，中频混频器15与锁相放大器16相连，锁相放大器16与信号发生器17相连，信号发生器17与探针上的压电陶瓷10相连，纳米级曲率探针11在压电陶瓷10促动下进行高频振动，计算机18接收并处理锁相放大器16处理完毕的信号。

所述射频种子源可输出频率为GHz频段的信号，可利用倍频器对其输出信号进行一次或多次倍频，以得到想要的THz频段的信号。

所述功分器为功率分束器，可以将射频种子源的输出信号分为两路。

所述倍频器可以将输入信号的频率进行倍频，而后输出倍频信号。