[发明专利]一种太赫兹近场成像系统及方法

说明书

一种太赫兹近场成像系统及方法，系统包括激光器，用于产生飞秒激光，飞秒激光经过分束镜分为入射光和检测光，入射光传输至入射单元，检测光传输至延时单元经延时后传输至光导开关并触发光导开关导通；入射单元，用于在入射光的激励下产生入射信号，入射信号激励金属探针产生局域场，局域场激励金属探针探测方向上的样品产生近场信号；金属探针，用于将近场信号耦合成电流信号，电流信号经金属探针、传输线、光导开关传输至后端处理单元；后端处理单元，用于接收和处理电流信号，得到样品表面的近场信息。本发明利用金属探针以电流的形式激发和提取样品表面的近场信号，不仅能够显著提高近场信号的信噪比和信号强度，并且大幅简化近场光路设计。

技术领域

本发明涉及太赫兹成像领域，具体涉及一种太赫兹近场成像系统及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波通常是指频率为100GHz～10THz，波长为30～3000μm的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波和远红外射线之间，具有低辐射、强穿透性、以及与生物、半导体材料易产生共振的光学属性，这些特点使得太赫兹近场成像技术被广泛地应用于安检安防、化学品鉴定、医学成像、质量控制等领域。近年来，随着太赫兹频段信号源和检测手段等技术的逐渐成熟，太赫兹频段的近场高分辨率成像技术也逐步发展起来。

现有技术中，用于太赫兹频段的扫描近场光学显微镜为散射型扫描近场光学显微镜，其主要以固态微波信号源、气体激光器和太赫兹时域光谱仪等作为信号源，入射波通过复杂的光路模块入射到探针上，通过探针的聚焦和散射作用，将样品表面的近场信息转化为散射波，再通过光学元件收集和传播到探测器。

传统的散射型扫描近场光学显微镜无法直接接收到样品表面的近场信息，通常利用探针的散射效应将近场信号传播到远场，因此需要非常复杂而精密的信号收集光路系统。例如专利CN111060719A所提供的太赫兹近场显微镜的太赫兹脉冲束引出机构即是通过设计复杂且精密的光路系统将样品产生的近场信号传播到远场。专利CN106442394B公开了一种太赫兹近场成像系统，其利用自混频效应代替近场探测器，且近场探针反射的近场太赫兹信号与入射信号共光路，有效地简化了光路系统。

但是，发明人发现，利用光路系统将近场信号传播到远场这种信号提取方式仍然存在两个核心问题。其一，在远场收集到的信号中，含有近场信息的部分通常来说非常少，大部分都是无用的背景散射信号，因此信噪比非常低；其二，光路系统的精度要求非常高，需要纳米级别分辨率的位移台精调，稍有偏差则信号的强度和信噪比将显著下降。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种太赫兹近场成像系统，其利用扫描近场光学显微镜的金属探针将样品表面产生的近场信号耦合成电流，并通过传输线直接将电流传递到后端处理器进行处理，进而得到样品表面的近场信息，实现金属探针直接从样品表面提取近场信号，不仅省去了用于提取传播近场信号的精密且复杂的光路系统，显著降低了制造成本，简化了扫描近场光学显微镜的构造，而且金属探针能够直接提取到样品表面的高质量的近场信号，避免了在光路系统中传输时混入远场信号，显著地提高了近场信号的提取效率，提高了信号的信噪比，简化了后续信号处理难度。

具体地，上述目的通过下述技术方案实现：

激光器，用于产生飞秒激光，所述飞秒激光经过分束镜分为入射光和检测光，所述入射光传输至入射单元，所述检测光传输至延时单元经延时后传输至光导开关并触发光导开关导通；

入射单元，用于在入射光的激励下产生入射信号，所述入射信号用于激励金属探针产生局域场，所述局域场用于激励金属探针探测方向上的样品产生近场信号；

金属探针，用于将近场信号耦合成电流信号，所述电流信号经金属探针、传输线、光导开关传输至后端处理单元；

后端处理单元，用于接收和处理电流信号，得到样品表面的近场信息。