太赫兹近场光学系统的简述

作者：彭豹

一、研究背景及意义

太赫兹波（Terahertz wave,THz）通常是指频率在0.1THz-10THz(波长为3mm-30μm)范围内的电磁波。其在整个电磁波谱范围中位于微波和红外辐射之间，处于由电子学向光子学过渡的区域，如图1中黄色区域所示。也正是由于太赫兹波位置的特殊性，使其具备很多优势。

（1）安全性：低能量，无损伤；

（2）强穿透性：对许多非极性材料和非金属材料有较好的穿透性；

（3）指纹谱性：thz波段包含丰富的物理和化学信息，根据独特的指纹谱性能分析物体的物理化学性质；

（4）相干性：可以测量电场的振幅和相位，提取样品的折射率和吸收系数；

（5）瞬态性：thz波的持续时间长度通常在皮秒量级，具有高时间分辨能力。

近年来，已经有诸多学者把太赫兹波成像技术应用于疾病诊断，但大都停留在生物组织层面上，对细胞的成像研究基本还是一片空白。由于太赫兹辐射的长波长特性（1THz的波长是300μm），受到衍射极限的影响，可探测的空间分辨率难以突破半波长尺寸，不能满足细胞及亚细胞尺度空间分辨率的成像需求。 所以，如何得到较高空间分辨率的太赫兹成像成为太赫兹领域的一个热门课题。

太赫兹近场成像技术有望解决这一难题，得到微米甚至纳米量级的空间分辨率。近场这个词是相对于远场来说的，物体表面外的场分布可以按距离分为两个部分，距物体表面一个波长以内的区域称为近场区域；从一个波长外到无穷远处称为远场区 域。传统远场成像由于受到衍射极限的限制，其成像空间分辨率往往难以突破波长的二分之一。而近场是在距离样品表面一个波长以内的范围进行研究，能够突破常规光 学显微镜所受到的衍射极限，分辨率在原理上不受到波长的限制，从而获得较高的成像分辨率。

二、研究现状

目前利用太赫兹近场技术实现高分辨成像的方法中，常见的主要有以下几种：共焦法、孔径法、针尖散射法和透射法。今天主要讲解针尖散射法和透射法

针尖散射法的基本原理是，在近场区域内放置一个亚波长的微散射体，利用微散射体将近场信号散射到远场区域，太赫兹探测器可以探测到与针尖局域增强太赫兹电 场区域有关的感生太赫兹波，如图2所示。其成像空间分辨率取决于针尖的曲率半径，能达到纳米级的空间分辨率。目前我司已经研制成功太赫兹纳米近场光学扫描系统，如图3所示，由太赫兹时域光谱仪（TDS）、原子力扫描显微镜AFM和锁相放大器构成， TDS输出太赫兹波，通过自由空间光路经离轴镜汇聚在原子力探针上，扫描样品得到太赫兹信号，包括近场信号，远场信号还有背景噪声信号，经锁相放大器解调，得到纯净的近场信号，如图4-b所示。

实际测试数据（样品为受污染的金样品，基底为硅）

透射法又称直接探测法，它又与散射式太赫兹扫描显微镜不同，示意图如图5所示。它获取的式微米级别的分辨率，并且处理方式上也大相径庭。其采用极致地缩短探测器与样品的距离，尽可能缩小探测器尺寸。光导探针是目前最常用的近场探测器，其本质就是一对光导天线，是采用特殊的光刻工艺制作而成的微型锥形天线，其开口大小只有微米量级，能够消除杂散光对近场信号的影响。目前我司已经研制成功微米近场。分辨率在20微米，可选择探针扫描模式，或者是样品扫描模式。

三、最终结论

太赫兹近场光学系统可以成功突破传统光学的衍射极限，将光学探测分辨率推进至微米甚至纳米尺度，且适用波段覆盖可见到太赫兹，实现了从材料物理化学性质到生物样品结构的高分辨、无损、定量探测。

该技术在二维材料极化激元、半导体器件表征、生物检测等领域展现出巨大应用潜力，为纳米尺度科学研究提供了强有力的工具。我司直致力于太赫兹相关领域的研究，现已推出多款产品，欢迎致电我司咨询了解相关设备。

文献来源：

[1] Planken P C M, Valk N C J V D. Spot-size reduction in terahertz apertureless near-field imaging.[J]. Optics Letters, 2004, 29(19):2306-8. 

[2] Chen HT, Kersting R, Cho GC. Terahertz imaging with nanometer resolution. Appl Phys Lett 2003, 83(15):3009-3011 

[3] Knoll B, Keilmann F. Enhanced dielectric contrast in scattering-type scanning near-field optical 

[4] microscopy. Opt Commun 2000, 182(4-6):321-328. 

[5] 李早霞.太赫兹时域近场系统的研制与应用[D].长春理工大学,2019.

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