低频太赫兹近场光路原理与搭建介绍

作者：张栋昌

随着近场显微成像技术的发展，用于近场成像和成谱的频段逐渐往太赫兹靠近，但是曾用于红外近场的探测光路却不一定适用于太赫兹频段。对于连续波近场探测光路，常用的有自零差、零差、伪外差、外差以及合成全息等探测技术，除了自零差探测技术，其他方法均使用了干涉光路来提纯近场信号。伪外差探测技术需要参考镜高速抖动从而起到对参考相位的调制作用，然而为了实现足够的相位调制深度（90°），抖动振幅与波长呈正相关，在波长较长的低频太赫兹频段难以实现。合成全息技术对参考镜的移动速度要求不高，但是需要较为复杂的后期数据处理来得到近场图像，现阶段往往应用在2-10THz的较高频太赫兹近场光路中。由于几百GHz的太赫兹信号波长较长且可以利用倍频器和混频器实现频率变换，常使用零差探测以及外差探测技术。

---

零差探测技术

零差探测技术最初由Taubner 等人将迈克尔逊干涉结构成功集成到散射型近场光学显微镜（s-SNOM）中。利用干涉结构的增强效应，该技术显著提高了近场信号的信噪比，从而获得了高质量的近场光谱数据。这一技术的进步不仅增强了s-SNOM的信号质量，而且为高精度的近场光学成像和光谱分析奠定了基础。

该技术的光路示意图如图1所示，入射激光1经过分光片（BS）后分为两束光，即参考2和泵浦光5；其中，参考光路中的参考镜可以控制在前置位置(F)或后置位置 (B)，F和 B两个位置的距离为λ/8，对应相位差为 π/2。经过聚焦的泵浦光5聚焦在针尖-样品的近场系统区域中，近场散射信号7、8经过分光片反射调整后与参考路光束进行干涉形成一束调制光4，并由探测器进行接收后，由锁相放大器进行解调处理。

在实验操作中，首先将参考光路中的反射镜定位于F点，对样品进行前向扫描并记录相应的信号强度。随后将参考光路中的反射镜定位于B点，执行后向扫描，并再次记录信号强度。通过对比两个不同扫描位置的信号响应，可以分别提取样品的同相（In-Phase）和正交（Out-of-Phase）信号。利用这些信号数据，可以进一步计算出样品近场区域的振幅和相位信息，为后续的光学特性分析提供关键参数。

零差探测技术是通过精确控制参考光路中的反射镜位置，记录两个正交位置的近场信号，来实现对样品近场信号的精确探测。该技术能够全面记录信号的幅值和相位信息。在这一方案中，探测器的输出信号包含了三个主要的电场分量：即近场散射电场Eₛ，背景散射电场Eb和参考光电场Eᵣ。根据相关的光学理论，信号的表达式可以写为如下形式：

由于光学散射效应比较弱，参考光电场远强于散射电场和背景散射电场，即有

，因此信号的强度主要决定于上式中的I₃，I₅和I₆，而在上述这三项中仅仅I₆包含了近场散射电场Eₛ，所以如何从这一项中提取近场信号是该技术的关键。而对于I₆而言：

根据记录样品在前向扫描的信号（I₆-forward）和后向扫描的信号（I₆-backward），通过锁相放大器在二阶谐波上对信号进行分析和计算可以得到两个互为正交关系的式子，即

假设系统中参考光束是稳定的，那么二阶信号的幅值和相位信息，即F₂和φ₂可以通过下面式子很容易地求出来：

基于以上分析可以知道，该技术可以很好地滤除信号里混杂的背景噪声并对有用信号进行放大。实际搭建过程中探测器可以选用响应速度较快的毫米波检波器，对两个参考镜位置下得到的图像进行处理即可以得到纯净的近场强度和相位成像。

---

外差探测技术

差分探测技术，作为一种频率转换手段，最初在2000年被引入到s-SNOM系统中。该技术能够有效地消除背景噪声，并准确测量样品的光学特性。图2展示了这一技术的典型应用示意图。入射光通过分光镜后分为泵浦光1和参考光5。泵浦光经过反射后，聚焦到以频率Ω振动的探针上，并与样品发生相互作用。由此携带样品精细结构信息的散射光4被远场的抛物面镜接收。与此同时，参考光在经过频率调制后，其频率变为ω+G，随后变频的参考光束7与散射光4合并，形成调制光束8。为了彻底消除背景噪声，采用锁相放大器在G+nΩ的频点进行解调，其中n代表频率Ω的倍数。

图2展示了差分探测技术的光路实现图。与零差探测技术不同的是，零差探测技术通过调整参考路径中的反射光相位来记录两个正交信号，进而推导出近场信号。而差分探测技术则是通过频率调制器改变参考光的频率，并通过差频效应来解调信号。在这一方案中，参考光束的频率经过声光调制器的作用后，转换为ω+G，因此其复振幅可以表示为：

探测器探测到的信号可以表达为：

由于，I₃，I₅和I₆三项在信号中占据主导地位，其中I₃是参考光贡献的信号，因此是一个常量。I₅和I₆可以分别展开成如下形式：

从上述公式中我们可以了解到，I₅仅包含单一频率分量G，而I₆则由一系列频率分量构成，具体来说，它是由频率为G+nΩ的无限级数项组成的和。通过锁相放大器在G+nΩ分量上进行解调，除了I₆之外，上式中的其他项都会被消除。值得注意的是，I₆仅与Eᵣ和Eₛ相关，这意味着该技术在理论上能够实现最终信号与背景噪声的完全分离。进一步分析，如果在G+2Ω频率处进行解调，最终得到的强度信号可以表示为

从上式可以得知，在确定情况下Eᵢ，Eᵣ，φᵢ和φᵣ都是常量值，样品的幅值和相位信息，即F₂和φ₂，只与样品的固有性质有关。因此，通过锁相放大器获取到的信号可以推算出样品幅值和相位信息，进而可根据不同样品之间的信号对比进行样品的鉴定和识别。在几百GHz的频段，实际搭建过程中可以利用与入射信号具有一定频率差（G）的第二个太赫兹源作为参考信号，与背景信号和散射信号一同进入混频器，得到中频信号后，可以选择在G+nΩ频率进行解调，或是与频率为G的信号进行再次混频而后对nΩ频率解调，即可得到纯净的近场强度和相位信息。

---

参考文献

【1】Dai G, Yang Z, Geng G, et al. Signal detection techniques for scattering-type scanning near-field optical microscopy[J]. Applied Spectroscopy Reviews, 2018, 53(10): 806-835.

【2】Liewald C, Mastel S, Hesler J, et al. All-electronic terahertz nanoscopy[J]. Optica, 2018, 5(2): 159-163.

【3】Dai G, Wang J, Zhang X, et al. Low terahertz-band scanning near-field microscope with 155-nm resolution[J]. Ultramicroscopy, 2021, 226: 113295.

【4】Keilmann F, Hillenbrand R. Near-field microscopy by elastic light scattering from a tip[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2004, 362(1817): 787-805.

【5】Schnell M, Carney P S, Hillenbrand R. Synthetic optical holography for rapid nanoimaging[J]. Nature communications, 2014, 5(1): 3499.

投稿丨张栋昌

排版丨向绍莲