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太赫兹近场超分辨成像技术


图(a)显示了一个样本图像,显示了不同材质之间的清晰对比。 图(b)样品相同区域的原子力显微镜图像用于对比。
装置的工作原理
1. 入射太赫兹场包含相对于样品的s偏振分量和p偏振分量, 以及聚焦光束光斑尺寸估计为~250毫米。
2. 从针尖-样品系统散射的激光辐射沿着与入射光束相同的 光路耦合回到QCL面,并且通过QCL端电压VSM来监 控所产生的同步信号。
3. 重新注入的太赫兹场与QCL腔内场混合,对激光电压产 生扰动,该扰动取决于太赫兹场的振幅和相位。我们可 以根据以下等式将Etot表示为从针样品系统散射的场分 量的叠加
Es代表从样品表面直接散射并重新注入激光腔的辐射产生 的背景场。
Eb涉及针轴和针尖的背景散射,包括样品表面的反射 Enf是指在电介质样品存在的情况下,尖端散射的近场增强
Vsm-QCL端电压的影响因素

为了弄清这些对再注入场的贡献,在样品沿z方向(朝向针 尖)平移时,监测Vsm信号
自混合电压Vsm与距离d的函数。对于小的间隔可以观察到 信号的近场增强。
基于针尖的太赫兹近场成像:
由偶极辐射理论,将亚波长量级的金属针尖放置在太赫兹波电场中可形成局域太赫兹源。将其 照明样品,携带样品丰富细节信息的隐失波(倏逝波)经针尖耦合、电光转换、低噪声放大以及信 号特征提取之后,转化图像数据。其空间分辨率取决于针尖尺寸。
Apertureless near-field terahertz imaging using the self-mixing effect in a quantum cascade laser 量子级联激光器中利用自混合效应的无孔近场太赫兹成像
在较大的针尖-样品分离中,观察到非零信号,这可能是由 于来自孤立针的直接散射对电子散射的贡献(Eb)
当样品接近探针时,在右图中观察到信号的急剧增加,这 可以归因于尖端样品系统的散射截面的近场增强。
消除Eb对Vsm端电压的影响
δL为外腔长度的变化,通过改变z值,往返外腔长度的变化 带来了相位的变化,对场量带来影响
在大的尖端-样品间距d>λ时记录的信号,代表来自孤立针 的散射贡献,可以看到在该范围内随着δL的增加而消失。
当L0=(m+-1/4)λ/2时Ed为0, L0=mλ/2时Ed为极大值,L0=(m+1/2)λ/2时Ed为极小 值, 所以d变化带来了Vs微伏特
最终效果
获得的二维图像分辨率可以达到1~7微米(λ/100)
太赫兹近场超分辨成像技术
超分辨成像的实现方法
基于针尖的太赫兹近场成像
远场成像的限制:
远场成像不能突破传统光学成像衍射光斑尺寸的极限,其最小成像分辨率为λ/2,即对应于 0.1 THz(波长 30 μm)的最小分辨率为 15 μm
近场成像:
将光斑小于入射波波长的局域太赫兹波照射样品或是探测样品表面近场区域携带样品信息的太赫 兹波,通过二维逐点扫描,采集所有扫描点处的太赫兹信息,由成像软件进行数据特征分类、处理 并重构出样品的太赫兹图像
频率为2.53THz(λ=119μm) 针头直径0.5mm,针尖被机械抛光形成小于1μm的针尖半径。 在尖端和QCL面之间形成的外部空腔的长度L0为40厘米。
装置图说明及相关参数说明
左下插图:来自QCL的辐射使用抛物面反射器聚焦到散射 探针的尖端,光束轴形成相对于针轴0-50度的仰角。 针尖在z方向正弦抖动。 左上插图:通过样品的表面反射来照亮尖端(蓝色箭头)和收 集散射场(红色箭头) 。
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