基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

太赫兹超分辨近场成像方法研究综述

受衍射极限的限制,传统太赫兹成像分辨率在毫米量级,无法满足目前前沿研究向微纳米尺度发展的主要趋势。高时空分辨率太赫兹成像技术成为当下太赫兹领域最重要的研究热点之一。近场太赫兹成像技术是实验中将太赫兹成像分辨率提升至微纳米量级的重要方法。介绍了近场太赫兹成像技术的基本原理,详述了多种近场太赫兹成像技术的发展历程与技术路线,从时空分辨能力、频谱分辨能力、成像质量、成像信噪比和适用场景等多个角度分析并总结了各种近场太赫兹成像技术的优势和不足。最后,讨论并展望了太赫兹超分辨成像未来的发展趋势。     

太赫兹成像技术的进展

近年来随着光子技术和微电子技术的快速发展,太赫兹成像的应用领域越来越广泛,并在药品食品监测、生物医学成像、器件非接触无损检测、文物艺术品研究等领域取得了不错的成果。从太赫兹波的独特性质开始,总结了相比微波和X射线,太赫兹波在成像方面的优越性能。接着从光源方面,对太赫兹连续波成像和太赫兹脉冲波成像进行了比较,包括系统原理、成像特性以及各自优缺点等方面。之后,针对太赫兹成像技术二十年间的发展,本文重点回顾了太赫兹时域光谱成像技术、焦平面阵列探测成像技术、近场成像技术以及亚采样压缩感知成像技术四种方式,并对其基本原理和发展趋势进行了分析。其中,太赫兹时域光谱技术部分以经典的反射式光谱成像系统为例,重点介绍了光谱成像的基本原理、技术发展趋势及其在制药领域的实用案例,并在此基础上介绍了太赫兹源和太赫兹探测器两种成像关键器件的工作原理。焦平面阵列探测成像技术共介绍了CCD型、 Microbolometer型以及CMOS型三种目前较为成熟的面阵相机。近场成像技术分为孔径成像和尖端散射两大成像类型进行介绍,总结了包括近场照明模式、近场收集模式孔径成像技术以及激光太赫兹发射显微镜和扫描隧道显微镜两种典型的尖端散射近场成像技术,内容涉及系统工作的基本原理、当前研究的进展以及该技术在目前的发展中仍然存在的问题。最后一部分对比太赫兹光谱成像技术使用的光栅扫描采样方式,介绍了能够降低系统采样率的压缩感知成像方法。文中主要分析了光调制器作为亚采样关键器件的改进优化过程,以及研究人员对相关算法的改进。     

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

太赫兹时域光谱技术应用研究进展

随着光子技术和材料科学技术的进步,太赫兹波技术得到了突破性的发展,太赫兹技术的应用研究也迅速扩展到了越来越多的领域。本文介绍了本研究组在太赫兹时域光谱仪软件开发和太赫兹光谱技术应用方面的研究进展。主要包括:太赫兹时域光谱仪操控软件的开发;太赫兹光谱数据库开发;太赫兹光谱智能解析软件的开发;太赫兹光谱技术用于妇科癌组织诊断;太赫兹光谱技术用于中草药大黄的品质鉴定;太赫兹光谱技术用于食品中农药含量分析;太赫兹光谱技术用于同分异构分子分析等。并对实际应用的有关问题进行了讨论。     

基于人工表面等离激元探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强

为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率,设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针,用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦.研究表明,对于频率为0.1 THz的入射波,厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20μm左右(λ/150),探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍.研究还发现,周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.     

太赫兹光谱技术在四氢双环戊二烯检测中的应用

研究了太赫兹光谱技术在鉴别含能材料同分异构体中的应用。首先研制了适于特定工程应用的太赫兹时域光谱仪样机，并经过振动冲击、高低温试验验证了样机的环境适应性，表明该款样机完全可以在非实验室环境下稳定可靠地工作。利用一氧化碳标准气体验证了样机测量光谱的正确性，并同时实现了对样机测量频率的校准；利用校准后的光谱仪测量了四氢双环戊二烯的两种同分异构体endo-THDCPD和exo-THDCPD的太赫兹光谱，测量结果显示两种不同构型材料的太赫兹光谱存在显著差异，endo-THDCPD的太赫兹光谱在0.23 THz和1.70 THz处呈现出明显的特征吸收，exo-THDCPD的2个最明显的特征吸收峰则位于1.41 THz和1.74 THz。该结果表明:运用太赫兹光谱技术可有效区分这两种分子结构仅存在微弱差异的材料，对太赫兹光谱在含能材料研究领域的应用具有参考意义。     

超越SNOM探针通光孔径尺寸的金属纳米间隙超分辨测量

采用电磁场有限元方法,数值模拟了孔径型扫描近场光学显微镜(aperture Scanning Near-field Optical Microscopy,a-SNOM)在照明模式下的工作过程.针对金偶极天线结构,改变天线长度和纳米间隙尺寸,计算了a-SNOM探针孔径的远场辐射速率随探针端面中心坐标变化的扫描曲线,实现了超越a-SNOM探针通光孔径尺寸的天线金属纳米间隙的超分辨测量,对于100nm通光孔径的探针,可分辨最小尺寸为10nm(0.016倍波长)的金属间隙.通过对比金属和介质偶极天线的a-SNOM探针远场辐射速率测量的计算结果,表明天线金属纳米间隙的超分辨测量的实现是由于金属间隙表面等离激元的激发.     

太赫兹瞬态响应光导开关的实验研究

采用飞秒激光激励光导开关能够产生脉宽皮秒甚至亚皮秒级的太赫兹脉冲,近年来,这项技术成为校准宽带示波器上升时间的有效手段。以低温生长砷化镓（LT-GaAs）为光导开关的基底,在飞秒激光激励下产生太赫兹脉冲,经共面波导传输,通过微波探针耦合为1．85mm同轴输出,然后利用带宽70GHz的取样示波器对其半幅度宽度进行测量。实验获得太赫兹脉冲的半幅度宽度（FWHM）约为7．4ps。     

Spot-size reduction in terahertz apertureless near-field imaging

We show measurements and calculations of the terahertz (THz) near field of a metal tip with a specially formed, semicircular apex that allows us to identify the separate contributions of the tip apex and shaft to the measured signal. We find that when the tip-crystal distance is not modulated the measured near-field signal is overwhelmed by contributions from the tip shaft, resulting in a relatively large THz spot size. When the tip-crystal distance is modulated, with subsequent lock-in detection at the modulation frequency, only the near-field distribution of the semicircular apex is observed, resulting in a much smaller THz spot size and thus improved spatial resolution.     

Near-field terahertz imaging with a dynamic aperture

By introduction of an optical gating beam on a semiconductor wafer, near-field terahertz (THz) imaging with a dynamic aperture has been realized. The spatial resolution is determined by the focus size of the optical gating bean and the near-field diffraction effect. THz imaging with subwavelength spatial resolution (better than 50mum) is demonstrated.     

NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS

The photoconductive (PC) antenna is a key device for the recent terahertz (THz) photonics based on laser-pumped generation and detection of THz radiation. In this paper we report on two new types of PC antennas: the Schottky PC antenna and the multi-contacts PC antenna. The former one is able to detect THz radiation intensity without the time-delay scan and useful for applications where spectroscopic information is not important, such as the THz intensity imaging. The latter one is useful for the polarization sensitive THz spectroscopy, such as the THz ellipsometry. The characteristic features of these new types of PC antennas are studied by using a THz time-domain spectroscopy system.     

Mapping an on-chip terahertz antenna by a scanning near-field probe and a fixed field-effect transistor

In the terahertz(THz) regime,the active region for a solid-state detector usually needs to be implemented accurately in the near-field region of an on-chip antenna.Mapping of the near-field strength could allow for rapid verification and optimization of new antenna/detector designs.Here,we report a proof-of-concept experiment in which the field mapping is realized by a scanning metallic probe and a fixed AlGaN/GaN field-effect transistor.Experiment results agree well with the electromagnetic-wave simulations.The results also suggest a field-effect THz detector combined with a probe tip could serve as a high sensitivity THz near-field sensor.     

太赫兹光谱法和GA-BP在甲醇浓度检测的应用

在常温常压下,利用光电导天线式太赫兹时域光谱仪和自行设计的气室,在0.1~3.0 THz范围内对甲醇气体进行太赫兹时域光谱测试,测试结果表明,甲醇气体在1.0~3.0 THz没有明显的吸收峰,但是在0.1~1.0 THz波段存在明显的吸收峰。为了准确测定甲醇气体的浓度,根据甲醇气体在0.1~1.0 THz范围内的15处不同的位置处的特征吸收峰强度和甲醇气体浓度的关系,对十五组不同浓度的甲醇气体进行检测,获得了在特征吸收峰处的差异曲线。基于误差反向传播(BP)神经网络的函数逼近特点,并利用遗传算法(GA)收敛速度较快,不宜陷入局部极值的优点,采用GA优化BP神经网络的初始的权值和阈值,构建了以预测甲醇浓度为目的的数学模型。结果表明,该网络模型适用于体积浓度范围为0.028 3~0.424 6 m3·L-1的甲醇的浓度预测,两组样本的平均相对标准误差为1.7%,平均回收率为98%,神经网络误差精度10-1,实测值与期望值的相关系数为0.996 77,基本达到理想预测结果。本成果不仅获得了甲醇气体在太赫兹频段的实验数据,而且发现太赫兹时域光谱法和GA-BP神经网络相结合的方法能有效地检测甲醇气体的体积浓度,为检测甲醇气体浓度提供新的方法。     

基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法研究

太赫兹光谱技术作为获取物质在太赫兹频段信息的主要方法,已经被广泛应用于物质成分的测定,而其在成分分布成像方面则有着更广阔的应用前景,例如片剂药品的有效成分检测、行李安检的危险物品检测等。现有的太赫兹光谱探测方法时域光谱技术（THz-TDS）和频域光谱技术（THz-FDS）均不能很好地兼顾光谱分辨率与扫描时间;且获得物质光谱数据往往要花费数秒乃至数分钟时间（取决于光谱仪的结构）,这对多像素成像系统显得过于迟缓,更无法达到视频成像的速率需求,严重制约了太赫兹光谱成像的实际应用。目前的太赫兹波成像多为全频段波强度成像,只能反映样品的空间分布信息,并不能反映出样品的光谱即成分信息。因此,对太赫兹光谱探测速率的提升十分迫切,太赫兹光谱高速探测的实现不仅可以显著减少物质成谱的实验耗时,还为实现物质的太赫兹光谱成分分布成像提供了可能。提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法,在设计了该方法装置结构的基础上,理论分析了其工作过程,同时进行了太赫兹光谱的计算。然后从数据采样、数据处理及参数选择这几个方面进行问题分析,计算得出该方法能够显著加快物质太赫兹光谱的扫描获取速率。最后,对该方法建模进行仿真研究,模拟实现其完整的探测过程。在仿真研究中,以太赫兹辐射源的频谱分布为例,将该方法的建模仿真结果与时域光谱技术（THz-TDS）测试结果进行了对比,结果表明时域光谱技术（THz-TDS）所测得的频谱曲线可以近似看作是该高速光谱探测法所得频谱曲线的包络线,两种不同方法所得频谱结果具有较强的一致性。总之,该方法能够进行样品的太赫兹光谱探测,且在保证分辨率相同的前提下,较时域光谱技术（THz-TDS）显著加快了成谱速率,为实用、高通量太赫兹光谱成像提供了一种可能。     

Recent advances in terahertz imaging

We review recent progress in the field of terahertz “T-ray” imaging. This relatively new imaging technique, based on terahertz time-domain spectroscopy, has the potential to be the first portable far-infrared imaging spectrometer. We give several examples which illustrate the possible applications of this technology, using both the amplitude and phase information contained in the THz waveforms. We describe the latest results in tomographic imaging, in which waveforms reflected from an object can be used to form a three-dimensional representation. Advanced signal processing tools are exploited for the purposes of extracting tomographic results, including spectroscopic information about each reflecting layer of a sample. We also describe the application of optical near-field techniques to the THz imaging system. Substantial improvements in the spatial resolution are demonstrated. Received: 29 January 1999 / Published online: 7 April 1999     

Bridging the terahertz near-field and far-field observations of liquid crystal based metamaterial absorbers

Metamaterial-based absorbers play a significant role in applications ranging from energy harvesting and thermal emitters to sensors and imaging devices.The middle dielectric layer of conventional metamaterial absorbers has always been solid.Researchers could not detect the near field distribution in this layer or utilize it effectively.Here,we use anisotropic liquid crystal as the dielectric layer to realize electrically fast tunable terahertz metamaterial absorbers.We demonstrate strong,position-dependent terahertz near-field enhancement with sub-wavelength resolution inside the metamaterial absorber.We measure the terahertz far-field absorption as the driving voltage increases.By combining experimental results with liquid crystal simulations,we verify the near-field distribution in the middle layer indirectly and bridge the nearfield and far-field observations.Our work opens new opportunities for creating high-performance,fast,tunable,terahertz metamaterial devices that can be applied in biological imaging and sensing.     

单壁碳纳米管束针尖增强近场拉曼光谱探测实验研究

针尖增强近场拉曼光谱术是最近发展起来的光谱技术。金属探针在获得样品纳米局域表面形貌的同时,受激光激发,在针尖附近产生增强电磁场,得到与形貌位置精确对应的针尖增强局域拉曼光谱,形貌和光谱的结合实现了纳米局域的光谱指认。文章建立了一套针尖增强近场拉曼光谱测量装置,并用此装置对电弧法合成的单壁碳纳米管进行了近场拉曼光谱探测。测量了直径为100 nm单壁碳纳米管束的针尖增强拉曼光谱,进一步得到至多3根单壁碳纳米管的近场拉曼光谱,实现了超衍射分辨光谱探测。通过与远场拉曼光谱比较发现,针尖增强近场拉曼光谱的增强因子大于230倍。实验证明,同时具有超衍射空间分辨和拉曼光谱信号增强能力的针尖增强近场拉曼光谱术将是纳米材料和纳米结构表征的一种重要方法。     

被动式太赫兹图像目标检测研究

研究提出一种被动式太赫兹扫描成像的目标检测方法。用0.22 THz被动式扫描成像系统采集原始图像,在滤波去噪后用针孔像分析法获得太赫兹扫描成像系统的点扩展函数,进而用Lucy-Richardson算法重构图像,通过灰度变换和边缘检测增强图像对比度和目标分辨力。实验结果表明,算法能有效改善被动式太赫兹图像质量,提高成像系统探测隐藏可疑物的能力。