高分辨率近场太赫兹时域光谱系统及高精度层析成像方法

1.本技术涉及太赫兹成像技术领域，具体涉及一种高分辨率近场太赫兹时域光谱系统及高精度层析成像方法。


背景技术：

2.太赫兹频段代表电磁波谱上一个特殊的分段，其连接微波和红外波段，频率通常指0.1～10.0thz的范围(1thz＝1012hz对应电磁波长0.3毫米，对应时域1皮秒)。太赫兹具有频带较宽、光子能量较低、频谱分辨较优、相干性较强和生物电磁安全性良好等特点，因此在国计民生和科学研究中发挥了重要作用。尤其是太赫兹时域光谱(terahertz time domain spectroscopy，简称thz-tds)技术，广泛应用于医学成像、安检系统、半导体、磁学和其它基础科学研究等，通常需要依赖太赫兹时域光谱系统(后文简称thz-tds系统)实现。
3.根据脉冲thz辐射传播方向和待测样品的位置关系，thz-tds系统可以划分为透射式和反射式系统；根据待测样品和太赫兹源、太赫兹探测器之间的距离，thz-tds系统可划分为近场和远场系统。现有技术中存在的thz-tds系统多种多样，功能上也各有优劣。
4.例如，申请号为cn202110521855.9的发明专利中公开了一种基于时域光谱技术的太赫兹双模式成像系统及方法，该专利提供的太赫兹双模式成像系统既能实现透射式的远场探测，也能实现透射式的近场探测。然而，该专利采用透射式远场辐射，无法避免远场光路带来的损耗，且系统复杂、分辨率低；且该方案仅强调成像，不能用于分析薄膜电阻率其它电磁学性质。申请号为de 102009000823.3的德国专利公开了一种透射式远场辐射和近场探测的方案，该方案无法完全克服时域光谱系统分辨率低等缺点。
5.再例如，非专利文献ghost spintronic thz-emitter-array microscope[j](chen s c，feng z，li j，et al.light：science & applications，2020，9(1)：1-9.)中公开了一种透射式近场辐射和远场探测的成像方法。该方法利用了自旋太赫兹源紧贴样品进行透射成像，但无法实现反射式成像，对样品表面形貌的分析能力不足；其次，该方法使用远场单像素探测器进行探测，精度和分辨率相对于近场探测来说都相对更低；此外，该方法使用了多个dmd器件，调试难度大，虽然节约了机械扫描位移台的成本，但同时减少了光路的稳定性，而且高分辨率的dmd器件成本也很高。
[0006]
综上所述，现有技术中提供的thz-tds系统的分辨率有待提高，尽管也能通过更换器件提高分辨率，但带来的成本也非常高。
[0007]
《参考文献》
[0008]
[1]seifert t，et al.nature photonics，2016，10(7)：483-488.
[0009]
[2]wu q，zhang x c.free-space electro-optic sampling of terahertz beams[j].applied physics letters，1995，67(24)：3523-3525.
[0010]
[3]chen s c，feng z，li j，et al.ghost spintronic thz-emitter-array microscope[j].light：science & applications，2020，9(1)：1-9.
[0011]
[4]li z，et al.cell proliferation，2020，53(4)：e12788.


技术实现要素：

[0012]
为了提高太赫兹时域光谱系统的分辨率，减少系统的太赫兹传输损耗，本技术提供一种高分辨率近场太赫兹时域光谱系统，包括：
[0013]
第一太赫兹源，用于在第一脉冲激光的触发下产生第一太赫兹脉冲；
[0014]
第二太赫兹源，用于在第二脉冲激光的触发下产生第二太赫兹脉冲；
[0015]
太赫兹探测器，用于在第三脉冲激光的触发下接收第三太赫兹脉冲和第四太赫兹脉冲；所述第三太赫兹脉冲和第四太赫兹脉冲分别由待测样品对所述第一太赫兹脉冲和所述第二太赫兹脉冲辐射产生；
[0016]
脉冲激光光路，用于将所述第一脉冲激光、所述第二脉冲激光以及所述第三脉冲激光分别传输至所述第一太赫兹源、所述第二太赫兹源及所述太赫兹探测器；
[0017]
其中，所述待测样品与所述第一太赫兹源的距离、所述待测样品与所述第二太赫兹源的距离以及所述待测样品与所述太赫兹探测器的距离均小于太赫兹波长。
[0018]
在一实施例中，所述第二太赫兹源为一近场太赫兹双路探针上的第一探针，且所述第一探针连接有直流电源；
[0019]
所述太赫兹探测器为所述近场太赫兹双路探针上的第二探针。
[0020]
在一实施例中，所述第三太赫兹脉冲由所述第一太赫兹脉冲经所述待测样品透射产生；所述第四太赫兹脉冲由所述第二太赫兹脉冲经所述待测样品反射产生。
[0021]
在一实施例中，所述高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还包括一脉冲激光器；
[0022]
所述脉冲激光光路包括：
[0023]
光路分束器，用于将所述脉冲激光器产生的脉冲激光分为所述第一脉冲激光、所述第二脉冲激光及所述第三脉冲激光；
[0024]
透射式太赫兹激发光路，用于传输所述第一脉冲激光；
[0025]
反射式太赫兹激发光路，用于传输所述第二脉冲激光；
[0026]
太赫兹探测激发光路，用于传输所述第三脉冲激光。
[0027]
在一实施例中，所述透射式太赫兹激发光路包括扩束器、反射镜、抛物面镜及透镜组成。
[0028]
在一实施例中，所述高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还包括：
[0029]
电流放大电路，与所述太赫兹探测器连接，用于将所述太赫兹探测器接收到的所述第三太赫兹脉冲和所述第四太赫兹脉冲进行放大；
[0030]
数据处理系统，用于根据所述电流放大电路传输的第三太赫兹脉冲和第四太赫兹脉冲生成太赫兹时域光谱和/或太赫兹频域光谱。
[0031]
在一实施例中，所述高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还包括：
[0032]
样品托，用于承载所述第一太赫兹源及与之紧贴的待测样品；其中，所述第一太赫兹源为自旋电子太赫兹源；
[0033]
位移台，用于沿水平方向移动所述样品托，进而带动所述自旋电子太赫兹源及与之紧贴的待测样品同步运动。
[0034]
在一实施例中，所述高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还包括：
[0035]
样品托，用于承载所述待测样品；
[0036]
位移台，用于沿水平方向移动所述样品托，进而带动所述待测样品同步运动。
反射镜；m12-高反射率镀膜直角棱镜反射镜；m13、m15-线性镀膜偏振片；m14-波片；f1～f3-透镜；p1-抛物面镜；s1-第二太赫兹脉冲；s2-第四太赫兹脉冲。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
本技术提供一种高分辨率近场太赫兹时域光谱系统，如图1所示，该系统包括第一太赫兹源1、第二太赫兹源2、太赫兹探测器3以及脉冲激光光路4组成。图1中展示的是使用该高分辨率近场太赫兹时域光谱系统对待测样品5进行检测的场景，该场景下，该系统可以满足：待测样品5与第一太赫兹源1的距离、待测样品与第二太赫兹源2的距离以及待测样品5与太赫兹探测器3的距离同时小于太赫兹波长，其中，0.1thz典型值距离小于3mm。需要说明的是，这里的“距离”均指图1中沿z方向上的距离。由此可见，本技术的高分辨率近场太赫兹时域光谱系统同时应用了近场辐射技术和近场探测技术。
[0060]
具体地，关于近场辐射的实现，脉冲激光光路4传输脉冲激光41和脉冲激光42，一方面，脉冲激光41经透镜聚焦到第一太赫兹源1；第一太赫兹源1在脉冲激光41的触发下产生第一太赫兹脉冲；第一太赫兹脉冲辐射穿透待测样品5，实现近场辐射。第一太赫兹脉冲在待测样品5中发生透射产生相应的辐射脉冲。
[0061]
另一方面，脉冲激光42经透镜聚焦到第二太赫兹源2；第二太赫兹源2在脉冲激光42的触发下产生第二太赫兹脉冲；第二太赫兹脉冲辐射穿透待测样品5，实现近场辐射。第二太赫兹脉冲经待测样品5发生透射和反射，并产生相应的辐射脉冲。
[0062]
关于近场探测的实现，脉冲激光光路4传输脉冲激光43，脉冲激光43聚焦到太赫兹探测器3；太赫兹探测器3在脉冲激光43的触发下接收待测样品对应的辐射脉冲，实现近场探测。后续将太赫兹探测器3接收到的辐射脉冲进行分析处理即可得到对应的太赫兹时域光谱和/或太赫兹频域光谱。
[0063]
本技术通过将待测样品与太赫兹辐射源的距离以及待测样品与太赫兹探测器的距离控制为小于太赫兹波长，能同时利用近场辐射技术和近场探测技术提高系统的分辨率，降低太赫兹传输损耗。
[0064]
在一实施例中，当第一太赫兹源1、第二太赫兹源2、太赫兹探测器3的相对位置按图1所示设置时，太赫兹探测器3仅能接收到由第一太赫兹脉冲经待测样品5透射产生的辐射脉冲，以及由第二太赫兹脉冲经待测样品5反射产生辐射脉冲。为了便于区分，本技术将第一太赫兹脉冲在待测样品5中发生透射产生的辐射脉冲称为第三太赫兹脉冲。将第二太赫兹脉冲在待测样品5中发生反射产生的辐射脉冲称为第四太赫兹脉冲。
[0065]
此时，可由同一个太赫兹探测器3接收第三太赫兹脉冲和第四太赫兹脉冲，进而使本技术的高分辨率近场太赫兹时域光谱系统同时实现透射式近场辐射、反射式近场辐射以及近场探测，降低了光谱探测的时间成本。其中，太赫兹探测器3接收的两个辐射脉冲的接收时刻不同，因此后续分析时可根据接收时刻区分第三太赫兹脉冲和第四太赫兹脉冲，或者通过第三太赫兹脉冲和第四太赫兹脉冲的时域波形的脉冲宽度进行区分。
[0066]
在一实施例中，如图2所示，第二太赫兹源3为一近场太赫兹双路探针6上的第一根探针61，且探针61连接有直流电源；
[0067]
太赫兹探测器3为近场太赫兹双路探针6上的第二根探针62。
[0068]
具体地，近场太赫兹双路探针6的两根探针相同，均为太赫兹近场探针，且探针均可与同轴线缆连接。近场太赫兹双路探针的两根探针具备以下特性：供电模式下，探针可以发射太赫兹脉冲；不供电时，可连接放大器探测辐射脉冲。
[0069]
本实施例正是利用以上特性，通过同轴线缆63为近场太赫兹双路探针6的其中一根探针61供电(例如采用图3所示的直流稳压电源11供电)，使其作为具有发射太赫兹脉冲功能的第二太赫兹源2；另一根探针62不供电，使其作为具有辐射脉冲探测功能的太赫兹探测器3。其中，探针62可通过同轴线缆64与电流放大器连接，以将其接收到的辐射脉冲放大输出至下一端(例如图3中所示的数据处理系统10)。
[0070]
第一太赫兹源1的选择也有多种，例如非线性晶体、光电导天线和自旋电子太赫兹源等。若采用自旋电子太赫兹源，则为提高性能可能需要施加图2所示x方向的偏置磁场。
[0071]
在一实施例中，如图3所示，本技术的高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还包括一脉冲激光器7；图3中展示了脉冲激光光路4的一种完整示意图，从图3可中可以看出脉冲激光光路4包含光路分束器、扩束器、反射镜、抛物面镜及透镜等光学元件组成。脉冲激光光路4共包含三条分支即透射式太赫兹激发光路、反射式太赫兹激发光路以及太赫兹探测激发光路，分别用于将脉冲激光器7产生的脉冲激光传输至第一太赫兹源1、第二太赫兹源2以及太赫兹探测器3。
[0072]
具体地，请参见图3，脉冲激光器7产生一脉冲激光71，在光路分束器bs1的作用下，脉冲激光71被分为两路，一路为反射形成的脉冲激光43；另一路到达光路分束器bs2，被进一步分为两路，分别为脉冲激光41和脉冲激光42。
[0073]
其中，脉冲激光41依次经过透射式太赫兹激发光路中的扩束器8、反射镜m1、抛物面镜p1、反射镜m2及透镜f1，最终到达第一太赫兹源1，触发第一太赫兹源1生成第一太赫兹脉冲。传输脉冲激光41的光路可称为透射式太赫兹激发光路。
[0074]
脉冲激光42依次经过反射式太赫兹激发光路中的反射镜m3、反射镜m4、反射镜m5以及透镜f2，最终到达第二太赫兹源2，触发第二太赫兹源2生成第二太赫兹脉冲。
[0075]
脉冲激光43依次经过太赫兹探测激发光路中的反射镜m6、反射镜m7、反射镜m8、反射镜m9、反射镜m10、镀膜偏振片m13、1/2波片m14、线性镀膜偏振片m15、反射镜m11、透镜f3以及高反射率镀膜直角棱镜反射镜m12，最终到达太赫兹探测器3，触发太赫兹探测器3对待测样品的辐射脉冲进行探测。其中，本技术的镀膜偏振片m13、波片m14、镀膜偏振片m15组合成为高精度激光功率调节模块，通过该模块可对触发太赫兹探测器3的脉冲激光43的强度进行调节。
[0076]
实际应用中，可以根据需求对脉冲激光光路进行调整，包括改变脉冲激光光路中光学元件的类型、数量和设置位置等。图3中的脉冲激光仅为本技术提供的一种示例，并非用于限制本技术。脉冲激光41、脉冲激光42和脉冲激光43到达第一太赫兹源1、第二太赫兹源2以及太赫兹探测器3的先后时刻也可以通过调整对应传输光路中元器件的距离实现。光路传输路程短的脉冲激光先到达，光路传输路程长的脉冲激光后到达。
[0077]
在一实施例中，请继续参见图3，所述高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还包括电
流放大电路9和数据处理系统10。
[0078]
其中，电流放大电路9与太赫兹探测器3连接，用于将太赫兹探测器3接收到的第三太赫兹脉冲和所述第四太赫兹脉冲进行放大并传输至数据处理系统10。图3中采用的是近场太赫兹双路探针6，因此电流放大电路9通过同轴线缆64与探针62连接。
[0079]
数据处理系统10与电流放大电路9连接，用于根据电流放大电路9传输的第三太赫兹脉冲和第四太赫兹脉冲生成太赫兹时域光谱和/或太赫兹频域光谱。根据探测到的辐射脉冲生成太赫兹时域光谱和/或太赫兹频域光谱不作为本技术的重点，具体可参见现有技术中的相关方法实施即可，本技术在此不作过多描述。
[0080]
在一实施例中，如图4所示，所述高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还包括样品托12和与样品托12连接的位移台13。
[0081]
其中，样品托12用于承载第一太赫兹源1及与之紧贴的待测样品5；其中，所述第一太赫兹源1为自旋电子太赫兹源1’，此时为提高性能，可能需要在自旋电子太赫兹源1’上施加图4所示x方向的偏置磁场。
[0082]
位移台13可实现图4所示xy方向(水平方向)的移动，用于沿水平方向移动样品托12，进而带动自旋电子太赫兹源1’及与之紧贴的待测样品5同步运动。
[0083]
本实施例的高分辨率近场太赫兹时域光谱系统可得到待测样品在图4所示xy方向上的二维太赫兹时域/频域光谱。
[0084]
本实施例利用自旋电子太赫兹源辐射的时域宽度窄、带宽高的特性，有助于提高高分辨率近场太赫兹时域光谱系统的成像分辨率。此外，本实施例还利用自旋电子太赫兹源薄膜的均匀特性，当脉冲激光41聚焦的光斑相对于自旋电子太赫兹源1’移动时，自旋电子太赫兹源1’均能够稳定发射脉冲thz辐射。因此自旋电子太赫兹源1’也可以通过直接和位移台13连接，代替样品托的作用，此时无需再单独设置样品托12。
[0085]
在一实施例中，如图5所示，所述高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还包括样品托12’和与样品托12’连接的位移台13’。
[0086]
其中，样品托12’用于承载待测样品5；
[0087]
位移台13’可实现图5所示xy方向(水平方向)的移动，用于沿水平方向移动样品托12’，进而带动待测样品5同步运动。
[0088]
本实施例的高分辨率近场太赫兹时域光谱系统可得到待测样品在图5所示xy方向上的二维太赫兹时域/频域光谱。
[0089]
本实施例与前一实施例类似，只是适用于第一太赫兹源为自旋电子太赫兹源以外的其他太赫兹源(例如非线性晶体、光电导天线等)的场景。
[0090]
需要说明的是，本实施例中，第一太赫兹源1与待测样品5之间具有一定的距离，为实现近场辐射，需要保证该距离仍小于太赫兹波长。
[0091]
另一方面，本技术还一种高精度层析成像方法，应用于本技术提供的任一高分辨率近场太赫兹时域光谱系统。以应用于图3所示的高分辨率近场太赫兹时域光谱系统为例进行说明。请同时参见图3、图6和图7，该方法包括以下步骤：
[0092]
步骤s701，获取太赫兹探测器3接收到的第二太赫兹脉冲s1经一多层样品5’(参见图6)反射产生的多个第四太赫兹脉冲s2；其中，多个第四太赫兹脉冲s2分别由多层样品5’的不同层对第二太赫兹脉冲s1反射产生。探测时，多层样品放置于图3中待测样品5所在的
位置即可。
[0093]
步骤s702，根据接收时间和幅度确定所述第四太赫兹脉冲与所述多层样品各层的对应关系。这里主要是利用了第二太赫兹脉冲s1到达多层样品不同层的时间和不同层反射产生的第四太赫兹脉冲s2到达太赫兹探测器的时间不同(体现为各第四太赫兹脉冲的延迟时间不同)、以及不同层的信号强度不同(体现为各第四太赫兹脉冲的峰值幅度不同)的原理，具体可参见图6所示的波形图。
[0094]
步骤s703，分别对所述多层样品各层对应的第四太赫兹脉冲生成的太赫兹时域光谱和/或太赫兹频域光谱进行分析，得到所述多层样品的层析图像。
[0095]
这里分别根据多层样品5’不同层对应的第四太赫兹脉冲生成该层的太赫兹时域光谱和/或太赫兹频域光谱，再分别针对不同层的太赫兹时域光谱和/或太赫兹频域光谱分析，即可得到包含有多层样品各层完整信息的层析图像。
[0096]
由此可见，通过本方法可得到待测样品在图3所示的z方向上的层析太赫兹时域/频域光谱。
[0097]
进一步地，请同时参见图3、图6和图8，所述高精度层析成像方法还包括：
[0098]
步骤s801，获取所述多层样品中需要成像的位置与所述多层样品表面的距离。
[0099]
具体地，假设需要成像的位置51’为图6多层样品5’从左至右数的第二层(即中间那一层)，多层样品表面52’为多层样品5’最先接收到第二太赫兹脉冲s1的表面，即图6中多层样品5’左侧的一面。则多层样品5’中需要成像的位置51’与多层样品表面52’的距离为d。
[0100]
步骤s802，根据所述距离调整传输所述第三脉冲激光上的光路上的延迟线的位移。
[0101]
具体地，假设接收到多层样品表面52’反射的第四太赫兹脉冲s2的时刻为t秒，则当多层样品5’中需要成像的位置51’与多层样品表面52’的距离为d时，接收到需要成像的位置51’反射的第四太赫兹脉冲s2的时刻为(t+δt)秒，因此，只需在(t+δt)秒触发太赫兹探测器3即可检测到需要成像的位置51’反射的第四太赫兹脉冲s2。
[0102]
延迟或提前触发时间可通过调整触发太赫兹探测器3的脉冲激光43的传输光路实现，例如沿图3所示箭头方向调整太赫兹探测激发光路中的反射镜m7和反射镜m8的位移δx。向图3的左侧移动，可延迟触发时间；向图3的右侧移动，可提前触发时间。
[0103]
本步骤中，只需将反射镜m7和反射镜m8向左移动δx，在需要成像的位置反射的第四太赫兹脉冲到达太赫兹探测器3的同时，使脉冲激光43触发太赫兹探测器3即可。
[0104]
步骤s803，通过脉冲激光43触发太赫兹探测器3，使太赫兹探测器3接收需要成像的位置对应的第四太赫兹脉冲。脉冲激光43是沿步骤s802调整后的太赫兹探测激发光路传输至太赫兹探测器3的。
[0105]
步骤s804，对根据需要成像的位置对应的第四太赫兹脉冲生成的太赫兹时域光谱和/或太赫兹频域光谱进行分析，得到需要成像的位置的图像。
[0106]
本实施例与图7对应的实施例的区别在于，本实施可实现对多层样品中的其中一层进行单独分析和成像，而图7对应的实施例则是对多层样品的全部层进行分析成像。相比之下，本实施例无需对多层样品各层反射的第四太赫兹脉冲全部分析，仅需提取需要成像的位置对应的第四太赫兹脉冲进行分析即可，成像速度较快。
[0107]
图7和图8中给出的高精度层析成像方法可对微纳结构、多层膜结构进行高分辨率
成像(约10-100um)，不仅可以重建物品内部结构的三维信息，如探测微机电系统、小型药物、小型作物种子等，还能针对性地提取每层的电磁学参数，用于材料研究。
[0108]
需要说明的是，利用本技术的高分辨率近场太赫兹时域光谱系统进行层析成像的方法不适用于大尺寸物品的检测。实际上，除层析成像外，本技术的高分辨率近场太赫兹时域光谱系统还能用于分析材料的载流子输运、电磁学性质等。
[0109]
综上所述，本技术通过将待测样品与太赫兹辐射源的距离以及待测样品与太赫兹探测器的距离控制为小于太赫兹波长，能同时利用近场辐射技术和近场探测技术提高系统的分辨率，降低太赫兹传输损耗。同时，本技术使用近场太赫兹双路探针同时作为太赫兹探测器和太赫兹辐射源，能同时结合透射式和反射式的传播路径各自的特性。进一步地，可采用均匀的自旋电子太赫兹源，利用其高带宽特性，提高光谱分辨率，利用其易加工特性显著降低thz-tds系统的成本。本方案兼具高分辨率、结构简单和低成本等优点。
[0110]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
[0111]
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。