探针组件、太赫兹无散射近场扫描系统及扫描方法

本发明涉及太赫兹成像领域，具体涉及探针组件、采用该探针组件的太赫兹无散射近场扫描系统及扫描方法。

背景技术：

1、太赫兹(terahertz，thz)波通常是指频率为100ghz～10thz，波长为30～3000μm的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波和远红外射线之间，具有低辐射、强穿透性、以及与生物、半导体材料易产生共振的光学属性，这些特点使得太赫兹近场成像技术被广泛地应用于安检安防、化学品鉴定、医学成像、质量控制等领域。近年来，随着太赫兹频段信号源和检测手段等技术的逐渐成熟，太赫兹扫描近场光学显微技术(thz-snoms)快速发展起来。

2、太赫兹扫描近场光学显微技术大致可分为散射式thz-snoms、基于孔径的thz-snoms和太赫兹时域光谱snoms。其中，基于tapping模式原子力显微镜(afm)的散射式thz-snoms采用金属探针针尖接近被测样品表面，利用针尖附加电场纳米局域的增强，将近场太赫兹信号散射到远场进行测量，突破了光学衍射极限，实现了纳米级分辨率，扩展了太赫兹在生物、半导体等领域的应用。

3、现有的散射式thz-snoms为了在远场提取散射信号，需要设置半透半反硅片、反射镜、检波器等元器件，信号收集光路十分复杂，调试较为复杂，制造成本高。同时，在远场收集到的信号中，含有近场信息的散射部分较少，信噪比较低。此外，由于采集过程需要等待针尖的抖动，使得太赫兹近场扫描的速度始终受限于针尖的抖动频率，样品成像速度慢，并且高频的抖动亦将造成针尖的损耗。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提供一种用于散射式thz-snoms的探针组件，其能够直接采集针尖上传导的太赫兹信号，而无需从远场提取散射信号，故能移去半透半反硅片、检波器等元器件，并且在采集过程中针尖无需抖动，使得太赫兹近场扫描的速度不再受限于针尖抖动频率，扫描速度得到较大提升，同时，采集到的太赫兹信号信噪比更高。

2、具体地，上述目的通过下述技术方案实现：

3、探针组件，包括第一基底，所述第一基底上设置有悬臂，所述悬臂上连接有针尖，所述第一基底和所述悬臂之间设置有第二基底，所述第二基底用于在激光的照射下生成光生载流子，所述第二基底上设置有电极，所述电极与所述悬臂之间存在有间隙。

4、本技术方案中，与现有技术相同的是，探针组件包括第一基底，所述第一基底优选采用陶瓷基底。在第一基底上设置有悬臂，悬臂上设置有探针。

5、与现有技术不同的是，在第一基底上还设置有第二基底，第二基底上除了设置有悬臂外，还沉积有电极。在部分实施例中，电极平行于所述悬臂。在一个或多个实施例中，位于第二基底上的电极的长度、位于第二基底上的悬臂的长度、第二基底的长度三者相等。第二基底能够在激光的照射下生成光生载流子，在一个或多个实施例中，第二基底可以是lt-gaas、gaas、inp、ingaas、si-gaas中的一种或多种，也可以是其他能够在激光照射下生成光生载流子的材料，优选地，第二基底采用lt-gaas。

6、此外，第二基底上的悬臂部分和电极之间存在间隙，以使得电流沿悬臂传导至平行电极的一侧时能够形成电位差，进而在第二基底上的悬臂和电极之间的间隙内形成电场。

7、工作时，入射太赫兹波聚焦于样品和针尖之间，针尖与样品形成电偶极子系统，入射太赫兹波在针尖形成局域增强，产生沿针尖、悬臂传导的太赫兹电流信号，包含样品信息的太赫兹电流信号沿悬臂传导至位于第二基底上的悬臂部分时会在间隙中形成电场，同时，第二基底在自由空间中的激光的照射下生成光生载流子，光生载流子在电场的影响下定向移动形成电流，该电流能够经电流放大器放大、转化为电压后由数据采集卡采集后收集，并在上位机上进行处理后得到对应的太赫兹信号，从而分析出其包含的样品信息。

8、本技术方案通过直接从针尖上提取传导的太赫兹信号，舍弃了散射场，相较于传统的利用针尖采集并在远场提取散射信号的方式，由于沿针尖、悬臂等金属传导的太赫兹信号包含更多的近场信息，将能够显著地提高了信号的信噪比，提升了提取效率；同时，该探针组件能够允许thz-snoms移除检波器，以及用于远场提取散射信号的半透半反硅片、反射镜等元器件，大幅地简化了thz-snoms；不仅如此，由于采集的是针尖传导信号，因此无需针尖抖动，不仅能够降低针尖的损耗，而且使太赫兹近场扫描速度不再受限于针尖抖动频率，扫描速度得到较大提升，扩展了太赫兹近场在各种快速扫描邻域，例如芯片检测的应用。

9、进一步地，所述间隙的宽度为5～15μm。间隙的宽度决定了采集电流信号的强弱，间隙越窄介质内的光生载流子浓度更高，空间电荷电场产生更快。但是在高能量光泵浦情况下，需要考虑载流子空间电荷和辐射场屏蔽所带来的饱和问题，同时过窄的间隙将导致电压过大，造成电极击穿，这对于电极的绝缘、偏压、光强都有更高的要求。优选地，间隙的宽度为8～11μm，进一步优选地，间隙的宽度为10μm。

10、进一步地，所述第二基底的厚度为1.0～1.5μm。第二基底的厚度决定了光生载流子的生成，如果过薄产生的载流子浓度不足，会导致天线饱和信号过小，后续的数据采集无法分辨提取有用信号；如果基底过厚一方面会大大增加设备成本，另一方面厚基底需要更强的飞秒激光激发，易损坏器件。优选地，第二基底的厚度为1.0～1.3μm，进一步优选地，第二基底的厚度为1.2μm。

11、本发明的另一个目的在于提供一种采用前述任一种探针组件的太赫兹无散射近场扫描系统，该系统利用探针组件直接在针尖上提取太赫兹信号的特点，整体结构进一步优化，具有较高的信噪和更快的扫描效率。

12、具体地，上述目的通过下述技术方案实现：

13、太赫兹无散射近场扫描系统，包括：

14、激光单元，用于产生飞秒激光，所述飞秒激光分光为泵浦激光和探测激光；

15、入射单元，在泵浦激光的激发下生成入射太赫兹波，并将所述入射太赫兹波聚焦于样品与所述探针组件的针尖之间形成包含样品信息的太赫兹信号；

16、探针组件，采用前述任一种探针组件，所述太赫兹信号能够沿所述探针组件的针尖、悬臂传导，并在传导至所述电极的侧面时于所述间隙中形成电场；

17、探测单元，用于将所述探测激光转化为自由空间的激光，所述自由空间的激光用于照射探针组件的第二基底生成光生载流子，所述光生载流子用于在所述电场的作用下形成电流；

18、后处理单元，用于处理所述电流得到所述样品信息。

19、本技术方案中，太赫兹无散射近场扫描系统包括激光单元、入射单元、探针组件、探测单元和后处理单元。其中，激光单元用于产生飞秒激光，飞秒激光经分光器、耦合器等分光器件分为泵浦激光(tx)和探测激光(rx)。两束激光中，泵浦激光在入射单元中产生入射太赫兹波，后者聚焦于样品和针尖之间形成包含有样品信息的太赫兹信号，太赫兹信号是一种能够沿针尖、悬臂传导的电流信号，当太赫兹信号沿着悬臂传导至平行电极的一侧时，悬臂和电极之间的间隙内将形成电场；探测激光在探测单元中被转化为自由空间的激光，自由空间的激光照射在第二基底上时能够生成光生载流子，光生载流子在电场的作用下定向移动形成电流，该电流由后处理单元处理后，即可得到对应的太赫兹信号。

20、作为本发明中太赫兹无散射近场扫描系统的一种优选设置方式，其入射单元包括用于调节所述泵浦激光的相位的延时线模块，用于基于相位调节后的泵浦激光产生入射太赫兹波的光导天线，以及用于聚焦所述入射太赫兹波的离轴镜；所述探测单元包括用于将所述探测激光转换为自由空间的激光的光纤准直器。

21、本技术方案中，入射单元采用了延时线模块，以在飞秒激光分光为泵浦激光后，调节泵浦激光的相位，改变泵浦激光和探测激光的相位差，所述延时线模块可以采用现有技术的任一种延时线模块。泵浦激光经延时后经光导天线产生入射太赫兹波，随后在离轴镜的作用下聚焦于样品和针尖之间。探测单元包括的光纤准直器能够将探测激光转化为自由空间中的激光，进而在照射到第二基底时生成光生载流子。

22、作为本发明中太赫兹无散射近场扫描系统的另一种优选设置方式，其所述入射单元包括用于基于所述泵浦激光产生入射太赫兹波的光导天线，以及用于聚焦所述入射太赫兹波的离轴镜；所述探测单元包括用于将所述探测激光转换为自由空间的激光的光纤准直器，还包括反射镜和摆动电机，所述反射镜用于在摆动电机的驱动下反射所述自由空间的激光，使所述自由空间的激光扫描探针组件的间隙中的第二基底。

23、本技术方案中，探测单元采用了反射镜和摆动电机构成的激光振镜，使得探测激光在经光纤准直器转化为自由空间中的激光后，能够反射至第二基底上，同时利用激光振镜的快速振动，对间隙中的第二基底进行快速扫描，从而还原太赫兹波形。

24、相较于前一种优选近场扫描系统设置方式中光斑直接照射整个第二基底区域生成电子空穴对，本技术方案利用更小的光斑扫描整个间隙得到太赫兹信号的方式能够实现泵浦激光和探测激光的相位差，因此无需在系统中额外添加延时线模块，激光在自由空间的传输距离变短，无需额外补偿光程和脉宽。故该系统的入射单元中移除了延时线模块，泵浦激光经光导天线直接转化为入射太赫兹波并聚焦于样品和针尖之间。

25、本技术方案中，可以利用自由空间中的激光照射间隙的不同位置来采集太赫兹信号，替代了传统的延时线模块，有效地优化了结构配置，减小了系统体积，同时还降低了激光功率衰减和脉宽展宽，并进一步提高了扫描速度。

26、进一步地，所述后处理单元包括：

27、电流放大器，用于放大形成的所述电流，并将电流转化为电压；

28、数据采集卡，用于采集所述电压；

29、上位机，用于处理采集的电压得到样品信息。

30、悬臂经电流放大器连接至数据采集卡，电极接地并连接至数据采集卡。数据采集卡将采集的放大后的电压信号传递至上位机，上位机利用信号去噪算法和多次时间积分处理放大后的电压信号，从而得到样品表面的近场信息。

31、进一步地，所述激光单元包括激光器、衰减器和耦合器，所述衰减器用于降低所述激光器产生的飞秒激光的功率，所述耦合器用于将功率衰减后的飞秒激光分光为泵浦激光和探测激光。激光器产生具有特定中心波长、功率的飞秒激光后，飞秒激光经过衰减器调节其功率以防止烧坏后续元器件，之后，飞秒激光经耦合器分为泵浦激光和探测激光。在一个或多个实施例中，飞秒激光也可以经分束镜等其他分光元件进行分光。

32、本发明的另一个目的在于提供一种基于前述太赫兹无散射近场扫描系统的扫描方法，该方法采集针尖传导信号而非散射信号，采集的太赫兹信号信噪比更高，且扫描速度更快。

33、具体地，上述目的通过下述技术方案实现：

34、太赫兹无散射近场扫描方法，采用前述任一种太赫兹无散射近场扫描系统，该扫描方法包括以下步骤：

35、飞秒激光分光为泵浦激光和探测激光；

36、所述泵浦激光转化为入射太赫兹波并聚焦于样品与针尖之间形成包含样品信息的太赫兹信号；

37、所述太赫兹信号沿针尖、悬臂传导，传导至所述电极的侧面时于间隙中形成电场；

38、所述探测激光转化为自由空间的激光并照射第二基底生成光生载流子，所述光生载流子在所述电场的作用下形成电流；

39、处理采集到的电流得到样品的样品信息。

40、进一步地，所述自由空间的激光扫描所述间隙中的第二基底。

41、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

42、1、本发明的探针组件能够直接从针尖上提取传导的太赫兹信号，舍弃了散射场，相较于传统的利用针尖采集并在远场提取散射信号的方式，由于沿针尖、悬臂等金属传导的太赫兹信号包含更多的近场信息，将能够显著地提高了信号的信噪比，提升了提取效率；

43、2、本发明的探针组件能够允许thz-snoms移除检波器，以及用于远场提取散射信号的半透半反硅片、反射镜等元器件，大幅地简化了thz-snoms；

44、3、本发明的探针组件由于采集的是针尖传导信号，因此无需针尖抖动，不仅能够降低针尖的损耗，而且使太赫兹近场扫描速度不再受限于针尖抖动频率，扫描速度得到较大提升；

45、4、本发明的扫描系统利用探针组件直接在针尖上提取太赫兹信号的特点，整体结构进一步优化，具有较高的信噪和更快的扫描效率；

46、5、本发明的扫描系统可以利用自由空间中的激光照射间隙的不同位置来采集太赫兹信号，替代了传统的延时线模块，有效地优化了结构配置，减小了系统体积，同时还降低了激光功率衰减和脉宽展宽，并进一步提高了扫描速度；

47、6、本发明的扫描方法能够直接采集针尖传导信号而非散射信号，采集的太赫兹信号信噪比更高，且扫描速度更快。