用于提取近场太赫兹信号的伪零差干涉探测系统及探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太赫兹(THz)探测技术领域，特别涉及一种基于迈克尔逊干涉结构的 用于近场THz信号提取的伪零差探测装置，还涉及一种用于近场THz信号提取的伪零差探测 方法。
【背景技术】
[0002] THz波段是电磁图谱中人们认识最晚的一个频段，这个波段的实验和研究已经成 为认识物质本质的新手段，当然，研究还有待于借助更加先进的仪器，更加实用的装置、更 加精准的方法进行逐步深入。传统的光学远场成像由于光学衍射极限的限制，分辨率被限 制在入射光学波长的一半，不能获得更高的分辨率。要在THz波段获得微米乃至纳米级的分 辨率还有赖于近场设备的研发，THz近场扫描显微镜(THz-SNOM)是目前介观尺度下THz研究 物质性质的主要工具，也是国际前沿的研究热点。
[0003] THz-SNOM面临的主要技术问题是近场信号的提取问题，目前现有的技术并不能在 低成本的条件下完成近场信号的有效提取和分析，以针尖背散射式THz-SNOM为例，由于所 要提取的信号是原子力显微镜(AFM)针尖散射的针尖与样品点形成的偶极子激发的THz波， 近场信号强度非常有限，不便于处理。现有的干涉技术需要借助于高压(几千伏）、超大范围 移动(几百微米）、高工作频率(几千赫兹）的压电陶瓷管及其促动器，这无疑增加了这种技 术的实现难度和实现成本。因此提出一种快速有效的、技术实现难度低的、具有良好工作性 能的，能与之相匹配的弱信号提取技术来完成弱信号的幅值和相位的提取，并且有完整算 法匹配的新型探测结构和装置成为近场THz设备研究中亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的缺点与不足，本发明提供了一种基于迈克尔逊干涉结构的用 于近场THz信号提取的伪零差探测装置，并且提出了与之对应匹配的探测方法和算法，从而 解决了 THz-SNOM中近场信号的高指标和低成本探测问题，为其技术实现提供了新的途径。
[0005] 为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：
[0006] 本发明包括THz功率探测、锁相放大器、THz波分束镜、斩波器、THz反射镜、AFM针 尖、函数发生器;THz功率探测器与THz波分束镜连接，THz波分束镜与斩波器连接，斩波器与 THz反射镜连接;THz功率探测器与锁相放大器连接，锁相放大器与函数发生器连接;THz波 分束镜与AFM针尖连接，AFM针尖与函数发生器连接;斩波器与函数发生器连接；由THz源发 出的THz辐射经过半透半反的分束镜分为反射的参考光束和透射的信号光束，其中参考光 束经斩波器斩切调制后被参考路末端的反射镜反射再次经过分束镜到THz功率探测器中； 另一路信号光束经离轴抛物面镜汇聚后照射到由压电陶瓷驱动的高频振动的AFM针尖上， 然后再由离轴抛物面镜接收带有样品信息的AFM针尖的后向散射的非常弱的THz光束;最后 离轴抛物面镜收集的后向散射的THz光束和分束镜透射的反向的参考THz光束形成干涉光 束，干涉光束由THz探测器进行探测，其输出信号经由锁相放大器高频谐波解调提取后交由 上位机进行处理，从而得知近场中与样品相关的信号变化，得到对应样品的指纹。
[0007] 所述的离轴抛物面镜为镀金的离轴抛物面镜。
[0008] 本发明通过函数发生器的三路同步输出同时控制AFM针尖、斩波器和锁相放大器 参考源，实现了信号的同步提取，能够准确地获取针尖-样品偶极子系统激发出的电磁波所 携带的信息，通过THz功率探测器后再将锁相放大器获得的相位和幅值信息交由上位机处 理就可以获得样品的高分辨的电磁图谱，这样就达到了 THz近场信号的低成本、低操作难 度、高质量探测的目的。
[0009] 所述THz功率探测器为液氮冷却的超低温状态下工作的热力学探测器，具有极高 的探测灵敏度和响应度，可探测功率较小的红外或THz辐射。
[0010]所述锁相放大器为中频或射频波段的高频锁相放大器(400KHZ以上），能够完成 AFM针尖振动频率和斩波器频率的差或和的高次谐波探测。
[0011]所述THz波分束镜可完成THz波的透射和反射，可选用不同的电阻率硅片完成不同 的分束比，是干涉结构的中心。
[0012] 所述斩波器安放在干涉结构的参考臂上，完成参考THz波束的斩切。特别地，其扇 叶选用高吸收材料制成，如聚酯材料，或者纳米结构材料，避免了THz波在扇叶上的反射，消 除了干扰因素。
[0013] 所述THz反射镜为干涉结构的参考臂终端，可选用镀金大尺寸平面反射镜，完成参 考THz波束的高反射。
[0014] 所述AFM针尖实为AFM的核心组件，通过AFM控制器可精确地完成针尖的细微操作， 并将携带有样品信息的表面波散射耦合到远场。
[0015] 所述函数发生器完成三路同步输出，同时控制AFM针尖、斩波器、锁相放大器参考 源，实现了信号的同步提取。
[0016] 本发明之用于提取近场太赫兹信号的伪零差干涉探测方法，包括以下步骤：
[0017] 一、打开THz源，THz波束经分束镜分束后分为参考光束和信号光束两路。
[0018] 二、开启斩波器，将参考光束斩切为与斩波器旋转频率相关的矩形波束。
[0019] 三、开启AFM针尖的驱动压电陶瓷，使针尖以一定频率振荡（几十到几百千赫兹）， 使其与待测样品相互作用，散射出含有针尖振动频率成分的信号光束。
[0020] 四、开启THz功率探测器和锁相放大器，进行高次谐波提取。
[0021] 五、通过函数发生器的三路同步输出同时控制AFM针尖、斩波器和锁相放大器参考 源，实现了信号的同步提取，能够准确地获取针尖-样品偶极子系统激发出的电磁波所携带 的信息。
[0022] 六、进行扫描时同时记录信号，完成后进行信号分析，即可完成样品探测。
[0023] 所述的斩波器斩切出的方波表达式可以表示为
[0025]步骤二将THz光束调制成了矩形波包络，使其有更多的频率成分。设V代表斩波器 的旋转频率。可将其传递函数描述为(2)式的傅里叶级数形式：
[0027]设针尖散射电场，背景散射电场和参考电场分别为Es Eb Er，相位分别为A % R， 则其复振幅形式分别为尽=|^Ιεχρ〇'穴)，尽=1尽lexp(i灼),尽=1尽l exp〇>,.)，那么参考光束 被调制后的复振幅表达式为式(3)，
[0029] 步骤三使得近场成为了时间的函数，可将其表示为(4)式的形式；
[0030] Es =1^1 eJiPs = I Fn exp(n Ω?)| exp( φ5) C4 >
[0031 ] 上式中Ω表示AFM针尖的振动频率，％表示散射电场的相位。
[0032] 那么最终在探测器中探测到的电磁波强度可表示为I = (Es+Eb+Er)(E/+Ej+E/)， 把(3)和(4)算式带入，再通过步骤四中的锁相放大器10滤波处理后，功率信号可用(5)式来 表达：
[0034] 上式中?"表示针尖散射场强度在η阶谐波处的幅值，κ代表相关系数表示参考 光路和信号光路的相位差。
[0035] 最后确认谐波阶数，即（2)式中η和m的具体值，然后通过锁相放大器10的高次谐波 提取技术便能完成信号提取了，同时也利用了频谱搬移原理也完成了噪声完全抑制;若取η = 2，m=l，信号的最终表达式可用(6)式表示：
[0037] 上述操作便是对应于THz-SNOM中近场信号处理的伪零差探测方案的实施过程，通 过数据处理便能够获得样品在THz波段的电磁图。
[0038]本发明的有益效果：
[0039] 1、结构简单紧凑，大大优化了近场探测装置，提高了系统集成度；
[0040] 2、用斩波器对参考光束进行振幅调制，相对于现有技术的高压、大行程、高频压电 陶瓷促动器，大大降低了操作难度和技术成本；
[0041] 3、采用伪零差装置，丰富了信号的频谱成分，展宽了信号频带，使得锁相探测时能 够有更多的频率选择。
[0042]综上，本发明是具有快速有效、技术实现难度低、具有良好工作性能等特点的，能 够完成弱信号的幅值和相位的提取的，并且有完整算法匹配的新型探测结构和装置，能够 应用到近场THz设备中。
【附图说明】
[0043]图1为本发明的用于提取近场太赫兹信号的伪零差干涉探测系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0044] 请参阅1所示，本发明包括THz功率探测器3、锁相放大器10、THz波分束镜2、斩波器 4、THz反射镜5、AFM针尖7、函数发生器16; THz功率探测器3与THz波分束镜2连接，THz波分束 镜2与斩波器4连接，斩波器4与THz反射镜5连接;THz功率探测器3与锁相放大器10连接，锁 相放大器10与函数发生器16连接;THz波分束镜2与AFM针尖7连接，AFM针尖7与函数发生器 16连接;斩波器4与函数发生器16连接；由THz源1发出的THz辐射11经过半透半反的分束镜2 分为反射的参考光束14和透射的信号光束12,其中参考光束14经斩波器4斩切调制后被参 考路末端的反射镜5反射再次经过分束镜2到THz功率探测器3中；另一路信号光束1