基于飛秒激光成絲的太赫茲成像

薛占強(qiáng),尚麗平,2,鄧 琥,2,張前成,劉泉澄

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點實驗室,四川 綿陽 621010)

1 引 言

太赫茲波一般是指波長在30 μm～3 mm的電磁波。由于具有的獨特性能,太赫茲波在成像技術(shù)方面有著廣闊的應(yīng)用[1]。一般的太赫茲時域光譜成像系統(tǒng)是基于透鏡組的遠(yuǎn)場探測,成像分辨率受到太赫茲衍射光斑的限制,因此傳統(tǒng)的太赫茲成像分辨率約為數(shù)百微米。

近些年,國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)通過近場探測[2]、孔徑局域[3]等方法,進(jìn)一步提高了太赫茲成像分辨,較為典型的有波導(dǎo)法[4],散射體[5],探針[6]等。波導(dǎo)法降低了太赫茲傳輸損耗,避免了近場探測中的群色散,可實現(xiàn)λ/15成像分辨率,但是系統(tǒng)設(shè)計相對復(fù)雜；亞波長針尖探測帶有近場信息的散射信號,分辨率小于10 nm,但是分辨率受限于金屬針尖的尺寸,且散射的微信號難以提取；光導(dǎo)探針利用光導(dǎo)天線原理測量近場信息,成像分辨率約為λ/600,系統(tǒng)易于調(diào)整和操作,但是探針脆弱易損壞[7]。

利用飛秒激光成絲進(jìn)行THz成像[8],系統(tǒng)設(shè)計簡單,太赫茲信號可以通過光電晶體直接探測,又能實現(xiàn)亞波長分辨率成像[9]。國內(nèi)外其他一些研究機(jī)構(gòu)針對飛秒激光成絲產(chǎn)生太赫茲波過程中的等離子體傳輸波導(dǎo)[10],等離子體長度[11]、光譜和時間特性[12],太赫茲波的發(fā)散角[13]、光束直徑[14]等進(jìn)行了廣泛研究。但目前尚缺乏截斷等離子體不同位置對產(chǎn)生太赫茲影響的相關(guān)探索。因為在利用激光成絲產(chǎn)生的太赫茲波成像時,激光經(jīng)透鏡聚焦形成的等離子體絲,其光場強(qiáng)度約為1014～1016W/cm2,需在樣品前端放置不易被等離子體絲擊穿的衰減片(如氧化鋁陶瓷),保護(hù)待測樣品。此時,衰減片在不同位置截斷等離子體,將會對太赫茲的產(chǎn)生具有一定影響,因此需對衰減片的插入位置做出一定的判斷。

本研究使用飛秒激光成絲產(chǎn)生太赫茲波,對金屬掩膜板掃描成像,對比分析了時域和頻域的成像效果,研究了氧化鋁陶瓷在不同位置截斷等離子體絲對產(chǎn)生太赫茲波的影響。

2 成像原理和方法

基于飛秒激光成絲的THz成像,其太赫茲源為雙色光成絲。超短雙色激光與空氣相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射,其相關(guān)機(jī)制存在多種理論,其中較為認(rèn)可的是四波混頻[15],即兩個基頻光光子與一個倍頻光光子進(jìn)行差頻得到一個太赫茲波光子。四波混頻的實質(zhì)是三階非線性過程,它與空氣的三階非線性極化率有直接聯(lián)系。由于空氣的三階非線性系數(shù)較小,需要利用亞毫焦及其以上能量的飛秒脈沖電離空氣,增加空氣的三階非線性系數(shù),產(chǎn)生強(qiáng)度高的太赫茲波[16]。四波混頻過程產(chǎn)生的太赫茲電場可如下表示:

式中,φ為基頻光和倍頻光的相位差。

飛秒激光在空氣中聚焦成絲可產(chǎn)生等離子體通道,形成空心圓柱波導(dǎo),太赫茲波局域在圓柱波導(dǎo)內(nèi)部傳輸[9],由此得到的太赫茲光斑直徑在亞波長量級。因此采用飛秒激光成絲產(chǎn)生的太赫茲波照射掩膜板,通過移動電動平移臺對掩膜板逐點掃描,每個掃描點可得到一個太赫茲時域波形,對每個太赫茲時域波形進(jìn)行特征提取,最終獲得掩膜板的亞波長分辨率圖像。

3 構(gòu)建成像系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛秒激光成絲太赫茲成像系統(tǒng)如圖1所示。Ti寶石激光器(1 kHz,4 mJ/脈沖,800 nm,35 fs)發(fā)出的激光由1/2波片(HWP)、分束鏡(CBS)分成泵浦光和探測光。泵浦光經(jīng)過延遲平移臺之后,由400 mm長焦距透鏡L1在空氣中聚焦,通過BBO晶體后產(chǎn)生雙色光,在L1幾何焦點處產(chǎn)生太赫茲波。氧化鋁陶瓷插入等離子體絲,將等離子體截斷。掩膜板緊貼在氧化鋁陶瓷的背面,并將兩者固定在二維電動平移臺上,進(jìn)行逐點掃描。攜帶掩膜板信息的太赫茲波經(jīng)過太赫茲透鏡L2、L3收集-準(zhǔn)直-聚焦之后,與硅片反射的探測光共線入射到1 mm厚的ZnTe晶體,最后利用電光采樣方法檢測太赫茲波。

圖1 成像系統(tǒng)原理圖 M1～M6是反射鏡,L1是普通聚焦透鏡,L2和L3 是特殊透鏡,其在THz波長周圍具有高透射率Fig.1 Schematic diagram of the imaging system M1～M6 is reflectors,L1 is typical focusing lens,L2 and L3 are special lenses with high transmittance around THz wavelength

3.2 氧化鋁陶瓷太赫茲透過率測試

氧化鋁陶瓷的厚度直接影響太赫茲波透過率和等離子體的擊穿深度。為選取既不能被等離子體擊穿同時對太赫茲波有較高透過率的陶瓷,實驗采用Zomega(Z-3)太赫茲時域光譜儀測試五種厚度的氧化鋁陶瓷,獲得透過不同厚度氧化鋁陶瓷的太赫茲時域波形,并將其太赫茲時域波形與空氣中測得太赫茲時域波形進(jìn)行對比,如圖2所示。

圖2 不同厚度氧化鋁陶瓷太赫茲透過率測試Fig.2 THz transmittance test of alumina ceramics withdifferent thickness

空氣中測得的太赫茲時域波形峰值為Aref,通過氧化鋁陶瓷測得的太赫茲時域波形峰值為Acreamic,透過率η的計算公式為:

η=Acreamic/Aref

(2)

五種厚度氧化鋁陶瓷的太赫茲波透過率如表1所示。

表1 不同氧化鋁陶瓷厚度的太赫茲透過率Tab.1 THz transmittance of different alumina ceramic thicknesses

0.28 mm、0.40 mm、0.52 mm的氧化鋁陶瓷被等離子體子明顯擊穿,0.68 mm和1 mm厚度的氧化鋁陶瓷未被等離子體擊穿下,且太赫茲透過率與其他厚度的氧化鋁陶瓷相差極小,適合等截斷離體子。氧化鋁陶瓷的厚度差異,造成圖2中透過不同厚度氧化鋁陶瓷的太赫茲波形在時間上有幾皮秒的延遲。

3.3氧化鋁陶瓷截斷等離子體絲不同位置對產(chǎn)生太赫茲波的影響

氧化鋁陶瓷是將等離子體截斷,以免掩膜板被等離子體擊穿。圖3(a)中的白色線條為CCD相機(jī)拍得飛秒激光聚焦、經(jīng)過BBO晶體之后的絲狀等離子體。(b)為移動氧化鋁陶瓷(白色擋板)在不同位置截斷等離子體絲示意圖。氧化鋁陶瓷從等離子體成絲的初始區(qū)域(ⅰ),以1 mm步長經(jīng)過等離子體絲區(qū)域(ⅱ),并延伸至等離子體絲結(jié)束區(qū)域(ⅲ),按照(b)中箭頭所方向移動25 mm,每移動1 mm,探測一次太赫茲時域波形,每個截斷位置的太赫茲時域波形幅值如圖3(c)所示。

在ⅰ區(qū)域,氧化鋁陶瓷阻擋了BBO晶體產(chǎn)生的雙色激光,破壞等離子體的形成,太赫茲無法產(chǎn)生。在ⅱ區(qū)域,伴隨氧化鋁陶瓷的移動,等離子體絲長度逐漸增加,雙色激光產(chǎn)生的太赫茲幅值變大。在ⅲ區(qū)域,等離子體絲消失,產(chǎn)生的太赫茲波幅值趨于恒定。

根據(jù)圖3(c),并考慮等離子體絲輻射太赫茲波的發(fā)散角,將氧化鋁陶瓷放置于等離子體絲A點位置。

圖3 氧化鋁陶瓷在不同位置截斷等離子體絲Fig.3 Cutting offplasma filament using ceramic in different positions

4 結(jié) 果

4.1 太赫茲波光譜

按照圖1所示的系統(tǒng),得到飛秒激光成絲產(chǎn)生的太赫茲波,其時域波形如圖4(a)所示。圖4(b)為其時域波形傅里葉變換得到的頻域光譜,頻域光譜峰值頻率為0.51 THz,對應(yīng)波長約600 μm。

4.2 成像系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

為驗證成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在同等實驗環(huán)境中重復(fù)測量太赫茲時域波形,如圖5所示。圖5(a)為30次重復(fù)測量得到的太赫茲時域波形。由于飛秒激光功率的輕微波動,波形之間存在一定的差別。圖5(b)為30次重復(fù)測量得到的時域波形峰峰值。通過計算峰峰值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,得到系統(tǒng)穩(wěn)定性為1.35%。

4.3 掩膜板結(jié)構(gòu)

掩膜板為不銹鋼材質(zhì),其結(jié)構(gòu)如圖6插圖所示,灰色為金屬柵格,白色為柵格間隙。金屬柵格寬度從左至中間位置為500 μm、400 μm、300 μm、200 μm、150 μm、125 μm、100 μm,且左右對稱,柵格間隙均為500 μm。將掩膜板貼在氧化鋁陶瓷背面,通過手動平移臺將其移動到等離子體在圖3(c)中A點對應(yīng)的位置,測量透過掩膜板柵格、間隙的太赫茲波,如圖6所示。由于掩膜板邊緣部分為金屬材質(zhì),太赫茲波無法穿過,太赫茲時域波形幅值接近0；對于掩膜板的間隙,太赫茲波完全穿過,得到的太赫茲時域波形幅值與圖3(c)中A點對應(yīng)的幅值一致。

圖4 飛秒激光成絲產(chǎn)生的太赫茲波Fig.4 Terahertz spectroscopy produced by femtosecond laser filament

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試Fig.5 System stability test

圖6 掩膜板結(jié)構(gòu)測試(插圖為掩膜板的光學(xué)照片)Fig.6 Testfor the structureofmaskplate (the insetisthephotoimageofmaskplate)

4.4 掩膜板掃描成像

4.4.1 時域成像

根據(jù)圖1實驗系統(tǒng),沿x軸和y軸方向分別以100 μm步長移動平移臺。通過逐點掃描,得到各個掃描點的太赫茲時域波形。

定義太赫茲時域波形的波峰值和波谷值為最大值和最小值,兩者做差得出峰峰值。峰峰值、最大值和最小值成像如圖7(b)、(c)、(d)所示。這三種方法數(shù)據(jù)處理簡單,但成像結(jié)果與掩膜板有一定偏差,且不能分辨出掩膜板中心位置的柵格結(jié)構(gòu)。另一種時域成像方法是積分能量成像,此方法雖然需要計算太赫茲波形所有數(shù)據(jù),但可避免實驗系統(tǒng)的隨機(jī)影響。積分能量計算方法為:

式中,F(xm,n)為太赫茲時域波形積分能量值;fi為太赫茲時域波形幅值；N為太赫茲波形采樣點。積分能量成像結(jié)果如圖7(a)所示?？梢悦黠@看到,相比于最大值、峰峰值和最小值成像,積分能量成像結(jié)果更加穩(wěn)定,掩膜板的金屬柵格和間隙可以明顯的區(qū)分,并且能夠分辨出中心位置100 μm的柵格。

4.4.2 頻域成像

為對比時域和頻域的成像結(jié)果,本文根據(jù)T.D.Dorney和L.D.Duvillaret提出的太赫茲時域光譜技術(shù)提取被測對象光學(xué)常數(shù)的模型[17],得到頻域成像結(jié)果。

掃描掩膜板成像之前,首先在空氣中測得太赫茲時域波形,定義其為參考波形。測量透過掩膜板的太赫茲波形,定義為信號波形。對參考波形和信號波形進(jìn)行快速傅里葉變換,得到參考頻譜R(ω)e-jφR(ω)和信號頻譜S(ω)e-jφS(ω)。通過公式(4)計算參考頻譜和信號頻譜:

得到φ(ω)和T(ω)。根據(jù)式(5)、(6),計算折射率和吸收系數(shù)。

式中,n為折射率；α為吸收系數(shù)；c為真空中的光速；d是掩膜板的厚度。

由于一個太赫茲時域波形對應(yīng)一個掃描點,因此對太赫茲時域波形進(jìn)行傅里葉變換,并計算出掩膜板各個掃描點的吸收系數(shù)和折射率,即可得到掩膜板的吸收系數(shù)和折射率成像,如圖7(e)(f)所示。

對比可知:吸收系數(shù)成像能粗略顯示掩膜板的吸收系數(shù)分布,成像較為模糊,掩膜板邊緣金屬部分和間隙的成像顏色存在明顯重疊。折射率成像能夠反映出掩膜板同種結(jié)構(gòu)的折射率分布,但分辨率較低,成像結(jié)果與掩膜板偏差較大。

圖7 不同成像方式的對比結(jié)果Fig.7 The comparison results of different imaging methods

4.4.3 成像對比

圖8對比了掩膜板的光學(xué)照片(a)、積分能量成像圖(b)和積分能量值波形(c)。光學(xué)照片中的柵格-間隙分布與積分能量成像中的條紋、積分能量值波形中的波峰波谷位置保持一致。在積分能量值的波形中,可以更清楚地看出掩膜板中心100 μm柵格的位置,及其與兩側(cè)空氣間隙的明顯差異。

掩膜板的積分能量成像顏色譜縱向有輕微的差異,其原因是:電動平移臺和掩膜板在安裝固定時有一定的角度偏差,導(dǎo)致在移動平移臺進(jìn)行掃描成像時,掩膜板掃描點與飛秒激光成絲焦點的相對位置發(fā)生變化,照射在掩膜板上的太赫茲強(qiáng)度發(fā)生改變,致使縱向顏色出現(xiàn)差異。

圖8 太赫茲積分能量成像分析Fig.8 Analysis of terahertz energy integral imaging

5 結(jié) 論

利用飛秒激光成絲產(chǎn)生太赫茲波,研究了氧化鋁陶瓷在不同位置截斷等離子體絲對產(chǎn)生太赫茲波的影響,結(jié)合太赫茲時域光譜技術(shù),對掩膜板進(jìn)行掃描成像,實現(xiàn)約100 μm亞波長分辨率成像(峰值頻率0.51 THz)。分析對比了時域成像中的最大值成像、最小值成像、峰峰值成像和積分能量成像,以及頻域中的吸收系數(shù)成像和折射率成像。在表征掩膜板結(jié)構(gòu)分布時,時域成像優(yōu)于頻域成像,并且時域成像中的積分能量成像可以分辨出掩膜板更多的細(xì)微結(jié)構(gòu),實現(xiàn)更好的成像效果。