全光纖耦合式太赫茲近場探針光譜成像系統(tǒng)

摘要：通過對太赫茲光電導(dǎo)探針天線與飛秒倍頻光路進行光纖模塊化封裝，并結(jié)合光纖耦合式太赫茲光電導(dǎo)天線輻射源，以及自主研制設(shè)計的光纖飛秒激光光源和光纖式高速光學(xué)延時線，開發(fā)了一種全光纖耦合式太赫茲近場探針光譜成像系統(tǒng)，其光譜范圍覆蓋0.1～2.0 THz，動態(tài)范圍達(dá)到60 dB，光譜采樣速度高達(dá)0.1 s/譜，近場成像分辨率優(yōu)于20 μm 的全光纖耦合式太赫茲近場探針光譜成像系統(tǒng)。得益于整套系統(tǒng)的全光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計，太赫茲輻射源和探針式探測器之間可以根據(jù)測量需求靈活調(diào)節(jié)而不需要重新校準(zhǔn)光路，極大地提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和使用方便性。該研究為太赫茲科學(xué)研究提供了一種高性能且實用性強的太赫茲近場光譜成像測量系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：太赫茲近場；光電導(dǎo)探針；太赫茲時域光譜

中圖分類號：O 439 文獻標(biāo)志碼：A

得益于太赫茲波的安全性、穿透性和指紋光譜識別等諸多特點，太赫茲光譜成像技術(shù)在國防、安檢、生物醫(yī)學(xué)檢測等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。但是，受限于太赫茲的波長，傳統(tǒng)遠(yuǎn)場式太赫茲成像系統(tǒng)的分辨率僅能達(dá)到毫米級，無法滿足某些特定的檢測需求。而太赫茲近場成像技術(shù)，則提供了一種突破衍射極限，實現(xiàn)微米級甚至納米級成像分辨率的方法[4-5]。

目前，已報道形成實用化商業(yè)產(chǎn)品的太赫茲近場成像系統(tǒng)主要有兩種，分別是散射式太赫茲掃描近場光學(xué)顯微系統(tǒng)（scattering terahertz scanningnear-field optical microscopy）和太赫茲微米探針近場成像系統(tǒng)。其中，德國Neaspec 公司推出的s-SNOM系統(tǒng)，可實現(xiàn)10 nm 級超高成像分辨率。但是，這種系統(tǒng)對工作平臺的振動影響十分敏感，需要特定的工作場所，并且對樣品的表面平整度也有較高的要求[6]。另一種基于微米光導(dǎo)探針的太赫茲近場成像系統(tǒng)則對實驗環(huán)境的要求大大降低，它不僅可以實現(xiàn)微米級的高成像分辨率，還能有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性[7]。該系統(tǒng)是將傳統(tǒng)遠(yuǎn)場系統(tǒng)中的探測天線替換成光導(dǎo)探針，測樣時針尖靠近樣品的近場區(qū)域附近，探測樣品表面的倏逝波[8-9]。表1 列出了國內(nèi)外已報道的太赫茲微米探針系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)情況。其中，由天津大學(xué)研制的太赫茲近場成像系統(tǒng)測量的頻譜范圍可達(dá)0.2～1.5 THz[10]。吉林大學(xué)研制了近場探針式成像系統(tǒng)并應(yīng)用于生物樣品腦組織切片成像實驗[11]。重慶應(yīng)用物理中心使用此類系統(tǒng)對單細(xì)胞進行成像實驗，系統(tǒng)信號經(jīng)過平均3 s 后，信噪比達(dá)60 dB，0.17 s 可采集90 ps 的時域波形數(shù)據(jù)[12]。

以上這些已報道的光電導(dǎo)微米探針式太赫茲近場成像系統(tǒng)，其光路均包含大量的自由空間光路設(shè)計，整套系統(tǒng)需要工作于穩(wěn)定的光學(xué)平臺，且太赫茲輻射源和探針式探測器之間無法靈活地調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)后需要校準(zhǔn)光路），一定程度上制約了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。本文首次報道了一種光纖耦合式太赫茲近場光譜成像系統(tǒng)，光譜范圍覆蓋0.1～2 THz，動態(tài)范圍達(dá)到60 dB，光譜測量速度為0.1 譜/s，近場成像分辨率優(yōu)于20 μm。

1 系統(tǒng)方案

圖1 所示為本文研制的全光纖耦合式太赫茲近場光譜成像掃描系統(tǒng)組成框圖，主要由：光纖飛秒激光器（fs-laser）、光纖延遲線（ODL）、光纖耦合式太赫茲光電導(dǎo)天線輻射源（THz-tx）、光纖耦合式太赫茲近場探測模塊（THz-probe），以及直流高壓源（HV）、前置電流放大器（TIA）和A/D 數(shù)據(jù)采集卡等組成。整套系統(tǒng)與傳統(tǒng)太赫茲時域光譜測系統(tǒng)構(gòu)架類似[13]，實現(xiàn)近場光譜成像的關(guān)鍵是其中的THz-porbe 模塊，其內(nèi)部光路如圖2 所示：從飛秒激光輸出的探測光（probe，中心波長1 550 nm）依次經(jīng)過保偏光纖A（PMF-A）、ODL 和保偏光纖B（PMF-B）傳輸后，以FC/APC 接頭形式連接至光纖準(zhǔn)直器（fiber collimator），形成平行光束出射至自由空間；然后經(jīng)過聚焦透鏡1（ focuslens-1）匯聚入射至倍頻晶體（BBO），輸出中心波長為780 nm 的倍頻光；此倍頻光依次經(jīng)過濾波片（濾除掉波長為1 550 nm 的基頻光）、聚焦透鏡2（focus lens-2）、直角棱鏡（right-angle prism）后，以聚焦光斑形式入射至太赫茲光電導(dǎo)探針（THz-PCAprobe）的針尖，顯微鏡照片效果見圖3。圖2 所示的整套自由空間光學(xué)系統(tǒng)采用精密光機微集成工藝固化封裝，最終形成圖4 所示的光纖耦合式太赫茲近場探測模塊。

上述THz-PCA probe 是德國Protemics 公司生產(chǎn)的TD-800-X-HR 型光電導(dǎo)探針。太赫茲波透過樣品后，會在樣品近表面形成倏逝波。根據(jù)倏逝波的特性可以將探測區(qū)域分為近場和遠(yuǎn)場。在近場區(qū)域，倏逝波會隨距離的增加而快速減弱，而遠(yuǎn)場區(qū)域無法探測到近場信息。所謂的近場成像技術(shù)就是對近場區(qū)域的倏逝波進行收集。將THz-PCA probe 的針尖放置于距樣品表面小于一個波長的距離時，能夠突破衍射極限接收到近場信息，實現(xiàn)突破衍射極限的超分辨率成像。探針利用光導(dǎo)原理進行近場信息的耦合提取[14-15]，隨后將光信號轉(zhuǎn)變成電流信號，然后經(jīng)過跨阻放大器（ TIA）和A/D 采樣電路，將太赫茲電場信號傳遞給計算機進行處理。

此外，圖1 所示系統(tǒng)中的光纖飛秒激光器為自主研制，基于半導(dǎo)體可飽和吸收體的被動鎖模和啁啾脈沖放大技術(shù)，內(nèi)部光路采用全光纖結(jié)構(gòu)，中心波長1 550 nm，重復(fù)頻率100 MHz，采用兩端口輸出，分別用作泵浦光（ pump）和探測光（probe）。激光器內(nèi)部進行了色散預(yù)補償，可以保障飛秒脈沖經(jīng)過2 m 保偏光纖傳輸后，具有最佳脈寬約65 fs。其中，泵浦光（pump）經(jīng)過保偏光纖C（PMF-C）傳輸至光纖耦合式太赫茲光電導(dǎo)發(fā)射天線（制造商：德國HHI 研究所，型號：PCA-TD-100-TX-1），到達(dá)太赫茲光電導(dǎo)發(fā)射天線的飛秒光功率為30 mW，脈寬62 fs，測試結(jié)果如圖5 所示。

系統(tǒng)中使用的光纖延遲線內(nèi)部采用自主研制的高精度、高速導(dǎo)軌運動機構(gòu)驅(qū)動角錐反射鏡的往返移動來實現(xiàn)光學(xué)延時掃描，最大延時掃描范圍超過400 ps， 全程延時掃描時的插損損耗約（0.7±0.1） dB，實測插損曲線如圖6 所示。該延遲線在64 ps 范圍的掃描速率可以達(dá)到10 Hz，因此可以實現(xiàn)太赫茲時域波形的實時采集。

2 測試結(jié)果

圖7 所示為本文研制的全光纖耦合式近場探針光譜成像系統(tǒng)的測試結(jié)果。該結(jié)果以室內(nèi)空氣為樣品，探針針尖與太赫茲輻射源之間的間距為50 mm，環(huán)境溫度25 ℃，濕度37%。Real-time 表示實時波形，測量時間為0.1 s；Average 表示1 000次平均后的波形。從圖7（b） 中可以看到，經(jīng)過平均后的頻譜曲線，頻譜寬度覆蓋0.1～2.0 THz，峰值動態(tài)范圍大于60 dB。

由于本方案中的太赫茲近場探測模塊采用光纖耦合方式，因此可以很方便地對探針探測模塊進行三維移動，從而測量得到太赫茲光電導(dǎo)天線輻射源的空間場強分布情況。圖8 （a） 所示為將探針模塊安裝于精密三維移動臺上，在XY 平面以0.1 mm 為步進進行掃描，根據(jù)每一個位置測量得到的太赫茲時域波形信號峰值的平方值，繪圖得到的太赫茲光斑二維強度分布圖。從圖8 （a） 可以看出：太赫茲輻射源的出射光斑并未理想的圓光斑，而是呈現(xiàn)橢圓形狀；從圖8 （b） 所示的X=0 和Y=0 的強度分布曲線可以更加直觀的看出：太赫茲光斑在水平和垂直方向的半高寬度（ full width athalf maximum，F(xiàn)WHM）分別約為2.5 mm 和1.6 mm。

根據(jù)太赫茲時域光譜系統(tǒng)的采樣原理， 對圖7 （a） 所示太赫茲時域波形進行FFT 變換，即可得到不同頻率的強度和相位信息。作為示例，圖9 給出了在頻率f 分別為0.25，0.5 和1 THz 時的XY 和XZ 二維相位分布圖，可以直觀地看出：太赫茲輻射源的光斑在XY 平面呈現(xiàn)近似圓光斑，且頻率越高光斑直徑越?。辉赬Z 平面明顯呈現(xiàn)近似水平的等間距條紋變化，表明了太赫茲輻射源的近似平行光傳輸特性。

為了檢驗系統(tǒng)的近場成像分辨率， 本文對圖10 （a） 所示的寬度為20 μm、周期為40 μm 的金屬條光柵樣品進行了太赫茲成像測試。為了保證屬于近場成像模式，探針與樣品表面的間距（即圖1 中標(biāo)示的尺寸g）盡可能小。成像時保持探針靜止，將樣品進行二維掃描運動，橫向和縱向掃描步進長度分別設(shè)置為4 μm 和0.2 mm，利用每個位置點獲得的頻譜曲線在1 THz 位置的強度值繪圖，得到成像結(jié)果如圖10 （b） 所示：可以清晰地分辨樣品的金屬光柵周期結(jié)構(gòu)，表明系統(tǒng)的成像分辨率優(yōu)于20 μm。實際上，進一步縮小探針與樣品表面的間距g，理論上能獲得更高的成像分辨率。

3 結(jié) 論

本文報道了一種全光纖耦合式太赫茲近場探針光譜成像系統(tǒng)。光譜范圍覆蓋0.1～ 2.0 THz，動態(tài)范圍達(dá)到60 dB，光譜采樣速度高達(dá)0.1 s/譜，近場成像分辨率優(yōu)于20 μm。不同于已報道的自由空間光路結(jié)構(gòu)的太赫茲近場探針成像系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了全光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計，太赫茲輻射源和探針式探測器之間可以根據(jù)測量需求靈活調(diào)節(jié)而不需要重新校準(zhǔn)光路，極大地提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、實用方便性。此外，值得說明的是：為了滿足對不同偏振態(tài)下的太赫茲電場測量需求，本文所設(shè)計的光纖耦合式太赫茲近場探針探測模塊中，其光電導(dǎo)探針部分的設(shè)計采用了可拆卸式光機設(shè)計方案，使用者可以方便地更換探測探針。本文的研究為太赫茲科學(xué)研究提供了一種高性能且實用性強的太赫茲近場光譜成像測量系統(tǒng)。

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（編輯：黃娟）

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2019YFC0810900）；上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”社會發(fā)展科技攻關(guān)項目（22dz1200302）