CN105628641A - 一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，包括多模激光模块、掺饵光纤放大器、光纤分束器、光电导发射天线、偏振模块、聚焦透镜A、原子力显微镜、聚焦透镜B、光纤延展模块、光电导接收天线、锁相放大器；多模激光模块发射出多模激光，经过掺饵光纤放大器，由分束器分成泵浦光束和探测光束，泵浦光束激励光电导发射天线模块辐射出准时域太赫兹信号，太赫兹信号入射到原子力显微镜的振荡的探针针尖，探测光束经过光纤延展模块进入光电导接收天线模块，最后信号经过锁相放大器提取放大。本发明具有低成本、体积小、不损伤眼睛，实时等特点，可广泛应用于科研和工业对太赫兹信号的超分辨探测领域。

Description

一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪

技术领域

本发明属于光谱测试技术领域，特别涉及一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪。

背景技术

波长在3mm到30μm之间，微波和红外之间的电磁波波段称为太赫兹波段。通常对此波段的探测采用太赫兹时域和频域光谱仪，其中利用相干技术能同时得到太赫兹脉冲振幅和相位信息的时域光谱仪应用最为广泛，已广泛应用于安全检查、无损检测、生物医学、化学分析、通信与国防等领域。但是这些光谱仪都是远场光谱仪，无法绕开衍射极限，只能对物质进行大量分子系综的太赫兹图谱分析，难以得到物质的指纹图谱。如何对单个生物细胞、分子或对微纳米尺度的半导体器件等微小作用物质进行太赫兹探测成为学界和工业界关心的焦点问题。传统远场时域系统采用飞秒激光，由此产生宽带太赫兹谱，单次测量即含有完整的太赫兹频率窗口信息。但这种完全自由空间传播太赫兹时域系统价格过于昂贵、体积庞大、结构复杂、易于受到环境扰动。另一种常见的与之补充的实用型的光谱仪为连续波外差太赫兹光谱系统，由波长稍有不同的两个单模连续波激光束入射到光电导天线中，产生连续波太赫兹辐射。但只探测一个单一频率成分，所获得信息严重限制。而且在对物质的太赫兹图谱分析中，远场仅能获得大量物质的系综信号，难以得到单个分子、微纳米尺度物质的指纹图谱性质，而且针对某些生物分子只对特定偏振太赫兹波有响应，而且由于近场信号本身过于微弱的特点，偏振衬度有助于提高其分辨率的特点，因此开展抗扰动，能够快速实时探测，集成时域和频域系统优点的，又能够绕过衍射极限的近场偏振探测系统成为迫在眉睫的工作。扫描偏振近场太赫兹显微镜有很多独特优点，可以在大气甚至液体状态下工作，探测时对样品基本没有损伤；尤其是光谱探测还可以给出样品化学组成和结构信息，对深入了解样品的性质具有重要意义。近场偏振太赫兹显微光谱仪在低维纳米材料，微纳光子学器件，表面等离激元，薄膜，生物大分子体系等领域有广泛应用前景。

发明内容

本发明的目的就是为了解决传统的太赫兹时域近场系统价格昂贵，体积较大，慢速和分辨率不高、信噪比欠优和频域连续波近场系统的带宽限制等问题，而提供一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪。

本发明所涉及的一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，包括多模激光模块1、掺饵光纤放大器2、光纤分束器3、光电导发射天线4、偏振模块5、聚焦透镜A6-1、原子力显微镜8、聚焦透镜B6-2、光纤延展模块9、光电导接收天线10和锁相放大器11；其特征是：多模激光模块1发射出多模激光，经过掺饵光纤放大器2，由多模传输光纤引导至光纤分束器3，成为泵浦和探测光，泵浦光束激励光电导发射天线模块4辐射出准时域太赫兹信号，太赫兹信号经过偏振模块5和聚焦透镜A6-1，入射到原子力显微镜8的振荡的探针针尖，并与样品7产生近场相互作用，生成散射近场调制信号，探测光路则是，分束器出射的激光经过光纤延展模块9进入光电导接收天线10，同时接收散射聚焦透镜B6-2收集的太赫兹信号；最后信号经过锁相放大器11提取放大。

所述多模激光模块1输出围绕一中心频率的多模激光，相邻纵模频率差为定值等间距；该多模激光经多模激光光纤传输系统分成两路光信号，其中一路光信号输入到光电导发射天线中，另一路光信号输入到光电导接收天线中。

所述光电导发射天线4，采用适用于连续波差频探测的光电导天线。

所述光电导接收天线10，采用适用于连续波差频探测的光电导天线。

所述偏振模块5由线性偏振片和λ/4、λ/2波片组合，置于光电导发射天线模块和聚焦透镜之间。

所述原子力显微镜8工作时探针振动频率为Ω，锁相放大器提取谐波频率为相应的2Ω。

在本发明中，基于科研和工业对超分辨太赫兹谱的实际应用，旨在开发小型化、低成本、紧凑型的准时域近场偏振光谱仪，结合多模激光、原子力显微镜测控探针样品间距，通过纳米尺度的光学探针针尖工作在距离样品表面小于波长的近场区，实现对包含高空间频率信息的隐失场的探测。提出一套紧凑型实时太赫兹准时域近场偏振光谱仪，部分替代飞秒时域近场太赫兹光谱系统，采用低成本的商用多模激光器件、原子力显微镜探针模块和适应偏振调制的光学器件组，更适于太赫兹近场的科研和工业应用。此系统基于紧凑、价格低廉的商用多模激光器件，使用等频距的多模纵模激光驱动传统的光电导天线混频系统。获得的信号类似于传统的时域信号，集成了飞秒激光的宽频特性和频域连续波特点，又极大降低了系统价格和体积。经过快速时间延迟模块后，再结合原子力显微镜探针的近场探测系统和显著提高近场分辨率的偏振衬度调制系统，将有助于近场超分辨太赫兹探测设备实现高信噪比、低成本和实时快速探测。此系统特点由商业价格低廉的多模激光系统激励，部分光纤传播，快速时间延迟调制，偏振太赫兹波调制，原子力显微镜的探针调制与间距控制系统，具有低成本、体积小、不损伤眼睛，实时等特点，可广泛应用于科研和工业对太赫兹信号的超分辨探测领域，研究将对未来太赫兹技术应用及产品研发产生重要意义。

说明书附图

为了更好的解释本发明，结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但它们不对本发明构成限定。

图1为本发明实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪示意图；

图2为本发明光谱仪近场部分探测示意图；

图3为本发明具体实施例采用多模激光器傅里叶频谱图；

上述图中，1为多模激光模块；2为掺铒光纤放大器；3为光纤分束器；4为光电导发射天线；5为偏振模块；5-1为偏振模块A；5-2为偏振模块B；6-1为聚焦透镜A；6-2为聚焦透镜B；7为样品；8为原子力显微镜；9为光纤延展模块；10为光电导接收天线；11为锁相放大器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例

本实施例所涉及的一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，结构如图1所示，包括多模激光模块1、光纤分束器2掺铒光纤放大器3、光电导发射天线4、偏振模块5、聚焦透镜6-1、原子力显微镜8、光纤延展模块9、光电导接收天线10、锁相放大器11；多模激光模块1发射出多模激光，经过掺饵光纤放大器2，由多模传输光纤引导至光纤分束器3，成为泵浦和探测光，泵浦光束激励光电导发射天线模块4辐射出准时域太赫兹信号，太赫兹信号经过偏振模块5和聚焦透镜A6-1，入射到原子力显微镜系统8的振荡的探针针尖，并与样品7产生近场相互作用，生成散射近场调制信号，探测光路则是，分束器出射的激光经过光纤延展模块9进入光电导接收天线10，同时接收散射聚焦透镜B6-2收集的太赫兹信号；最后信号经过锁相放大器11提取放大。偏振模块5包括偏振模块A5-1和偏振模块B5-2。

具体而言，首先激光经多模激光模块1输出，这里并未采用飞秒激光或双连续激光差频的形式，而是直接输出等间距频差的多模激光，探测到的信号是类似时域信号的脉冲信号；这些周期性脉冲信号的重复频率由激光模式间的频率差决定；其优点是，等频差间隔的激光多模将导致信号中的相关频率成分建设性叠加，从而提升信噪比；多模激光在由激光器辐射出后，通过掺铒光纤放大器2功率放大耦合进多模光纤中，接着激光经过光纤分束器3，成为两束激光，一束为泵浦激光，一束为探测激光。

太赫兹发射与接收模块分别为光电导发射天线4和光电导接收天线10，本发明采用通常适于连续波差频探测的光电导天线太赫兹模块；光电导天线的材料、层厚、离子注入、天线的几何尺寸等都将对辐射的太赫兹光谱强度和带宽产生影响，超半球高阻硅透镜贴于光电导天线背面完成太赫兹波整形；

辐射的太赫兹波经过偏振模块A5-1和偏振模块B5-2完成太赫兹波的偏振调制，为避免背景噪音干扰，用Ω频率调制探针针尖，锁相提取谐波信号2Ω；

进行偏振调制，一方面是因为近场信号非常弱，需要偏振衬度来提高分辨率；另一方面是某些生物分子或物质对光的偏振性存在选择性响应，需要灵活调整出射太赫兹波的偏振特性。以线偏振片和半波片、λ/4、λ/2波片组成的选择或可选偏振光学组将出射的太赫兹波信号变成偏振面方向各异的线偏振或圆偏振与椭圆偏振光，经探针尖端约束成微小发射的偏振太赫兹源，已知偏振太赫兹波在经过探针针尖散射后其偏振特性得以保留，可以改变入射太赫兹场的偏振态及探针与样品间的距离，来研究不同的入射太赫兹场的偏振态对近场成像的影响；

偏振太赫兹波要高效入射到原子力显微镜的探针针尖，还需进一步进行偏振太赫兹波的聚焦，使其焦斑更小。因为通常的探针针尖直径只有太赫兹波长的几十分之一，这通常使用聚焦透镜A6-1，通常与原子力显微镜8结合的探针位于样品表面，从光电导发射天线4出射的太赫兹源依次通过偏振模块5和聚焦透镜A6-1入射到针尖上，聚焦透镜B6-2相对于入射方向呈90度收集散射太赫兹信号；

光纤延展模块9，插入光纤分束器3和太赫兹接收天线10之间，通过等效时间采样技术实现激发和采样接收的脉冲太赫兹电场，传统的平移台自由空间传播的机械时间延迟在这里被更快速调制的光纤延展器所代替，更便于系统集成和实时快速探测；其时间延迟调制频率快速至近千赫兹；激光在通过光纤延展模块9后，经过多模光纤，进入光电导接收天线10；就光电导天线接收端探测而言，光电导接收天线10测量到的电流信号输入电流放大器中；

由于采样的探测器输出信号非常弱，易淹没在噪声信号中，需要通过锁相放大器11实现信号提取；

其中这个系统最重要的是近场部分，如图2所示，正是它实现了原子力探针针尖与样品的近场相互作用，针尖散射太赫兹信号，与样品7相互作用，产生的近场调制信号与针尖作用后传播到远场接收。具体而言，要实现近场探测，需要与原子力显微镜8的无孔探针相结合，一方面原子力显微镜8与探针结合系统本身可以勾画样品的表面形貌，另一方面原子力显微镜8探针的工作模式可以控制探针到样品7的间距，实现对探针的高频振荡调制；近场散射太赫兹包括：近场光学探针、探针样品间距z的反馈控制系统、驱动样品在xy平面内的运动的二维扫描系统以及信号采集和图像处理系统，为了避免背景散射波的干扰，太赫兹波接收和提取信号采用高次谐波提取模式；具体而言，近场探针在z方向以轻敲模式振动，探针样品间距以频率Ω周期性变化，由于近场相互作用随探针样品间距变化明显，近场信号也将以同样频率Ω周期性变化，但由于背景散射信号随探针的振动变化较小，近似线性关系，因此在高次谐波下得到有效抑制；利用这种差别，通过探测高次谐波2Ω可以有效抑制强背景散射，获得纯近场相互作用成分。

本发明的实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪是一种集成太赫兹时域光谱和频域差频探测技术的相干近场偏振探测设备，通过测量探针针尖与样品近场相互作用后散射回来的太赫兹脉冲准时域波形，可同时获得近场太赫兹散射脉冲的振幅和相位信息，且经快速傅里叶变换后，更可获得样品的光谱信息、吸收系数、折射率等参数。结合原子力显微镜的探针技术，不仅可获得原子力显微镜本身可提供的样品表面形貌，还能确定样品的物质组成分布形貌，将空间激光转入光纤内传输，省去了很多用于调节光路的光学元件，增强灵活性，还可减弱外界环境的干扰和保护眼睛。

实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪采用商用多模激光器作为光学激励源，代替昂贵的飞秒激光，各模间等频率差，信号类似于时域光谱的信号。且由于模式间信号的建设性干涉，能够获得更高的光谱分辨率，也有利于提高信号本就十分微弱的近场探测系统的信噪比。引入光纤延展模块实现高速时间延迟调制更适于系统紧凑集成和快速实时探测，同时对太赫兹光电导发射和接收天线实行与高阻硅透镜和电极一体封装，更适于进行系统耦合集成。光电导发射天线出射的太赫兹波经过偏振光学模块和聚焦模块后聚焦到原子力显微镜的探针针尖上，将聚焦后的太赫兹光斑准确的与针尖进行耦合散射，是能否得到高质量的针尖样品近场相互作用散射信号的关键。

本实施例的实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪中，多模激光模块1是中心波长为1550nm的InGaAs/InGaAsP多模量子点激光，各模间等频差为50G，调整激光器参数设计，中心波长和模式频间距可相应调整；在本实施例中，为提高输出功率，使用了掺铒光纤放大器2，得到激光总的输出功率是35mw,单个频率激光模式输出最高是8mw左右。等频差间距的多模激光，探测到的信号是脉冲形状，类似太赫兹的时域信号。信号的周期性不仅有利于数据处理，而且由于建设性的频率成分相干叠加，等频差间隔的多模激光的使用将提升信噪比。其具体的多模激光频谱示意图可从从图3的量子点激光器的傅里叶光谱得知，其多个模式间等间距频差，各模式间强度有不同。多模激光替代了传统自由空间时域光谱的飞秒激光和双连续波差频激光的系统构建模式，价格更加低廉，体积更小，更易于1550nm通信波段器件集成。

激光被光纤分束器3分成两束，一束激光入射到光电导发射天线4的泵浦光路，一束激光耦合进光电导接收天线10的探测光路，此处选定分光器的激光功率比为6:4。采样探测太赫兹准时域波形，需精确控制时间延迟。本实施例中电控可编程的光纤延展模块9将插入光纤分束器3和光电导天线太赫兹接收天线10之间，采样接收到的脉冲太赫兹电场。快速时间延迟线主要由压电陶瓷线圈构成，其上缠绕光纤，电压施加于压电陶瓷，线性改变光纤的长度，光程随之改变。时间延迟的调制频率近千赫兹，比机械延迟线的调制速度快速许多，能为后续实时探测打下基础。

激光进一步耦合进光电导发射天线4，辐射太赫兹波。一个激光束由多个模式频率组成，入射进光电导天线后，入射的光子将会激发半导体光生载流子，在光电导天线的外加偏压下向着电极方向加速，产生光电流辐射太赫兹波。多模激光的不同激光模式间的频率混合，将导致一个类似时域谱的脉冲，重复频率由各模式的间隔差决定，类似于一个时域信号。

新型太赫兹波发射/接收天线主要部件为光电导天线基片、超半球硅透镜等，通过改变光电导天线的不同共振模式和激光的谱发射模式，可获得更宽的太赫兹带宽；贴于光电导天线背面的超半球硅透镜能将辐射集中到近光轴方向并聚焦；光电导发射天线由InAsAs/InP材料组成，适合于1.55微米多模激光激励，这个方法可获得一个宽带多峰相干太赫兹源。光电导天线的电极为插指金属结构，便于光生载流子在电压下的收集。具体结构是：材料结构为InP衬底，0.2微米InP缓冲层，1.8微米InGaAs和15nm的InP顶部覆盖层。低温生长的InGaAs材料，用质子轰击的离子注入模式来减少载流子寿命，适于太赫兹连续波系统，也适于准时域的多模激光太赫兹发射系统。为高效辐射太赫兹，天线为螺旋状结构，3mm直径的高阻超半球硅透镜粘贴模块上，对太赫兹波束进行整形，将出射光束尽可能集中到近光轴方向。

偏振模块5主要有可旋转的偏振模块A5-1和λ/4和λ/2波片组成偏振模块B5-2。入射到探针尖端约束成微小发射太赫兹源，探针孔径的典型值为100nm。改变入射太赫兹场的偏振态及探针与样品间的距离，可以研究不同的入射太赫兹场的偏振态对近场成像的影响。也可经由偏振态提高图像衬度，提高分辨率。

在远场偏振太赫兹的照射下，局域光场可以与针尖下方的样品发生相互作用，然后从远场收集散射出来的太赫兹信号就可以获得局域太赫兹光场与样品的相互作用信息，获得高空间分辨率。这里入射太赫兹光的照明和被探测的太赫兹信号的收集都在远场进行。具体为多模量子点激光激发光电导天线产生太赫兹信号辐射，经过偏振模块5后，接着这个太赫兹辐射脉冲聚焦到原子力显微镜8的探针上。这个探针是由电化学刻蚀的钨丝探针，它粘结在石英调节音叉上。探针放于样品表面，从光电导天线出射的太赫兹源通过偏振模块和Cassegrainian聚焦透镜A6-1入射到针尖上，另一个Cassegrainian聚焦透镜B6-2相对于入射方向呈90度收集散射太赫兹信号。这个调节音叉以Ω的频率振动，幅度在80-100nm之间。仔细调节，使入射的太赫兹偏振脉冲聚焦在钨丝的尖端处，实现纳米尺度的太赫兹偏振成像。

锁相放大器11相对于针尖振动的频率Ω或其高次谐波2Ω、3Ω解调，探测来自振动探针尖端散射的调制过后的近场信号。通过准时域近场系统的时间延迟线扫描系统，散射的偏振太赫兹场能够在时域上被记录，使得后续的宽谱傅里叶变换分析成为可能。此实施例中的样品7为金属光栅，这样的样品将帮助观察准时域近场偏振系统对于材料对比的探测。即使原子力显微镜8对表面形貌的突变并没有观察到，近场成像测量依然可以揭示的金属光栅，这有助于说明近场成像能够揭示形貌对比之外的不同材料对比。而且依赖偏振的调制作用，从高次谐波的成像图中，可有助于更清晰的看到百纳米级的分辨率对比，实现了纳米尺度的太赫兹谱成像。

进一步，可选的，系统结构中引入了样品压电二维扫描系统，实现二维成像功能。样品放置在二维移动平台上，Labview程序指令控制平移台x-y方向二维扫描，实现每移动一个像元同时获取一个完整的太赫兹近场偏振时域信号，然后提取成像参数完成太赫兹二维图像绘制。

本发明实现了一种宽谱、实时、高分辨率、价格经济的太赫兹近场偏振谱测试系统。这种准时域近场偏振谱技术不仅能够实现类似近场时域光谱的基本信息检测，因使用了商用紧凑多模激光替代飞秒激光而使得成本大幅降低。还因为使用了偏振衬度选择的光学装置能够使得近场信号的分辨率得到提高。结合原子力显微镜探针技术，不仅能够获得样品的近场表面形貌，还能对样品的材质进行分辨。概括之，此系统基于价格低廉的商用多模激光器件，使用等频距的多模纵模激光驱动传统的光电导混频系统，结合原子力显微镜探针系统和偏振选择系统，能获得类似于传统时域谱的近场偏振信号。此系统集成了飞秒激光的宽频特性和近场测试的超分辨功能，降低了系统价格和体积。具有低成本、体积小、不损伤眼睛，实时等特点，兼具频域和时域近场光谱和偏振选择的特点，可广泛应用于科研和工业对单个生物分子和微纳半导体器件的探测领域。

Claims (6)

1.一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，包括多模激光模块(1)、掺饵光纤放大器(2)、光纤分束器(3)、光电导发射天线(4)、偏振模块(5)、聚焦透镜A(6-1)、原子力显微镜(8)、聚焦透镜B(6-2)、光纤延展模块(9)、光电导接收天线(10)和锁相放大器(11)；其特征是：多模激光模块(1)发射出多模激光，经过掺饵光纤放大器(2)，由多模传输光纤引导至光纤分束器(3)，成为泵浦和探测光，泵浦光束激励光电导发射天线模块(4)辐射出准时域太赫兹信号，太赫兹信号经过偏振模块(5)和聚焦透镜A(6-1)，入射到原子力显微镜(8)的振荡的探针针尖，并与样品(7)产生近场相互作用，生成散射近场调制信号，探测光路则是，分束器出射的激光经过光纤延展模块(9)进入光电导接收天线(10)，同时接收散射聚焦透镜B(6-2)收集的太赫兹信号；最后信号经过锁相放大器(11)提取放大。

2.根据权利要求1所述的一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，其特征在于：所述多模激光模块(1)输出围绕一中心频率的多模激光，相邻纵模频率差为定值等间距；该多模激光经多模激光光纤传输系统分成两路光信号，其中一路光信号输入到光电导发射天线中，另一路光信号输入到光电导接收天线中。

3.根据权利要求1所述的一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，其特征在于：所述光电导发射天线(4)，采用适用于连续波差频探测的光电导天线。

4.根据权利要求1所述的一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，其特征在于：所述光电导接收天线(10)，采用适用于连续波差频探测的光电导天线。

5.根据权利要求1所述的一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，其特征在于：所述偏振模块(5)由线性偏振片和λ/4、λ/2波片组合，置于光电导发射天线模块和聚焦透镜之间。

6.根据权利要求1所述的一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，其特征在于：所述原子力显微镜(8)工作时探针振动频率为Ω，锁相放大器提取谐波频率为相应的2Ω。