CN106443201A - 一种微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置由第一红外激光器(1)、第二红外激光器(2)、前端保偏光纤(3)、耦合分束器(4)、后端保偏光纤(5)、THz波发射天线(6)、THz波分束片(7)、THz波反射镜(8)、第一促动陶瓷(9)、微纳探针(11)、第二促动陶瓷(17)、抛物面镜(10)、THz波功率探测器(14)、函数发生器(16)和锁相放大器(20)组成；可准确获得与样品有关的信号，再利用基于检测结果的计算方法算得样品的介电常数。本发明具有高分辨率、高灵活性、可操作性强的特点，具有在多个频段和频点上进行测试的能力，为介观尺度上的多学科研究提供了便利条件。

Description

一种微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置

技术领域

本发明涉及太赫兹(THz)技术应用领域，具体涉及一种介观尺度下微探针散射式的太赫兹波段样品介电常数检测装置。

背景技术

THz技术是新兴的科学技术，很多材料、结构或者生物大分子等物质在THz波段都有独特的指纹谱响应，而这些特性在其它电磁波段是不具备的，因此可以作为物质识别和鉴定的重要手段。其中介电常数的检测是物质识别手段的重要方式之一，此外，根据介电常数来研究物质变化过程(如生物组织或细胞)也具有重要意义。

目前，检测物质在THz波段的介电常数需要借助远场THz时域光谱系统进行透射或者反射模式成像，然后进行折射率和消光系数的计算，进而推算出物质的介电常数。这种方法有两个主要缺点：(1)分辨率问题，由于测试系统是远场系统，系统分辨率一方面受制于光学瑞利衍射极限的限制，存在分辨率上限(波长的二分之一)，一方面还受制于THz光斑大小和样品移动步长，使得系统不能获得微纳量级尺寸样品的介电常数；(2)精确度问题，由于样品存在对THz波的回波振荡，使得推算出的折射率和消光系数存在误差，进而影响介电常数的精确度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，现有检测物质在THz波段的介电常数时分辨率存在上限、不能检测微纳量级尺寸样品的介电常数和检测准确度不足。为此，本发明提供了一种具有介观尺度分辨能力的太赫兹波段介电常数检测装置。本发明采用的技术方案是，一种太赫兹波段介电常数检测装置，太赫兹波段介电常数检测装置由第一红外激光器、第二红外激光器、前端保偏光纤、耦合分束器、后端保偏光纤、THz波发射天线、THz波分束片、THz波反射镜、第一促动陶瓷、微纳探针、第二促动陶瓷、抛物面镜、THz波功率探测器、函数发生器和锁相放大器组成；其中锁相放大器的信号输入端与THz波功率探测器的输出端相连接，参考输入端与函数发生器的一端相连；函数发生器的三个同步输出端分别连接第一促动陶瓷、第二促动陶瓷和锁相放大器的参考输入端。

本发明采用的具体技术方案是，一种微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置，其特征是，所述微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置由第一红外激光器1、第二红外激光器2、前端保偏光纤3、耦合分束器4、后端保偏光纤5、THz波发射天线6、THz波分束片7、THz波反射镜8、第一促动陶瓷9、微纳探针11、第二促动陶瓷17、抛物面镜10、THz波功率探测器14、函数发生器16和锁相放大器20组成；其中THz波反射镜8和第一促动陶瓷9使用合成树脂胶水黏合在一起；微纳探针11和第二促动陶瓷17通过微螺栓机械夹持结构连接；THz波发射天线6的焦点、THz波分束片7的中心和抛物面镜10的水平轴线在同一条直线上；THz波反射镜8的中心、THz波分束片7的中心和THz波功率探测器14的焦点轴线在同一条直线上；锁相放大器20的信号输入端25与THz波功率探测器14的输出端通过信号传输线相连；锁相放大器20的参考输入端24与函数发生器16的端口23用信号传输线相连；函数发生器16的输出端21与第一促动陶瓷9用信号传输线相连，函数发生器16的输出端22与第二促动陶瓷17通过信号传输线相连；

所述第一红外激光器1优选连续波输出型；第二红外激光器2优选连续波输出型，可由温度控制波长且可以在一定波长范围精确控制其激发波长；

所述THz波发射天线6优选半导体基底天线，用于接收两束激光并激发THz波；

所述THz波分束片7优选硅片THz波分束片，用于完成对输入光束的分束，使其分为参考光和泵浦光两路光束；

所述THz波反射镜8优选镀金或镀铝的平面反射镜，将其黏附在振动的第一促动陶瓷上，以完成对参考光束的调制；

所述微纳探针11优选硅探针，针尖上镀金属层，将其黏附在由第二促动陶瓷驱动的悬臂梁上，通过外来驱动控制其振动频率和振动振幅；

所述抛物面镜10优选镀THz波反射膜的抛物面镜，用来收集探针散射的微弱THz波。

一种微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置，其特征是，待测物质的介电常数(ε)的计算方法为：

式中，k为系统的特征参量值；I_x和I_y为已知介电函数的标准样品在太赫兹波段介电常数检测装置上测得的在2Ω-M和2Ω-2M频率上的两个正交分量信号；α为太赫兹波段介电常数检测装置中微纳探针11的针尖镀层的介电常数，在测试中为已知数值；ε₀为标准样品的介电常数，也为已知数值；Ω是微纳探针的振动频率；r为所述微纳探针11的针尖曲率半径；A是所述微纳探针11的振动振幅；I'_x和I'_y为待测样品在2Ω-M和2Ω-2M频率上的两个正交分量信号；M为太赫兹波段介电常数检测装置的第一促动陶瓷9的振动频率；t为时间。

在不同波长的太赫兹波入射情况下，只需改变对应的α的值，根据对应的实验数据，重复上述计算即可获得样品在不同入射波长下的介电常数。

本计算方法不仅能适用于各种尺寸样品的太赫兹波段的介电常数计算，而且相对于传统方法也有着不可比拟的优势：

(1).该计算方法集成度高，将大量的运算集成在了一个方程里面，而此运算可以基于现代化的计算平台直接运算，因此可以快速地获得物质的介电常数，具有一站式特点。

(2).该计算方法可操作度高，可将实验数据直接带入运算。相对于传统方法，无需实验后期大量的数据处理，很大程度上简化了实验后期的复杂工作。

微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置的工作原理如下：由THz波发射源6发出的THz波经过THz波分束片7分为反射的参考光束和透射的泵浦光束，其中参考光束被参考路末端振动的反射镜8反射后再次经过THz波分束片7到THz波功率探测器14中；泵浦光束经离轴抛物面镜10汇聚后照射到高频振动的微纳探针11上，再由抛物面镜10接收由微纳探针11散射的弱THz光束；最后由THz波反射镜8反射回来的参考光和抛物面镜10回收的散射光干涉，干涉光由THz波功率探测器14探测，其输出信号经由锁相放大器20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，计算得到对应样品的介电常数。

本发明通过函数发生器的三路同步输出分别控制微纳探针、振动反射镜和锁相放大器参考源，实现了信号的同步提取，能够准确地获取探针针尖-样品偶极子系统激发出的电磁波所携带的信息，通过对锁相放大器获得的数据进行处理，再通过对应的算法便可得到样品的介电常数。

微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置的使用方法：

(1)打开THz波发射源，激发出的THz波束经分束镜分束后分为参考光束和泵浦光束两路；

(2)开启函数发生器，打开参考光路反射镜的第一促动陶瓷，使反射镜以频率M振动，进而完成对参考光束进行调制；

(3)开启微纳探针的第二促动陶瓷，使探针以频率Ω振荡(几十到几百千赫兹)，使其与待测样品相互作用，散射出含有探针振动频率基波Ω及谐波成分nΩ的回散光束；

(4)开启THz波功率探测器和锁相放大器，进行高次谐波(nΩ)提取；

(5)先扫描已知介电函数的标准样品，完成相应的样品的扫描过程，分别记录锁相放大器的在频率2Ω-M和2Ω-2M上的两个正交分量信号I_x和I_y的值，根据公式得到相关系数k的值；

(6)扫描待测样品，同时记录待测样品在频率2Ω-M和2Ω-2M上的两个正交分量信号I'_x和I'_y；

(7)根据计算得到样品介电常数(ε)。切换不同波长时，只需改变对应的α的值，根据测定的对应实验数据，重复上述计算即可获得样品在不同入射波长下的介电常数。

微探针散射式的太赫兹波段介电常数的详细计算过程如下：

设探针散射电场，背景散射电场(主要来自样品表面和探针轴的散射)和参考电场分别为E_s E_b E_r，其相位分别为在此系统中只考虑弹性散射，则其复振幅形式分别为：

设M代表反射镜振动频率，其电磁波表达式为：

其中γ为调制深度，为参考光的初始相位；

设探针针尖的曲率半径为r，α和β分别是探针针尖(介电常数为ε_t)极化率和样品(介电常数为ε_s)中与其对应镜像偶极子的极化率增强比率，分别表示为：

α＝4πr³(ε_t-1)/(ε_t+2),β＝(ε-1)/(ε+1) (3)

设d为探针振动过程中探针针尖球心到样品表面的距离，则

d＝r+Acos(2πΩt) (4)

则针尖-样品偶极子系统的有效极化率为：

散射的信号与有效极化率的关系为E_s∝α_effE_i，由式(4)和式(5)可知，E_s也成为时间的函数，可将其写为傅里叶级数的形式：

式中，F_n表示针尖散射场强度在n阶谐波处的傅里叶系数，Ω表示探针的振动频率；在探测器中探测到的电磁波强度可表示为理论的功率信号可表达为：

将第六项用贝塞尔函数展开，并选定锁相放大器在特定频率nΩ-mM(m为参考波函数展开后贝塞尔函数的阶数)上进行探测，使得式(7)中只有第六项与信号相关，将式(6)带入可以得到在频率nΩ-mM上的锁相放大器输出为：

式中F_n表示n阶傅里叶系数，J_m(γ)为m阶第一类贝塞尔函数在γ处的值。以二次谐波提取为例，选取二次谐波即n＝2，然后再用锁相放大器分别选取频率m＝1，m＝2，可以得到两个正交分量I_x和I_y：

通过控制反射镜振幅，选取合适的γ值，使得J₁(γ)＝J₂(γ)，如此便可以将上式简化为：

上式中k为系统的特征参量值。

对于介电函数标准样品，因为介电函数已知，F₂的值可以由式(11)得到，即对式(5)进行傅里叶积分，

将F₂的值代入式(10)便可得到k的值。

对于待测样品，同时记录待测样品在频率2Ω-M和2Ω-2M上的两个锁相正交分量信号I'_x和I'_y；

同理式(11)，F'₂的求解方程为：

联立式(3)、(4)、(12)和(13)便可得到关于样品介电常数的方程：

求解上述方程组便可得到样品的介电常数ε。改变第二红外激光器的波长，可以获得不同波长的太赫兹波，通过上述方法亦可获得样品在其他不同入射波长下的介电常数。

本发明的微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置具有在多个频段和频点上进行测试的能力；分辨率远高于传统远场光谱仪，并且具有灵活的可选择性可以研究更加精细的样品结构。本发明的微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置解决了传统远场THz时域光谱系统在类似测试中空间分辨率不足的问题，进而为介观尺度上的跨领域的多学科研究，如等离子体物理、微纳结构及半导体器件以及生物分子或细胞等提供了新的技术实现途径。综上,本发明是具有高分辨率、高灵活性、可操作性强的，能够完成介观尺度样品测试的，并且匹配有完整算法的太赫兹波段介电常数检测的装置。

附图说明

图1微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置图。

1.第一红外激光器；2.第二红外激光器；3.前端保偏光纤；4.耦合分束器；5.后端保偏光纤；6.THz波发射天线；7.THz波分束片；8.THz波反射镜；9.第一促动陶瓷；10.抛物面镜；11.微纳探针；13.待测试样品；14.THz波功率探测器；16.函数发生器；17.第二促动陶瓷；20.锁相放大器。

图2本发明实施例1的微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置的工作示意图。

1.第一红外激光器；2.第二红外激光器；3.前端保偏光纤；4.耦合分束器；5.后端保偏光纤；6.THz波发射天线；7.THz波分束片；8.THz波反射镜；9.第一促动陶瓷；10.抛物面镜；11.微纳探针；13.待测试样品；14.THz波功率探测器；16.函数发生器；17.第二促动陶瓷；20.锁相放大器；26.源太赫兹波束；27.参考光束；28.泵浦光束；29.针尖回散光束；30.总干涉光束；31.标准样品。

具体实施方式

下面以具体实施方式说明本发明，但不限于此。

实施例1

一种微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置，由第一红外激光器1、第二红外激光器2、前端保偏光纤3、耦合分束器4、后端保偏光纤5、THz波发射天线6、THz波分束片7、THz波反射镜8、第一促动陶瓷9、微纳探针11、第二促动陶瓷17、抛物面镜10、THz波功率探测器14、函数发生器16和锁相放大器20组成；其中THz波反射镜8和第一促动陶瓷9由合成树脂胶水黏合在一起；微纳探针11和第二促动陶瓷17通过微螺栓机械夹持结构连接；THz波发射天线6的焦点、THz波分束片7的中心和抛物面镜10的水平轴线在同一条直线上；THz波反射镜8的中心、THz波分束片7的中心和THz波功率探测器14的焦点轴线在同一条直线上；锁相放大器20的信号输入端25与THz波功率探测器14的输出端通过信号传输线相连；锁相放大器20的参考输入端24与函数发生器16的端口23通过信号传输线相连；函数发生器16的输出端21与第一促动陶瓷9通过信号传输线相连，函数发生器16的输出端22与第二促动陶瓷17通过信号传输线相连；所述第一红外激光器1的功率为40m、连续波输出且波长为780nm；第二红外激光器2的功率为40mW、连续波输出且波长可在780nm附近小范围内自由调节；所述THz波发射天线6为半导体基底天线；所述THz波分束片7为硅片THz波分束片；所述THz波反射镜8为镀金平面反射镜；所述微纳探针11为硅探针，针尖上镀金属层，将其黏附在由第二促动陶瓷驱动的悬臂梁上；所述抛物面镜10为镀THz波反射膜的抛物面镜。

测量样品介电常数具体步骤如下：

(1)打开红外激光器1和红外激光器2，调节两路激光波长差，使得THz波发射天线发射一定波长的源太赫兹波束26，激发出的THz波束经硅片分束镜7分束后分为参考光束27和泵浦光束28两路；

(2)开启函数发生器16，打开第一促动陶瓷9，使反射镜8以频率M振动，进而完成对参考光束27的调制；

(3)开启第二促动陶瓷17，使探针11以频率Ω振荡(几十到几百千赫兹)，使其与待测样品相互作用，散射出含有探针振动频率基波Ω及谐波成分nΩ的针尖回散光束29；

(4)开启THz波功率探测器14，探测总干涉光束30；开启锁相放大器20，进行高次谐波(nΩ)提取；

(5)先扫描已知介电函数的标准样品31，完成相应的样品的扫描过程，分别记录锁相放大器的在频率2Ω-M和2Ω-2M上的两个正交分量信号I_x和I_y的值，根据公式得到相关系数k的值；其中，I_x和I_y为已知介电函数的标准样品在太赫兹波段介电常数检测装置上测得的在2Ω-M和2Ω-2M频率上的两个正交分量信号；α为太赫兹波段介电常数检测装置中微纳探针11的针尖镀层的介电常数，在测试中为已知数值；ε₀为标准样品31的介电常数，也为已知数值；Ω是微纳探针的振动频率；r为所述微纳探针11的针尖曲率半径；A是所述微纳探针11的振动振幅；I'_x和I'_y为待测样品在2Ω-M和2Ω-2M频率上的两个正交分量信号；M为太赫兹波段介电常数检测装置的第一促动陶瓷9的振动频率；

(6)扫描待测样品13，记录待测样品在频率2Ω-M和2Ω-2M上的两个正交分量信号I'_x和I'_y；

(7)根据公式

通过解方程便可得到样品介电常数(ε)；

(8)改变红外激光器1和2的频率差，获得不同波长的THz波，改变对应的α的值，带入对应实验数据，重复上述计算即可获得样品在不同入射波长下的介电常数。

实施例2

一种微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置，由第一红外激光器1、第二红外激光器2、前端保偏光纤3、耦合分束器4、后端保偏光纤5、THz波发射天线6、THz波分束片7、THz波反射镜8、第一促动陶瓷9、微纳探针11、第二促动陶瓷17、抛物面镜10、THz波功率探测器14、函数发生器16和锁相放大器20组成；其中THz波反射镜8和第一促动陶瓷9由合成树脂胶水黏合在一起；微纳探针11和第二促动陶瓷17通过微螺栓机械夹持结构连接；THz波发射天线6的焦点、THz波分束片7的中心和抛物面镜10的水平轴线在同一条直线上；THz波反射镜8的中心、THz波分束片7的中心和THz波功率探测器14的焦点轴线在同一条直线上；锁相放大器20的信号输入端25与THz波功率探测器14的输出端通过信号传输线相连；锁相放大器20的参考输入端24与函数发生器16的端口23通过信号传输线相连；函数发生器16的输出端21与第一促动陶瓷9通过信号传输线相连，函数发生器16的输出端22与第二促动陶瓷17通过信号传输线相连；所述第一红外激光器1的功率为40m、连续波输出且波长为780nm；第二红外激光器2的功率为40mW、连续波输出且波长可在780nm附近小范围内自由调节；所述THz波发射天线6为半导体基底天线；所述THz波分束片7为硅片THz波分束片；所述THz波反射镜8为镀铝平面反射镜；所述微纳探针11为硅探针，针尖上镀金属层，将其黏附在由第二促动陶瓷驱动的悬臂梁上；所述抛物面镜10为镀THz波反射膜的抛物面镜。

实施例3

一种微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置，其特征是，待测物质的介电常数(ε)的计算方法为：

式中，k为系统的特征参量值；I_x和I_y为已知介电函数的标准样品在太赫兹波段介电常数检测装置上测得的在2Ω-M和2Ω-2M频率上的两个正交分量信号；α为太赫兹波段介电常数检测装置中微纳探针11的针尖镀层的介电常数，在测试中为已知数值；ε₀为标准样品的介电常数，也为已知数值；Ω是微纳探针的振动频率；r为所述微纳探针11的针尖曲率半径；A是所述微纳探针11的振动振幅；I'_x和I'_y为待测样品在2Ω-M和2Ω-2M频率上的两个正交分量信号；M为太赫兹波段介电常数检测装置的第一促动陶瓷9的振动频率；t为时间。

在不同波长的太赫兹波入射情况下，只需改变对应的α的值，根据对应的实验数据，重复上述计算即可获得样品在不同入射波长下的介电常数。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和发明构思，做出相应改变和替代，而且性能或用途相同，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置，其特征是，所述太赫兹波段介电常数检测装置由第一红外激光器(1)、第二红外激光器(2)、前端保偏光纤(3)、耦合分束器(4)、后端保偏光纤(5)、THz波发射天线(6)、THz波分束片(7)、THz波反射镜(8)、第一促动陶瓷(9)、微纳探针(11)、第二促动陶瓷(17)、抛物面镜(10)、THz波功率探测器(14)、函数发生器(16)和锁相放大器(20)组成；其中THz波反射镜(8)和第一促动陶瓷(9)使用合成树脂胶水黏合在一起；微纳探针(11)和第二促动陶瓷(17)通过微螺栓机械夹持结构连接；THz波发射天线(6)的焦点、THz波分束片(7)的中心和抛物面镜(10)的水平轴线在同一条直线上；THz波反射镜(8)的中心、THz波分束片(7)的中心和THz波功率探测器(14)的焦点轴线在同一条直线上；锁相放大器(20)的信号输入端(25)与THz波功率探测器(14)的输出端通过信号传输线相连；锁相放大器(20)的参考输入端(24)与函数发生器(16)的端口(23)用信号传输线相连；函数发生器(16)的输出端(21)与第一促动陶瓷(9)用信号传输线相连，函数发生器(16)的输出端(22)与第二促动陶瓷(17)通过信号传输线相连；所述第一红外激光器(1)为连续波输出型；第二红外激光器(2)为连续波输出型；所述THz波发射天线(6)为半导体基底天线；所述THz波分束片(7)为优选硅片THz波分束片；所述THz波反射镜(8)为镀金或镀铝的平面反射镜；所述微纳探针(11)为硅探针，针尖上镀金属层，将其黏附在由第二促动陶瓷驱动的悬臂梁上；所述抛物面镜(10)为镀THz波反射膜的抛物面镜。

2.一种权利要求1所述的微探针散射式的太赫兹波段介电常数检测装置，其特征是，待测物质的介电常数ε的计算方法为：

$k=\frac{\mathrm{\Ω}\sqrt{{I_x}^2+{I_y}^2}}{32\mathrm{\π}\mathrm{\α}{\∫}_{-\frac{1}{2\mathrm{\Ω}}}^{\frac{1}{2\mathrm{\Ω}}}\frac{{\[r+Acos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\Ω}t\right)\]}^3{\mathrm{\ϵ}}_0}{16\mathrm{\π}{\[r+A\cos \left(2\mathrm{\π}\mathrm{\Ω}t\right)\]}^3({\mathrm{\ϵ}}_0+1)-\mathrm{\α}({\mathrm{\ϵ}}_0-1)}{e}^{-j4\mathrm{\π}\mathrm{\Ω}t}{d}_t}$

$\frac{1}{k}\sqrt{I^{\′}{{}_x}^2+I^{\′}{{}_y}^2}=\frac{32\mathrm{\π}\mathrm{\α}}{\mathrm{\Ω}}{\∫}_{-\frac{1}{2\mathrm{\Ω}}}^{\frac{1}{2\mathrm{\Ω}}}\frac{{\[r+Acos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\Ω}t\right)\]}^3\mathrm{\ϵ}}{16\mathrm{\π}{\[r+Acos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\Ω}t\right)\]}^3(\mathrm{\ϵ}+1)-\mathrm{\α}(\mathrm{\ϵ}-1)}{e}^{-j4\mathrm{\π}\mathrm{\Ω}t}{d}_t,$

式中，k为系统的特征参量值；I_x和I_y为已知介电函数的标准样品在太赫兹波段介电常数检测装置上测得的在2Ω-M和2Ω-2M频率上的两个正交分量信号；α为太赫兹波段介电常数检测装置中微纳探针(11)的针尖镀层的介电常数，在测试中为已知数值；ε₀为标准样品的介电常数，也为已知数值；Ω为所述微纳探针(11)的振动频率；r为所述微纳探针(11)的针尖曲率半径；A是所述微纳探针(11)的振动振幅；I'_x和I'_y为待测样品在2Ω-M和2Ω-2M频率上的两个正交分量信号；M为太赫兹波段介电常数检测装置的第一促动陶瓷(9)的振动频率；t为时间。