CN106526723A - 一种超衍射极限太赫兹聚焦器件 - Google Patents

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李赜宇
李磊
孔维鹏
王度
秦瑀
严强
张庆伟
周逊
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Abstract

本发明公开了一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，属于太赫兹成像技术领域中的太赫兹聚焦器件，其目的在于提供一种可对生物组织等样品成像达到亚波长水平的空间分辨率的超衍射极限太赫兹聚焦器件。其包括上层图形化金属层和下层太赫兹高透材料衬底；所述上层图形化金属层包括可透过太赫兹辐射的圆环或可透过太赫兹辐射的圆盘。本发明适用于对生物组织等样品进行成像的太赫兹聚焦器件。

Description

一种超衍射极限太赫兹聚焦器件
技术领域
本发明属于太赫兹成像技术领域，涉及一种太赫兹聚焦器件。
背景技术
太赫兹(THz，1THz＝1012Hz)辐射或太赫兹波通常指频率在0.1THz至10THz之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外光波之间，是电磁波谱中有待进行全面研究和深入挖掘的最后一个频率窗口。太赫兹波与其他波段的电磁辐射一样可以用来对物体成像，而且根据太赫兹的大多物质在太赫兹波段都可有指纹谱等特性，使太赫兹成像相比其他成像具有其独特的技术优势。
太赫兹成像技术以其独特的光谱特性和穿透性，在物理、化学、生物医学、安检等领域都显示出巨大的科研价值和应用前景，尤其是太赫兹辐射频率在多数大分子振动、转动能级附近，因此太赫兹成像技术在生物大分子、生物医学等方面格外引人注意。然而，太赫兹波的波长较长(例如1THz波长为0.3mm)，采用一般的成像技术不易直接观察样品的细微结构；此外，根据瑞利判据，太赫兹波受衍射效应的限制，一般太赫兹成像技术的空间分辨率很难突破衍射极限达到亚波长水平，由此限制了太赫兹波成像技术的进一步应用。要提高太赫兹成像系统的空间分辨率，目前可行的途径之一是采用太赫兹近场成像技术，其原理是利用太赫兹倏逝波来突破衍射极限。但太赫兹倏逝波的强度随其传播距离的增加呈指数式衰减，传播距离只在一个波长以内，导致太赫兹近场成像信号无法直接实现远场探测；另外，太赫兹近场成像要求被测样品紧贴成像系统探针，这对成像系统扫描控制精度、样品制备等方面提出较高的要求。因此，太赫兹近场成像技术的应用范围非常有限。为了获得远场探测条件下的太赫兹超衍射极限成像分辨率，近几年人们在成像系统设计和功能材料研究方面也做了一些尝试。例如，申请号为201320594920.1的实用新型专利公开了一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪。但相比于太赫兹近场成像，太赫兹远场超衍射极限成像目前公开的学术或专利成果仍十分有限，其重要原因之一是缺乏太赫兹远场超衍射极限器件的研究。
本发明提出一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，能够实现远场太赫兹辐射超衍射极限聚焦，从而解决传统远场太赫兹成像中难以突破衍射极限达到亚波长空间分辨率的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种可对生物组织等样品成像达到亚波长水平的空间分辨率的超衍射极限太赫兹聚焦器件。
本发明采用的技术方案如下：
一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其包括上层图形化金属层和下层太赫兹高透材料衬底；所述上层图形化金属层包括可透过太赫兹辐射的圆环或可透过太赫兹辐射的圆盘。
其中，所述圆环为多个可透过太赫兹辐射的同心圆环，所述同心圆环的数量为1至10000个，最外层圆环的内半径不大于1000000μm，最内层圆环的外半径不低于5μm，最外层圆环的外半径不大于1000000μm。
其中，每个圆环的宽度不低于5μm。
其中，同心圆环数≥2时，相邻两个同心圆环之间的宽度不低于5μm。
其中，所述最内层圆环内设有可透过太赫兹辐射的圆盘，该圆盘半径不小于5μm。
其中，所述上层图形化金属层的金属材料的电导率大于105S/m，所述上层图形化金属层的厚度为0.01μm至20μm。
其中，所述下层太赫兹高透材料衬底为介电常数大于2的电介质，所述下层太赫兹高透材料衬底的厚度为0.1μm至100000μm。
其中，所述太赫兹的频率范围为0.1THz至10THz。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，该太赫兹聚焦器件包括上层图形化金属层和下层太赫兹高透材料衬底，使太赫兹聚焦器件的结构简单；上层图形化金属层材料可以选用常见金属，无论采用何种沉积方法，只要不破坏衬底材料即可，沉积所得到的连续金属薄膜可采用成熟的微细加工技术(如光刻或电子束刻蚀)或其它薄膜加工技术来获得带同心圆环结构的薄膜，并且对微细加工工艺的加工精度要求不高，器件的生产工序简单、工艺难度低、制备成本低；通过在上层图形化金属层上设置同心圆环结构，在对生物组织等样品进行成像时太赫兹辐射透过同心圆环结构之后形成亚波长量级聚焦光斑，使由采用该太赫兹聚焦器件的太赫兹成像系统对生物组织等样品成像时能够达到亚波长水平的空间分辨率，且由于非焦斑区域的信号影响小，还能够获得信噪比、对比度高的成像质量。
附图说明
图1为本发明实施例一中的超衍射极限太赫兹聚焦器件示意图；
图2为本发明实施例一中的超衍射极限太赫兹聚焦器件过同心环中心的XZ面的电场强度分布图；
图3为本发明实施例一中的超衍射极限太赫兹聚焦器件在z＝2615μm处的XY面上的电场功率分布二维图；
图4为本发明实施例一中的超衍射极限太赫兹聚焦器件在z＝2615μm处的XY面上的电场功率分布三维图；
图5为本发明实施例一中的超衍射极限太赫兹聚焦器件在z＝2615μm处的焦斑在X轴方向上的电场功率分布曲线(该曲线过电场功率极大值点)；
图6为本发明实施例一中的超衍射极限太赫兹聚焦器件在z＝2615μm处的焦斑在Y轴方向上的电场功率分布曲线(该曲线过电场功率极大值点)；
图7为本发明实施例二中的超衍射极限太赫兹聚焦器件在z＝2545μm处的焦斑在Y轴方向上的电场功率分布曲线(该曲线过电场功率极大值点)；
图8为本发明实施例二中的超衍射极限太赫兹聚焦器件在z＝2545μm处的焦斑在Y轴方向上的电场功率分布曲线(该曲线过电场功率极大值点)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其包括上层图形化金属层和下层太赫兹高透材料衬底。
该上层图形化金属层包括圆环或圆盘，可通过光刻、电子束刻蚀等薄膜加工技术在上层图形化金属层上去除掉对应位置的金属形成圆环或圆盘结构，使太赫兹辐射可通过圆环或圆盘透过上层图形化金属层上的金属层。
上层图形化金属层的圆环设置为多个可透过太赫兹辐射的同心圆环，且同心圆环的数量为1至10000个。其中，最外层圆环的内半径不大于1000000μm，最内层圆环的外半径不低于5μm，最外层圆环的外半径不大于1000000μm。
每个圆环的宽度(即该圆环内半径与外半径之差)不低于5um。当同心圆环数≥2时，相邻两个圆环之间的宽度(即小尺寸圆环的外半径与相邻的大尺寸圆环内半径之差)不低于5um。
在最内层圆环以内的区域可全部设置为不可透过太赫兹辐射的区域，在最内层圆环以内的区域也可设置有可透过太赫兹辐射的区域。
该上层图形化金属层的厚度为0.01μm至20μm，上层图形化金属层材料可以选用常见金属，金属材料电导率大于105S/m即可。对该超衍射极限太赫兹聚焦器件的实际工艺制备流程中，形成上层图形化金属层之前需要先沉积一层连续金属膜(厚度为0.01μm至20μm)，沉积方法无严格限制(只要沉积方法不破坏衬底材料即可)，沉积得到连续金属薄膜之后可采用成熟的微细加工技术如(光刻或电子束刻蚀)或者其它薄膜加工技术来加工得到上层图形化金属层。
下层太赫兹高透材料衬底为介电常数大于的电介质，且下层太赫兹高透材料衬底的厚度为0.1μm至100000μm。对材料无特殊要求，只需要与上层图形化金属层的加工工艺兼容，对太赫兹辐射具有较高的透过率。
该太赫兹聚焦器件可适用的太赫兹的频率范围为0.1THz至10THz。
实施例1
一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，该器件包括上层图形化金属层和下层太赫兹高透材料衬底。其中上层图形化金属层采用金作为材料，上层图形化金属层电导率为4.5×107S/m，上层图形化金属层的厚度为0.2μm。上层图形化金属层由13个能够透过太赫兹辐射的同心圆环组成(其中中心圆环的内外半径同为1856.3μm，因此是一个半径为1856.3μm的不透太赫兹辐射的金属薄膜圆盘)，表1罗列了每个透过太赫兹辐射的圆环内外半径尺寸，这些尺寸参数表明最内层圆环以内的区域都设置为不透过太赫兹辐射的金属圆盘。下层太赫兹高透材料衬底采用厚度为1mm的SiO2晶体衬底。
表1实施例一中透射太赫兹辐射的圆环内外半径尺寸，长度单位均为微米。
序号 内半径 外半径 序号 内半径 外半径
1 1856.3 1856.3 8 2970 3081.4
2 1930.5 2004.8 9 3118.5 3155.6
3 2153.3 2227.5 10 3229.9 3304.1
4 2301.8 2338.9 11 3341.3 3378.4
5 2524.5 2598.8 12 3415.5 3452.6
6 2673 2710.1 13 3489.8 3526.9
7 2784.4 2858.6
将该实施例中的器件结构经商业软件CST Microwave Studio 2013时域求解器对其太赫兹辐射的透射特性进行仿真计算。波长λTHz＝100μm(对应的频率为3THz)的太赫兹辐射以平面波的形式由衬底的一面(无图形化金属层)入射器件，电场极化方向平行于Y轴。仿真计算得到的电磁场分布如图2所示(电磁场方向由下至上，z＝0μm位置无图形化金属层，z＝1000μm位置有0.2μm厚的图形化金属层)。结果表明透射的太赫兹电磁场分布基本沿着过同心环中心的轴向分布。我们考查z＝2615μm位置上，垂直同心环中心轴的XY平面上的太赫兹电场功率分布，如图3所示，可以看到，太赫兹电场强度基本集中在中心的一个小区域，从与图4相对应的三维图可以更清楚地看出中心焦斑的能量表现非常集中，非焦斑位置区域的太赫兹辐射功率相比于焦斑峰值强度弱很多。由图5、图6所给的数据测量该焦斑的半高宽得到的尺寸为：X方向半高宽为40μm，即0.40λTHz；Y方向的半高宽为80μm，即0.80λTHz；两个方向的焦斑半高宽均达到了亚波长水平。因此，应用本发明的太赫兹聚焦器件，太赫兹成像系统不仅能够达到亚波长水平的空间分辨力，由于非焦斑区域的信号影响小，还能够获得信噪比、对比度高的成像质量。
实施例2
本实施例所述的太赫兹聚焦器件结构参数及所考查的太赫兹辐射波长、焦斑位置与实施例一的不同之处在于：本实施例透射太赫兹辐射的圆环数量及内外半径尺寸与实施例一不同(如表2所示，这些尺寸参数表明最内层圆环以内的区域都设置为可透过太赫兹辐射的圆盘)；实施例一考查的入射太赫兹辐射波长为100μm，而本实施例考查的入射太赫兹波长λTHz＝118.8μm(对应的频率为2.52THz)；实施例一考查的焦斑位置为z＝2615μm，本实施例考查的焦斑位置为z＝2545μm；其他器件参数及CST Microwave Studio 2013时域求解器仿真参数与实施例一相同。如图7、图8所给的数据，测量本实施例位于z＝2545μm处的焦斑半高宽得到的尺寸为：X方向半高宽为51μm，即0.43λTHz；Y方向的半高宽为90μm，即0.76λTHz；两个方向的焦斑半高宽均达到了亚波长水平。
表2实施例二中透射太赫兹辐射的圆环内外半径尺寸，长度单位均为微米。
序号 内半径 外半径 序号 内半径 外半径
1 0 37.1 13 1930.5 2004.8
2 74.25 111.4 14 2153.3 2227.5
3 148.5 185.6 15 2301.8 2338.9
4 222.8 259.9 16 2524.5 2598.8
5 556.9 594 17 2673 2710.1
6 631.1 668.3 18 2784.4 2858.6
7 742.5 928.1 19 2970 3081.4
8 1076.6 1113.8 20 3118.5 3155.6
9 1150.9 1373.6 21 3229.9 3304.1
10 1447.9 1485 22 3341.3 3378.4
11 1596.4 1670.6 23 3415.5 3452.6
12 1707.8 1856.3 24 3489.8 3526.9
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其特征在于：包括上层图形化金属层和下层太赫兹高透材料衬底；所述上层图形化金属层包括可透过太赫兹辐射的圆环或可透过太赫兹辐射的圆盘。
2.如权利要求1所述的一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其特征在于：所述圆环为多个可透过太赫兹辐射的同心圆环，所述同心圆环的数量为1至10000个，最外层圆环的内半径不大于1000000μm，最内层圆环的外半径不低于5μm，最外层圆环的外半径不大于1000000μm。
3.如权利要求2所述的一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其特征在于：每个圆环的宽度不低于5μm。
4.如权利要求2或3所述的一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其特征在于：同心圆环数≥2时，相邻两个同心圆环之间的宽度不低于5μm。
5.如权利要求2所述的一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其特征在于：所述最内层圆环内设有可透过太赫兹辐射的圆盘，所述圆盘半径不小于5μm。
6.如权利要求1所述的一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其特征在于：所述上层图形化金属层的金属材料的电导率大于105S/m，所述上层图形化金属层的厚度为0.01μm至20μm。
7.如权利要求1所述的一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其特征在于：所述下层太赫兹高透材料衬底为介电常数大于2的电介质，所述下层太赫兹高透材料衬底的厚度为0.1μm至100000μm。
8.如权利要求1所述的一种超衍射极限太赫兹聚焦器件，其特征在于：所述太赫兹的频率范围为0.1THz至10THz。
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