CN107144950A - 太赫兹近场成像探头和太赫兹近场成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹近场成像探头和太赫兹近场成像系统。太赫兹近场成像探头包括用于耦合并传输具有径向偏振的太赫兹波的索末菲线波导端以及与所述索末菲线波导端一体成型的探测针尖，探测针尖用于将所述太赫兹波聚焦在所述探测针尖的近场使所述太赫兹波携带待测样品的信息，并将携带所述待测样品信息的太赫兹波反射至所述索末菲线波导端。在索末菲线波导端中传播的太赫兹波称为索末菲波，具有超大带宽(0.1‑5THz)，在大带宽范围内超低损耗、超低色散的特点。探测针尖将在索末菲线波导端自由传输的索末菲波聚焦在探测针尖的近场，就可以将太赫兹波(索末菲波)聚焦至极小，在近场范围内突破衍射极限，实现超分辨成像。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及太赫兹近场成像探头和太赫兹近场成像系统。
背景技术
太赫兹波是一种频率从0.1-10THz(波长范围0.03mm-3mm)的电磁波，其在整个电磁波频谱中介于毫米波和远红外之间，处于由电子学向光子学过度区。与微波和毫米波相比，太赫兹波波长较短，易于实现极大信号带宽和极窄天线波束，而且太赫兹波具有高穿透性、非电离等特点，这些优越特性使得太赫兹波在材料无损检测、材料成分分析以及安全检查方面发挥着重要作用。其中，生化大分子及活细胞中，有大量丰富的太赫兹指纹谱，鉴定并利用这些谱，将是太赫兹技术未来的重要方向之一。
然而，由于太赫兹波相对光学频段的大波长(几十微米-几毫米)，在衍射极限的限制下，无法实现空间上的高分辨率成像。目前，在太赫兹频段，由于波导结构的困难，导致依赖波导传输的近场探头都具有高损耗、大色散的缺点。
发明内容
基于此，有必要针对无法实现空间上的高分辨率成像问题，提供一种超大带宽、超低损耗、超低色散，可以实现太赫兹近场超分辨成像的太赫兹近场成像探头和太赫兹近场成像系统。
一种太赫兹近场成像探头，包括：
索末菲线波导端，用于耦合并传输具有径向偏振的太赫兹波；
探测针尖，与所述索末菲线波导端一体成型，用于将所述太赫兹波聚焦在所述探测针尖的近场使所述太赫兹波携带待测样品的信息，并将携带所述待测样品信息的太赫兹波反射至所述索末菲线波导端。
上述太赫兹近场成像探头包括索末菲线波导端和探测针尖，在索末菲线波导端中传播的太赫兹波称为索末菲波，具有超大带宽(0.1-5THz)，在大带宽范围内超低损耗、超低色散的特点。探测针尖将在索末菲线波导端自由传输的索末菲波聚焦在探测针尖的近场，就可以将太赫兹波(索末菲波)聚焦至极小，在近场范围内突破衍射极限，实现超分辨成像。
在其中一个实施例中，所述索末菲线波导端为圆柱形；所述探测针尖为圆锥状。
在其中一个实施例中，所述索末菲线波导端为圆柱形；所述探测针尖为子弹头状，且所述探测针尖的侧面均为圆滑的曲面。
在其中一个实施例中，所述索末菲线波导端为椭圆柱形；所述探测针尖为椭圆锥状。
在其中一个实施例中，所述探测针尖尖端的截面半径小于所述太赫兹波的波长。
在其中一个实施例中，所述索末菲线波导端为裸露的不锈钢丝波导端、裸露的金丝波导端、银丝波导端或铜丝波导端。
在其中一个实施例中，还包括位于所述索末菲线波导端外的电介质层。
此外，还提供一种太赫兹近场成像系统，包括上述太赫兹近场成像探头。
附图说明
图1为一个实施例中太赫兹近场成像探头的立体结构示意图；
图2为图1中太赫兹近场成像探头的俯视图；
图3为另一个实施例中太赫兹近场成像探头的俯视图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种太赫兹近场成像探头包括索末菲线波导端110和探测针尖120。其中，索末菲线波导端110用于耦合并传输具有径向偏振的太赫兹波。其中，“索末菲线(Sommerfeld wire)”是一种以表面波方式传输电磁场能量的裸露的金属线。在裸露的金属线中传播的太赫兹波称为“索末菲波(Sommerfeld wave)”，索末菲波一般只存在于具有有限电导率的金属表面，是一种径向对称的弱导表面波。索末菲波具有超大带宽(0.1-5THz)，在大带宽范围内超低损耗、超低色散的特点。索末菲线波导端110耦合的太赫兹波为具有径向偏振的太赫兹波，也即为TM01模太赫兹波。其中，TM01模太赫兹波在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波。耦合至索末菲线波导端110的太赫兹波(索末菲波)在索末菲线波导端110上传输，并传导至探测针尖。
探测针尖120与所述索末菲线波导端110一体成型，用于将所述太赫兹波聚焦在所述探测针尖120的近场反射待测样品的太赫兹信息并传输至所述索末菲线波导端110。探测针尖120将在索末菲线波导端110自由传输的索末菲波聚焦在探测针尖120的近场，就可以将太赫兹波(索末菲波)聚焦至极小，在近场范围内突破衍射极限，实现超分辨成像。聚焦后的太赫兹波的尺寸与所述太赫兹波的波长无关，仅与针尖的长度以及半径大小有关。
进一步的，聚焦后的太赫兹波(索末菲波)集中在探测针尖120的近场，将探测针尖120靠近样品，使太赫兹波携带待测样品信息，并将携带待测样品信息的太赫兹波反射传输给索末菲线波导端110，进而在索末菲线波导端110提取待测样品信息，实现太赫兹近场探测。
在一个实施例中，太赫兹近场成像探头包括一体成型的索末菲线波导端110与探测针尖120，其中，所述索末菲线波导端110为圆柱形，探测针尖120为圆锥状，且探测针尖120的尖端121为弧面。探测针尖120将在索末菲线波导端110自由传输的索末菲波聚焦在探测针尖120的近场。具体地，所述探测针尖120的半径小于所述太赫兹波的波长。探测针尖120的长度以及尖端121半径的大小可以为微米量级或者为纳米量级。探测针尖120长度和半径的大小共同决定了聚焦后的太赫兹波的尺寸，也即，可以根据所需聚焦后的太赫兹波的尺寸来设定探测针尖120长度和半径的大小。
具体地，所述探测针尖120的尖端121的截面半径小于所述太赫兹波的波长。在一个实施例中，探测针尖120的尖端121的截面半径小于所述太赫兹波的波长/10。
参考图3，在一个实施例中，太赫兹近场成像探头包括一体成型的索末菲线波导端210与探测针尖220，其中，所述索末菲线波导端210为圆柱形，探测针尖220为子弹头状，探测针尖210的侧面为平滑的曲面，探测针尖220的尖端221为弧面。探测针尖220将在索末菲线波导端210自由传输的索末菲波聚焦在探测针尖220的近场。探测针尖220长度和探测针尖220的尖端221半径的大小共同决定了聚焦后的太赫兹波的尺寸，也即，可以根据所需聚焦后的太赫兹波的尺寸来设定探测针尖220长度和探测针尖220的尖端221半径的大小。
在一个实施例中，太赫兹近场成像探头(图未示)包括一体成型的索末菲线波导端与探测针尖；其中，所述索末菲线波导端为椭圆柱形，所述探测针尖为椭圆锥状。探测针尖的长度以及探测针尖的尖端半径可以为微米量级或者为纳米量级。探测针尖的长度以及探测针尖的尖端半径大小共同决定了聚焦后的太赫兹波的尺寸，也即，可以根据所需聚焦后的太赫兹波的尺寸来设定探测针尖的长度以及探测针尖的尖端半径的大小。
在一个实施例中，所述索末菲线波导端110、210为裸露的不锈钢丝波导端。在其他实施例中，索末菲线波导端110、210还可以为裸露的金丝、银丝、铜丝或铝丝波导端，当然还可以其他具有有限导电率的索末菲线波导端。
在一个实施例中，太赫兹近场成像探头还包括位于所述索末菲线波导端110或/探测针尖120的电介质层，电介质层有利于太赫兹波导的传输。具体地，还可以在所述索末菲线波导端110、210或/探测针尖120、220外还镀铂，可以增加探测针尖120、220的坚硬度，同时起到保护作用。
在探测待测样品的过程中，所述探测针尖120、220的与待测样品表面的距离小于所述太赫兹波的波长。
此外，还提供一种太赫兹近场成像系统，太赫兹近场成像系统包括上述任一实施例中太赫兹近场成像探头。太赫兹成像系统，由于包括了上述任一实施例中的太赫兹近场成像探头，具有超大带宽、超低损耗、超低色散的特性且可以实现太赫兹近场超分辨成像。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种太赫兹近场成像探头，其特征在于，包括：
索末菲线波导端，用于耦合并传输具有径向偏振的太赫兹波；
探测针尖，与所述索末菲线波导端一体成型，用于将所述太赫兹波聚焦在所述探测针尖的近场使所述太赫兹波携带待测样品的信息，并将携带所述待测样品信息的太赫兹波反射至所述索末菲线波导端。
2.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像探头，其特征在于，所述索末菲线波导端为圆柱形；所述探测针尖为圆锥状。
3.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像探头，其特征在于，所述索末菲线波导端为圆柱形；所述探测针尖为子弹头状，且所述探测针尖的侧面均为圆滑的曲面。
4.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像探头，其特征在于，所述索末菲线波导端为椭圆柱形；所述探测针尖为椭圆锥状。
5.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像探头，其特征在于，所述探测针尖尖端的截面半径小于所述太赫兹波的波长。
6.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像探头，其特征在于，所述索末菲线波导端为裸露的不锈钢丝波导端、裸露的金丝波导端、银丝波导端或铜丝波导端。
7.根据权利要求1所述的太赫兹近场成像探头，其特征在于，还包括位于所述索末菲线波导端外的电介质层。
8.一种太赫兹近场成像系统，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的太赫兹近场成像探头。
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