CN107247264A - 太赫兹近场探头及利用太赫兹波提取被测对象信息的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹近场探头及利用太赫兹波提取被测对象信息的方法，该太赫兹近场探头为Y字形结构的索末菲波波导，该Y字形结构的三端分别为太赫兹耦合端、太赫兹探测端和探头，该探头为亚波长针尖结构，分别连接所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端，太赫兹探测波在针尖结构的尖端近场处聚焦突破衍射极限，将太赫兹探测波发射给被测对象，尖端还用于接收从被测对象反射回来的回波信号，太赫兹探测端接收并传导该回波信号；利用索末菲波波导的表面等离子体模式，通过Y字形结构的两个分支实现太赫兹探测波的耦合和探测，在针尖结构的尖端处太赫兹探测波聚焦突破衍射极限发射至被测对象，以实现被测对象的检测；该太赫兹近场探头结构简单、损耗低、色散低。

Description

太赫兹近场探头及利用太赫兹波提取被测对象信息的方法
技术领域
本发明涉及太赫兹探测领域，特别是涉及一种太赫兹近场探头及利用太赫兹波提取被测对象信息的方法。
背景技术
生化大分子及活细胞中，有大量丰富的太赫兹指纹谱，提取这些指纹谱可以获取生化大分子及活细胞重要的特征信息，使得鉴定并利用这些谱成为太赫兹技术未来的重要方向之一。
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，太赫兹近场成像探头是解决这一问题的关键。目前的太赫兹波波导结构复杂，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，无法享受太赫兹谱大带宽带来的优势，从而不能得到生化大分子及活细胞的高分辨率图像。
发明内容
基于此，有必要提供一种太赫兹近场探头及利用太赫兹波提取被测对象信息的方法，结构简单、损耗低、色散低。
一方面，本发明提出一种太赫兹近场探头，所述太赫兹近场探头为Y字形结构的索末菲波波导，所述Y字形结构的三端所述Y字形结构的三端分别为太赫兹耦合端、太赫兹探测端和探头；
太赫兹耦合端，为所述Y字形结构的一个分支，用于耦合并传输太赫兹探测波至所述探头；
探头，为亚波长针尖结构，所述针尖结构分别连接所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端，所述太赫兹探测波在所述针尖结构的尖端近场处聚焦突破衍射极限，将所述太赫兹探测波发射给被测对象，所述尖端还用于接收从被测对象反射回来的回波信号；
太赫兹探测端，为所述Y字形结构的另一个分支，接收并传导所述回波信号以发送给检测装置接收。
上述太赫兹近场探头，其为Y字形结构的索末菲波波导，该Y字形结构的三端分别为太赫兹耦合端、太赫兹探测端和探头，该探头为亚波长针尖结构，分别连接所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端，太赫兹探测波在所述针尖结构的尖端近场处聚焦突破衍射极限，将所述太赫兹探测波发射给被测对象，所述尖端还用于接收从被测对象反射回来的回波信号，太赫兹探测端接收并传导所述回波信号以发送给检测装置接收；利用索末菲波波导的表面等离子体模式，使得太赫兹波在该索末菲波波导的表面传播，通过Y字形结构的两个分支实现太赫兹探测波的耦合和探测，在针尖结构的尖端处太赫兹探测波聚焦突破衍射极限发射至被测对象，同时接收从被测对象返回的回波信号，以实现被测对象的检测；该太赫兹近场探头结构简单、损耗低、色散低。
在其中一个实施例中，所述索末菲波波导为裸金属线的太赫兹波波导。
在其中一个实施例中，所述针尖结构的尖端尺寸为微纳米量级。
在其中一个实施例中，所述太赫兹探测波为沿所述太赫兹耦合端传输的径向偏振的太赫兹行波。
在其中一个实施例中，所述索末菲波波导的带宽为0.1THz～5THz。
在其中一个实施例中，所述针尖结构为圆锥体形，所述圆锥体形的底面分别连接所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端，将所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端汇集，所述圆锥体形的顶点为所述针尖结构的尖端。
在其中一个实施例中，所述裸金属线的材质为金或银或铜或不锈钢。
另一方面，本发明还提出一种利用太赫兹波提取被测对象信息的方法，使用太赫兹近场探头进行提取，所述太赫兹近场探头为Y字形结构的索末菲波波导，所述Y字形结构的三端分别为：
太赫兹耦合端，为所述Y字形结构的一个分支；
太赫兹探测端，为所述Y字形结构的另一个分支；
探头，为针尖结构，所述针尖结构分别连接所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端；
所述方法包括：
所述太赫兹耦合端耦合并传输太赫兹探测波至所述探头，所述太赫兹探测波为沿所述太赫兹耦合端传输的径向偏振的太赫兹行波；
所述太赫兹探测波在所述针尖结构的尖端近场处聚焦突破衍射极限，将所述太赫兹探测波发射给被测对象；
所述尖端接收从被测对象反射回来的回波信号；
将所述回波信号传导给所述太赫兹探测端；
所述太赫兹探测端将所述回波信号发送给检测装置接收。
在其中一个实施例中，所述索末菲波波导的带宽为0.1THz～5THz。
附图说明
图1为一实施例中太赫兹近场探头的立体结构示意图；
图2为一实施例中太赫兹近场探头的侧视图。
具体实施方式
参见图1，图1为一实施例中太赫兹近场探头的结构示意图。
在本实施例中，该太赫兹近场探头为Y字形结构的索末菲(Sommerfeld)波波导，该Y字形结构的三端分别为太赫兹耦合端10、太赫兹探测端11和探头12。
当索末菲波波导用于传导太赫兹波段的电磁波时，其工作在表面等离子体模式，此时太赫兹波在其表面传播。进一步的，该索末菲波波导为裸金属线的太赫兹波波导，可以实现太赫兹波的表面传播，结构十分简单，太赫兹波在传播的过程中损耗低、色散低。
太赫兹耦合端10为Y字形结构的一个分支，用于耦合并传输太赫兹探测波至探头12。
太赫兹探测波从该太赫兹耦合端10进入索末菲波波导。进一步的，为了将太赫兹探测波高效耦合至索末菲波波导，该太赫兹探测波采用沿该太赫兹耦合端10传输的径向偏振(TM01模)的太赫兹行波。
探头12为亚波长针尖结构，所述针尖结构分别连接所述太赫兹耦合端10和太赫兹探测端11，所述太赫兹探测波在所述针尖结构的尖端近场处聚焦突破衍射极限，将所述太赫兹探测波发射给被测对象20，所述尖端还用于接收从被测对象20反射回来的回波信号。
太赫兹探测端11为Y字形结构的另一个分支，接收并传导所述回波信号以发送给检测装置接收。
太赫兹耦合端10接收太赫兹探测波，即太赫兹行波，该太赫兹行波沿着该太赫兹耦合端10的裸金属线表面传播，当传播至针尖结构时，由于针尖结构的尖端尺寸很小，为亚波长，太赫兹近场探头靠近被测对象20，太赫兹行波在尖端近场处聚焦突破衍射极限发射到被测对象20上。发射出去的太赫兹行波在被测对象20上发生反射产生回波信号，该回波信号携带有被测对象20的信息被尖端接收，尖端接收的回波信号沿索末菲波波导反向传播，经太赫兹探测端11传导后发送至检测装置接收，进而对该回波信号进行检测，以实现被测对象20的成像。
进一步的，该尖端的尺寸为微纳米量级。使得太赫兹行波在尖端处的聚焦尺寸很小，进而突破衍射极限，实现被测对象20的超分辨成像。
在其中一个实施例中，该索末菲波波导的带宽为0.1THz～5THz，可以实现超大带宽的导波传播，充分享受太赫兹谱大带宽带来的优势，获得被测对象20的超清图像。
在其中一个实施例中，针尖结构为圆锥体形，圆锥体形的底面分别连接圆柱条形的太赫兹耦合端10和太赫兹探测端11，将太赫兹耦合端10和太赫兹探测端11汇集，该圆锥体形的顶点为针尖结构的尖端。
在其中一个实施例中，上述裸金属线的材质可以为电导率高的金、银、铜或者不锈钢等。可以根据实际应用需求进行选择，得到一种结构简单、成本低廉、探测效果好的太赫兹近场探头。
可以通过机械加工方法或者3D打印技术得到上述太赫兹近场探头。
在使用上述太赫兹近场探头提取被测对象20的信息时，通过以下步骤实现：
太赫兹耦合端10耦合并传输太赫兹探测波至探头12，太赫兹探测波为沿太赫兹耦合端的径向偏振的太赫兹行波；
所述太赫兹探测波在所述针尖结构的尖端近场处聚焦突破衍射极限，将所述太赫兹探测波发射给被测对象20；
尖端接收从被测对象20反射回来的回波信号；
将回波信号传导给太赫兹探测端11；
太赫兹探测端11将回波信号发送给检测装置接收。
上述太赫兹近场探头，利用索末菲波波导的表面等离子体模式，该索末菲波波导具有超大带宽，具体采用裸金属线的太赫兹波导，使得太赫兹波在该索末菲波波导的表面传播。通过Y字形结构的两个分支实现太赫兹波的耦合和探测，在两个分支汇集的针尖结构处将接收的太赫兹波发送给被测对象20，由于该针尖结构的尖端尺寸很小，可达微纳米量级，太赫兹探测波，具体为太赫兹行波在其尖端处的聚焦尺寸很小，可以突破衍射极限发射至近距离的被测对象20，携带有被测对象20信息的回波信号返回被尖端接收，通过太赫兹探测端11发送给检测装置，实现对被测对象20的成像和检测；该太赫兹近场探头结构简单、损耗低、色散低。
以上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 (9)

1.一种太赫兹近场探头，其特征在于，所述太赫兹近场探头为Y字形结构的索末菲波波导，所述Y字形结构的三端分别为太赫兹耦合端、太赫兹探测端和探头；
太赫兹耦合端，为所述Y字形结构的一个分支，用于耦合并传输太赫兹探测波至所述探头；
探头，为亚波长针尖结构，所述针尖结构分别连接所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端，所述太赫兹探测波在所述针尖结构的尖端近场处聚焦突破衍射极限，将所述太赫兹探测波发射给被测对象，所述尖端还用于接收从被测对象反射回来的回波信号；
太赫兹探测端，为所述Y字形结构的另一个分支，接收并传导所述回波信号以发送给检测装置接收。
2.根据权利要求1所述的太赫兹近场探头，其特征在于，所述索末菲波波导为裸金属线的太赫兹波波导。
3.根据权利要求1所述的太赫兹近场探头，其特征在于，所述针尖结构的尖端尺寸为微纳米量级。
4.根据权利要求1所述的太赫兹近场探头，其特征在于，所述太赫兹探测波为沿所述太赫兹耦合端传输的径向偏振的太赫兹行波。
5.根据权利要求1所述的太赫兹近场探头，其特征在于，所述索末菲波波导的带宽为0.1THz～5THz。
6.根据权利要求1所述的太赫兹近场探头，其特征在于，所述针尖结构为圆锥体形，所述圆锥体形的底面分别连接所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端，将所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端汇集，所述圆锥体形的顶点为所述针尖结构的尖端。
7.根据权利要求2所述的太赫兹近场探头，其特征在于，所述裸金属线的材质为金或银或铜或不锈钢。
8.一种利用太赫兹波提取被测对象信息的方法，其特征在于，使用太赫兹近场探头进行提取，所述太赫兹近场探头为Y字形结构的索末菲波波导，所述Y字形结构的三端分别为：
太赫兹耦合端，为所述Y字形结构的一个分支；
太赫兹探测端，为所述Y字形结构的另一个分支；
探头，为亚波长针尖结构，所述针尖结构分别连接所述太赫兹耦合端和太赫兹探测端；
所述方法包括：
所述太赫兹耦合端耦合并传输太赫兹探测波至所述探头，所述太赫兹探测波为沿所述太赫兹耦合端传输的径向偏振的太赫兹行波；
所述太赫兹探测波在所述针尖结构的尖端近场处聚焦突破衍射极限，将所述太赫兹探测波发射给被测对象；
所述尖端接收从被测对象反射回来的回波信号；
将所述回波信号传导给所述太赫兹探测端；
所述太赫兹探测端将所述回波信号发送给检测装置接收。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述索末菲波波导的带宽为0.1THz～5THz。
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