CN107860742B - 一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜装置，属于太赫兹技术领域。该装置包括飞秒脉冲激光器、光纤耦合分束器、第一光纤、第二光纤、太赫兹发射和接收模块、延时线模块、可见光源、可见光显微镜、三维平移样品台、可调电压源、电流放大器、锁相放大器和控制电脑。太赫兹发射和接收模块包含太赫兹发射天线、太赫兹接收天线和激光耦合聚焦元件。该装置结构简单且精度高，克服了传统远场成像技术中分辨率较低的缺陷，该装置可获得微米级空间分辨率的太赫兹探测光谱与扫描图像。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，涉及一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，THz)一般是指频率范围在0.1THz-10THz(波长范围0.03mm-3mm)内的电磁波，其在整个电磁波频谱中介于微波和红外辐射之间，处于由电子学向光子学过渡区。由于多数生物大分子的振动和转动能级均在太赫兹波段，且由于太赫兹光子能量很低(一个频率为1THz的光子能量是4.1meV)，不会对物质产生电离破坏，所以太赫兹技术在生物医学领域具有很好的应用前景。
根据瑞利判据可知，传统远场的THz成像系统的成像分辨率受到衍射极限的限制，其分辨极限一般为波长的二分之一。在太赫兹波段，传统远场系统成像分辨率不能满足微米尺度样品的成像需求。而借助近场扫描成像技术，可以突破衍射极限，达到细胞尺度(微米尺度)的空间分辨率。
在基于透射式太赫兹近场扫描显微镜的样品检测中，需要接收透射过样品的太赫兹信号，受系统结构限制，要求样品尺寸小，表面平整且对太赫兹透过率高等。
如何充分挖掘太赫兹技术在临床医疗领域的应用潜力，实现生物体的在体实时检测，是太赫兹近场扫描成像技术亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜，相比于透射式太赫兹近场扫描显微镜，反射式太赫兹近场扫描显微镜的太赫兹源和探测器在样品的同一侧，可以方便地实现对术前或术中在体病灶进行检测，具有更大的临床应用优势。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜，包含飞秒脉冲激光器14、光纤耦合分束器13、第一光纤10、第二光纤11、太赫兹发射和接收模块7、延时线模块12、三维平移样品台5、可调电压源4、电流放大器3、锁相放大器2和控制电脑1；
所述飞秒脉冲激光器14发出的激光经过所述光纤耦合分束器分为两束激光在光纤中传播，其中一束激光通过所述第一光纤10传播至所述太赫兹发射和接收模块7，作为所述太赫兹发射和接收模块7的泵浦激光；
另一束激光通过所述第二光纤11传播至所述太赫兹发射和接收模块7，作为所述太赫兹发射和接收模块7的探测激光；
所述可调电压源4用于对光电导发射天线提供调制的偏置电压，并提供调制的参考信号给所述锁相放大器2；
所述电流放大器3用于将太赫兹接收天线输入的光电流初步放大后，输出给锁相放大器2进行采集，锁相放大器2将采集得到的信号传输至控制电脑1；
所述延时线模块12在泵浦激光光路或者探测激光光路中，用于调节泵浦激光和探测激光的光程差；
所述三维平移样品台5用于固定和移动样品6，利用控制电脑1对三维平移样品台5进行实时调节。
进一步，所述太赫兹发射和接收模块7包含泵浦激光光纤耦合器接口17、透镜Ⅰ21、反射镜Ⅰ23、探测激光光纤耦合器接口18、透镜Ⅱ24、反射镜Ⅱ26和半导体衬底27；
所述太赫兹发射和接收模块7还包含太赫兹发射天线和太赫兹接收天线，所述太赫兹发射天线和太赫兹接收天线的结构为制作在同一半导体衬底上的一对光电导微天线；
泵浦激光依次通过泵浦激光光纤耦合器接口17、透镜Ⅰ21和反射镜Ⅰ23汇聚在所述太赫兹发射天线上，探测激光依次经过探测激光光纤耦合器接口18、透镜Ⅱ24和反射镜Ⅱ26汇聚到所述太赫兹接收天线上；
所述太赫兹发射和接收模块7还包含太赫兹发射天线偏压电缆接口19、太赫兹接收天线光电流电缆接口20，所述太赫兹发射天线偏压电缆接口19用于接收所述可调电压源4的偏置电压，所述太赫兹接收天线光电流电缆接口20用于输出光电流信号到电流放大器3。
进一步，所述太赫兹发射天线和太赫兹接收天线的有效发射和探测尺寸均小于10μm，所述太赫兹发射天线与太赫兹接收天线之间的距离小于50μm。
进一步，所述延时线模块12使用音圈电机调节泵浦激光和探测激光之间的光程差。在锁相放大器2的触发-采集模式下，音圈电机导轨中光栅尺的位置反馈信号作为数据采集触发信号，实现太赫兹信号的快速采集。
进一步，还包含可见光源8和可见光显微镜9，所述可见光源8用于发射可见光至样品6上并经过反射进入所述可见光显微镜9进行成像；
所述可见光显微镜9用于提取太赫兹发射和接收模块7与样品6的间距信息。
本发明的有益效果在于：相比透射式太赫兹近场扫描显微镜，本发明的反射式太赫兹近场扫描显微镜的太赫兹源和探测器在样品的同一侧，可以方便地实现对术前或术中在体病灶进行检测，具有更大的临床应用优势。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的结构和光路图；
图2为本发明加样品后的结构和光路图；
图3为本发明光电导太赫兹发射和接收模块结构和光路图；
图4为本发明采集太赫兹近场探针与样品间距信息的示意图；
其中附图标记如下：
1.控制电脑，2.锁相放大器，3.电流放大器，4.可调电压源，5.三维平移样品台，6.样品，7.太赫兹发射和接收模块，8.可见光源，9.可见光显微镜，10.第一光纤，11.第二光纤，12.延时线模块，13.光纤耦合分束器，14.飞秒脉冲激光器，15.发射可见光，16.反射可见光，17.泵浦激光光纤耦合器，18.探测激光光纤耦合器，19.太赫兹发射天线偏压电缆接口，20.太赫兹接收天线光电流电缆接口，21.泵浦激光透镜，22.泵浦激光，23.泵浦激光反射镜，24.探测激光透镜，25.探测激光，26.探测激光反射镜，27.半导体衬底。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1-2所示，本发明为一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜，包含飞秒脉冲激光器14、光纤耦合分束器13、第一光纤10、第二光纤11、太赫兹发射和接收模块7、延时线模块12、三维平移样品台5、可调电压源4、电流放大器3、锁相放大器2和控制电脑1。
飞秒脉冲激光器14发出的激光经过光纤耦合分束器分为两束激光在光纤中传播，其中一束激光通过第一光纤10传播至太赫兹发射和接收模块7，作为太赫兹发射和接收模块7的泵浦激光；另一束激光通过第二光纤11传播至太赫兹发射和接收模块7，作为太赫兹发射和接收模块7的探测激光。
可调电压源4用于对光电导发射天线提供调制的偏置电压，并提供调制的参考信号给锁相放大器2；电流放大器3用于将太赫兹接收天线输入的光电流初步放大后，输出给锁相放大器2进行采集，锁相放大器2将采集得到的信号传输至控制电脑1。
延时线模块12在泵浦激光光路或者探测激光光路中，用于调节泵浦激光和探测激光的光程差。
样品6固定在三维平移样品台5上，可见光显微镜用于观察太赫兹发射和接收模块7与样品6的间距，通过控制电脑1对三维平移样品台5的实时调节，保持间距不变。
如图3所示，太赫兹发射和接收模块7包含泵浦激光光纤耦合器接口17、透镜Ⅰ21、反射镜Ⅰ23、探测激光光纤耦合器接口18、透镜Ⅱ24、反射镜Ⅱ26和半导体衬底27。
太赫兹发射和接收模块7还包含太赫兹发射天线和太赫兹接收天线，太赫兹发射天线和太赫兹接收天线的结构为制作在同一半导体衬底上的一对光电导微天线。
泵浦激光依次通过泵浦激光光纤耦合器接口17、透镜Ⅰ21和反射镜Ⅰ23汇聚在太赫兹发射天线上，探测激光依次经过探测激光光纤耦合器接口18、透镜Ⅱ24和反射镜Ⅱ26汇聚到太赫兹接收天线上。
太赫兹发射和接收模块7还包含太赫兹发射天线偏压电缆接口19、太赫兹接收天线光电流电缆接口20，太赫兹发射天线偏压电缆接口19用于接收可调电压源4的偏置电压，太赫兹接收天线光电流电缆接口20用于输出光电流到电流放大器3。
太赫兹发射天线和太赫兹接收天线的有效发射和探测尺寸均小于10μm，太赫兹发射天线与太赫兹接收天线之间的距离小于50μm。延时线模块12使用音圈电机调节泵浦激光和探测激光之间的光程差。在锁相放大器2的触发-采集模式下，音圈电机导轨中光栅尺的位置反馈信号作为数据采集触发信号，实现太赫兹信号的快速采集。
如图4所示，还包含可见光源8和可见光显微镜9，可见光源8用于发射可见光至样品6上并经过反射进入可见光显微镜9进行成像；可见光显微镜9用于提取太赫兹发射和接收模块7与样品6的间距信息。
实施例1
步骤一、开机准备
打开控制电脑1、锁相放大器2、电流放大器3和可调电压源4的开关，待一切就绪后，打开飞秒脉冲激光器14，此过程中可对光路进行微调，使激光照射到太赫兹发射和接收模块7上，用锁相放大器2观测太赫兹光电流，调节优化实验光路。
步骤二、太赫兹信号的采集
如图1所示：飞秒脉冲激光器14产生飞秒脉冲激光，经过光纤耦合分束器13分成两束激光分别在第一光纤10和第二光纤11中传输。在第一光纤10中传输的激光作为太赫兹发射和接收模块7的泵浦激光，如附图3所示：通过泵浦激光耦合器17、泵浦激光透镜21、泵浦激光反射镜23聚焦到太赫兹发射和接收模块7中的太赫兹发射天线上；在第二光纤11中传输的激光作为太赫兹发射和接收模块7的探测激光，通过探测激光耦合器18、探测激光透镜24、探测激光反射镜26聚焦到太赫兹发射和接收模块7中的太赫兹接收天线上。
利用可调电压源4对太赫兹发射天线施加经过ω频率调制的直流电压，同时将频率为ω的参考信号输出给锁相放大器2。太赫兹接收天线产生的光电流被电流放大器3初步放大后，输出给锁相放大器2进行采集。其中，控制电脑1通过控制延时线模块12调节泵浦激光和探测激光的光程差，以采集一个完整的太赫兹时域波形，通过傅里叶变换得到太赫兹频域波形。
实施例2
步骤一、开机准备并放置样品
打开控制电脑1、锁相放大器2、电流放大器3和可调电压源4的开关，待一切就绪后，打开飞秒脉冲激光器14，此过程中可对光路进行微调，使激光照射到太赫兹发射和接收模块7上，用锁相放大器2观测太赫兹光电流，调节优化实验光路。
先降低三维平移样品台5并将其旋出，把待测样品6固定在三维平移样品台5上合适的位置，然后将三维平移样品台5旋入并固定，打开可见光源8和上位机控制软件，调节三维平移样品台5的Z轴，使三维平移样品台5到合适的高度。
步骤二、样品太赫兹近场显微图像的采集
如图2所示：飞秒脉冲激光器14产生飞秒脉冲激光，经过光纤耦合分束器13分成两束激光分别在第一光纤10和第二光纤11中传输。第一光纤10中传输的激光作为太赫兹发射和接收模块7的泵浦激光，如附图3所示：通过泵浦激光耦合器17、泵浦激光透镜21、泵浦激光反射镜23聚焦到太赫兹发射和接收模块7中的太赫兹发射天线上；第二光纤11中传输的激光作为太赫兹发射和接收模块7的探测激光，通过探测激光耦合器18、探测激光透镜24、探测激光反射镜26聚焦到太赫兹发射和接收模块7中的太赫兹接收天线上。
可调电压源4对太赫兹发射天线施加经过ω频率调制的直流电压，同时将频率为ω的参考信号输出给锁相放大器2。太赫兹接收天线产生的光电流被电流放大器3初步放大后，输出给锁相放大器2进行采集。其中，控制电脑1通过控制延时线模块12调节泵浦激光和探测激光的光程差，以采集一个完整的太赫兹时域波形，通过傅里叶变换得到太赫兹频域波形。
在整个过程中，需实时观察控制电脑1采集的可见光显微镜9中样品6与微探针之间的距离。如附图4所示：光电导近场微探针天线突破衍射极限实现近场探测，要求光电导微天线距离探测样品空间距离几个微米。但是光电导近场微探针天线结构非常脆弱，为保证探针天线的安全，本系统采用侧向放置的高倍率光学显微镜，直接观察和监视探针针尖到样品的间距，可见光源8发出可见光15照射在太赫兹发射和接收模块7与样品5上经过反射，进入可见光显微镜9进行成像采集。采集到的可见光显微图像由控制电脑1读取。结合三维平移样品台5的Z轴对样品位置高度的实时调节，使探针在扫描过程中不接触样品，控制三维平移样品台5的X轴、Y轴对样品进行二维逐点扫描。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (4)
1.一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜，其特征在于：包含飞秒脉冲激光器(14)、光纤耦合分束器(13)、第一光纤(10)、第二光纤(11)、太赫兹发射和接收模块(7)、延时线模块(12)、三维平移样品台(5)、可调电压源(4)、电流放大器(3)、锁相放大器(2)和控制电脑(1)；
所述飞秒脉冲激光器(14)发出的激光经过所述光纤耦合分束器(13)分为两束激光在光纤中传播，其中一束激光通过所述第一光纤(10)传播至所述太赫兹发射和接收模块(7)，作为所述太赫兹发射和接收模块(7)的泵浦激光；
另一束激光通过所述第二光纤(11)传播至所述太赫兹发射和接收模块(7)，作为所述太赫兹发射和接收模块(7)的探测激光；
所述可调电压源(4)用于对光电导发射天线提供调制的偏置电压，并提供调制的参考信号给所述锁相放大器(2)；
所述电流放大器(3)用于将太赫兹接收天线输入的光电流初步放大后，输出给锁相放大器(2)进行采集，锁相放大器(2)将采集得到的信号传输至控制电脑(1)；
所述延时线模块(12)在泵浦激光光路或者探测激光光路中，用于调节泵浦激光和探测激光的光程差；
所述三维平移样品台(5)用于固定和移动样品(6)，控制电脑(1)对三维平移样品台(5)进行实时调节；
所述太赫兹发射和接收模块(7)包含泵浦激光光纤耦合器接口(17)、透镜Ⅰ(21)、反射镜Ⅰ(23)、探测激光光纤耦合器接口(18)、透镜Ⅱ(24)、反射镜Ⅱ(26)和半导体衬底(27)；
所述太赫兹发射和接收模块(7)还包含太赫兹发射天线和太赫兹接收天线，所述太赫兹发射天线和太赫兹接收天线的结构为制作在同一半导体衬底上的一对光电导微天线；
泵浦激光依次通过泵浦激光光纤耦合器接口(17)、透镜Ⅰ(21)和反射镜Ⅰ(23)汇聚在所述太赫兹发射天线上，探测激光依次经过探测激光光纤耦合器接口(18)、透镜Ⅱ(24)和反射镜Ⅱ(26)汇聚到所述太赫兹接收天线上；
所述太赫兹发射和接收模块(7)还包含太赫兹发射天线偏压电缆接口(19)、太赫兹接收天线光电流电缆接口(20)，所述太赫兹发射天线偏压电缆接口(19)用于接收所述可调电压源(4)的偏置电压，所述太赫兹接收天线光电流电缆接口(20)用于输出光电流到电流放大器(3)。
2.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜，其特征在于：所述太赫兹发射天线和太赫兹接收天线的有效发射和探测尺寸均小于10μm，所述太赫兹发射天线与太赫兹接收天线之间的距离小于50μm。
3.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜，其特征在于：所述延时线模块(12)使用音圈电机调节泵浦激光和探测激光之间的光程差；在锁相放大器(2)的触发-采集模式下，音圈电机导轨中光栅尺的位置反馈信号作为数据采集触发信号，实现太赫兹信号的快速采集。
4.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜，其特征在于：还包含可见光源(8)和可见光显微镜(9)，所述可见光源(8)用于发射可见光至样品(6)上并经过反射进入所述可见光显微镜(9)进行成像；
所述可见光显微镜(9)用于提取太赫兹发射和接收模块(7)与样品(6)的间距信息。
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