CN108226575B - 一种太赫兹宽带超分辨率探针及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹宽带超分辨率探针及其探测方法。本发明的介质探针包括共轴的入射锥、过渡圆柱和出射圆台，在介质探针的过渡圆柱后半部分以及出射圆台的外表面，沿着角向设置有周期的超薄的金属条带；正入射的平面波进入入射锥，电磁能量逐渐转化为圆形介质波导中的波导模式，电磁波有效地局附在金属条带附近，不会产生能量泄漏，随着出射圆台的轴向半径的减小，波导模式逐渐转化为金属条带上的无模式截止效应的准TEM模式，电磁能量被有效地聚焦到出射圆台的出射端上，同时伴有显著的场增强效应；本发明的探针具有宽频带、低成本、高效率以及高分辨率的优点，对于太赫兹成像技术的发展和应用具有广泛而深远的意义。

Description

一种太赫兹宽带超分辨率探针及其探测方法

技术领域

本发明涉及太赫兹频段近场扫描成像领域，具体涉及一种太赫兹宽带超分辨率探针及其探测方法。

背景技术

由于衍射极限的存在，承载着目标细节信息的凋落波会在传输过程中指数衰减，导致了传统成像技术的分辨率最大只能达到λ/2左右(λ＝c/f,其中c是光速，f是成像系统工作的频率)。近场扫描显微成像技术是目前比较成熟的可以突破衍射极限的成像技术。其利用探测器对目标进行逐点扫描，通过获取目标散射场的幅度和相位信息进行图像重构。在扫描系统中，可以把具有高分辨率的探针集成在系统的源或者探测器上，就可以从散射场中抓取出包含高分辨率信息的凋落波，从而实现深度亚波长(亚波长意味着小于电磁场的工作波长)分辨率的成像。探针的作用主要是将系统的入射能量聚焦到很小的尺寸，或者在检测散射场的时候，将探测的区域局限到很小的区域，从而使系统的分辨率得到极大提升。可以认为探针的空间分辨率决定了近场扫描成像系统的分辨率。在光学频段，贵金属的电子气和电磁波相互作用会形成共振，也就是表面等离激元效应SPPs。SPPs在传输方向的波矢远远大于自由空间波矢，因而可以实现对于电磁波空间上的压缩和幅度的增强。光学频段利用SPPs效应制作出来的纯金属探针可以实现λ/1000尺度的分辨率。

随着人们对频谱的拓展，太赫兹波(0.1THz～10THz)的应用也逐渐展开。太赫兹波能对非透明物体进行透视成像，且对人体无损伤，所以太赫兹成像在生物医疗、安防安检和国防军事等方面都拥有巨大的应用前景。但是SPPs效应在太赫兹频段很弱，金属可以近似为理想导体。虽然纯金属探针也可以在太赫兹频段使用，但是电磁波和金属的相互作用很弱，导致探针的能量传输效率极低，因而对于系统的动态范围具有极高的要求，需要有灵敏度极高的探测器，从而导致成像系统成本过高。为了提高能量传输效率，可以对金属探针进行结构上的一些加工，从而激发起人工表面等离激元(SSPPs)，使得电磁波的耦合效率和散射效率得到提升。但是电磁器件存在波长和尺寸的共渡性，在太赫兹波段SSPPs器件的加工精度要求在微米量级，同样成本比较高。同样有一些研究提出，利用削尖的介质探针，或者将圆波导的一端缩小的圆锥形金属孔径探针，可以成为低成本系统的探针选择。这两种探针都可以将入射场逐渐压缩到探针尖上，使场的幅度得到极大的增强。但是当针尖处的尺寸处于亚波长时候，由于波导的模式截止效应，介质探针会出现泄露模式，从而能量无法继续聚焦，孔径探针的针尖尺寸小于(其中ε和μ分别代表孔径探针中填充介质的介电常数和磁导率)的时候就会使传播常数变为虚数，导致针尖处能量的传输效率变低，从而降低了探针的分辨率。更重要的是，由于电磁波波长和器件尺寸的共渡性，探针很难在宽带中具有良好的工作特性。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种太赫兹宽带超分辨率探针及其探测方法，本发明的探针具有宽频带、低成本、高效率以及高分辨率，对于太赫兹成像技术的发展和应用具有广泛而深远的意义。

本发明的一个目的在于提出一种太赫兹宽带超分辨率探针。

本发明的太赫兹宽带超分辨率探针包括：介质探针和金属条带；其中，介质探针沿着电磁波的传播方向从前至后包括依次相连接且共轴的入射锥、过渡圆柱和出射圆台，入射锥的中心角为θ_in，入射锥的底面与过渡圆柱的底面相同，过渡圆柱的底面半径为R，过渡圆柱的底面与出射圆台的下底面相同，出射圆台的中心角是θ_out，出射圆台的上底面即出射端半径为r；在介质探针的过渡圆柱后半部分以及出射圆台的外表面，设置有沿着角向周期分布的超薄的金属条带，金属条带包括两部分，在过渡圆柱后半部分的外表面的金属条带为矩形，平行于轴线分布，在出射圆台的外表面的金属条带为扇形，向轴线汇聚，金属条带的角向周期为θ_d，角向占空比为τ；正入射的平面波进入探针后，随着入射锥的轴向半径增加，平面波逐渐转化为圆介质波导中的波导模式；圆形介质波导中的波导模式在过渡圆柱中传播，电磁波与过渡圆柱外表面的金属条带的边缘相互作用，金属条带作为传输线，电磁波有效地局附在金属条带附近，不会产生能量泄漏，并开始出现准TEM模式；电磁波传输至介质探针的出射圆台，随着出射圆台的轴向半径的减小，波导模式逐渐转化为金属条带上的准TEM模式，准TEM模式无模式截止效应，在后续的传播过程中，当金属条带之间的间隙减小的时候，传输线的等效阻抗越来越大，传输线上的能量就难辐射出去，导致了电磁能量的强烈压缩，电磁能量被有效地聚焦到出射圆台的出射端上，同时伴有显著的场增强效应。

把入射电磁波逐渐聚焦到亚波长尺度，是实现探针的空间超分辨率的关键；并且，探针有比较高的能量传输效率，以及在聚焦点有较大的场增强效应，才能实现高效性。对于探针的设计首先考虑入射电磁波的反射，即让更可能多的电磁能量耦合进入探针之中。在本发明中，采用了把探针的入射端变为锥形，对比于入射端圆柱形的设计，这种结构可以把电磁波的反射和光学散射降低10dB以上。需要注意的是，入射锥和出射圆台的中心角都需要满足电磁波的内部全反射条件，也就是：

其中，n为介质探针的折射率，μ和ε为介质探针的磁导率和介电常数。入射锥和出射圆台的中心角满足条件之后，无论是入射能量的耦合效率，还是出射能量的辐射效率都会得到显著提升。进一步减小中心角，还会效率得到提升，但是会增大探针的总尺寸。在实际应用中，还需要根据系统的实际需求进行尺寸调整。本发明的探针是近似的轴对称结构，入射波的极化方向对于聚焦性能没有影响，这也是本发明的探针的一个优点，可以避免极化损失。

入射电磁波耦合进入探针之后，为了提高能量在探针中的传输效率，探针中间设置了过渡圆柱。随着探针轴向半径的增加，电磁能量逐渐转化为圆形介质波导中的波导模式。虽然圆介质波导的主模是HE₁₁，对于正入射的平面波，波长为λ，波导中会激起高阶波导模式，TE₀₁模式也是主要传输模式。为了提升入射能量的耦合效率，以TE01模式的截止尺寸，作为过渡圆柱的设计条件，即：

为了实现深度亚波长尺寸的聚焦，沿着电磁波的传输方向，探针的轴向半径会越来越小，能量也逐渐被压缩到越来越小的区域，同时伴随着场幅度的增强。当轴向半径不满足(2)式的时候，能量无法继续以波导模式传输，从而产生泄漏模式，电磁能量被辐射出去。为了避免这种情况的产生，本发明在探针上镀上金属条带。金属条带可以视作传输线，支持准TEM模式，这种模式由很多模式混杂而成，很难写出准确的场解析表达式。需要特别注意的是，准TEM模式不存在模式截止效应，即使金属条带之间的间距很小，能量也能高效传输。而且由于电磁波和金属边缘的相互作用，电磁波会有效的局附在金属条带附近，不会产生能量泄漏。所以随着探针的出射圆台的轴向半径的减小，介质波导中的波导模式会逐渐转化为金属条带上的准TEM模式，在后续的传播过程中，电磁能量被有效的聚焦到探针的出射端上，同时伴有显著的场增强效应。探针的出射端半径r越小，聚焦的效果就越好，但是减小出射端半径必然同时带来加工上的难度。当进行近场扫描成像的时候，探针的出射端与样本之间的距离越小，成像的结果就越好，探针出射端的尺寸比较小的时候，离样本过近，出射端就比较容易造成损坏。所以应该根据实际能达到的加工精度，以及成像系统需要的分辨率，设置出射端半径r的大小。

综上所述，介质探针的目的主要作用在于提高入射电磁波的耦合和传输效率，同时为金属条带提供物理上的支撑。介质探针的尺寸设计参考(1)和(2)式，介质探针的总长度L可以根据实际系统需求进行调整，为了减小入射锥和出射圆台造成的影响，探针的过渡圆柱要满足长度大于入射的平面波的波长λ。介质探针的材料的选取满足价格低廉、传输损耗低、易于加工且材料的韧性不能太差(防止针尖部分的折断)，优选的为特氟龙材料，介电常数等于2.1，其它的材料，例如尼龙和硅都可以考虑。金属条带的数目至少为6个才能有比较好的聚焦效果，增加金属条带会使聚焦效果更好，同样加工难度也会增加。金属条带的材料最佳是金，其次是无氧铜，金制造成本过高，低成本系统无氧铜。金属条带的厚度t至少要达到微米量级。探针的出射端的尺寸为2r+2t，即出射圆台的上底面直径加上两个金属条带的厚度，金属条带厚度增加会使聚焦效果变差。在满足金属趋肤深度条件之后，金属条带的厚度应满足t<r/2，才能实现良好的二维聚焦。

本发明的另一个目的在于提供一种太赫兹宽带超分辨率探针的探测方法。

本发明的太赫兹宽带超分辨率探针的探测方法，包括以下步骤：

1)正入射的平面波进入探针后，随着入射锥的轴向半径增加，电磁能量逐渐转化为圆形

介质波导中的波导模式；

2)圆形介质波导中的波导模式在过渡圆柱中传播，电磁波与过渡圆柱外表面的金属条带

的边缘相互作用，金属条带作为传输线，电磁波有效地局附在金属条带附近，不会产生

能量泄漏，并开始出现准TEM模式；

3)电磁波传输至介质探针的出射圆台，随着出射圆台的轴向半径的减小，波导模式逐渐

转化为金属条带上的准TEM模式，准TEM模式无模式截止效应；

4)在后续的传播过程中，当金属条带之间的间隙减小的时候，传输线的等效阻抗越来越

大，传输线上的能量就难辐射出去，导致了电磁能量的强烈压缩，电磁能量被有效地聚

焦到出射圆台的出射端上，同时伴有显著的场增强效应。

其中，在步骤1)中，通过调整入射锥的中心角θ_in和过渡圆柱的半径R，提高电磁能量的耦合效率。

在步骤2)中，通过控制面金属条带的数目，来调整能量聚焦效果；或者根据实际系统对于探针尺寸的需求，调整介质探针的总长度L，过渡圆柱要满足长度大于入射的平面波的波长λ。

在步骤3)中，通过调整出射圆台的中心角，降低出射端的能量反射。

在步骤4)中，通过改变出射端半径r，调整探针的分辨率。

本发明的优点：

本发明的介质探针包括共轴的入射锥、过渡圆柱和出射圆台，在介质探针的过渡圆柱后半部分以及出射圆台的外表面，沿着角向设置有周期的超薄的金属条带；正入射的平面波进入入射锥，电磁能量逐渐转化为圆形介质波导中的波导模式，电磁波有效地局附在金属条带附近，不会产生能量泄漏，随着出射圆台的轴向半径的减小，波导模式逐渐转化为金属条带上的无模式截止效应的准TEM模式，电磁能量被有效地聚焦到出射圆台的出射端上，同时伴有显著的场增强效应；本发明的探针具有宽频带、低成本、高效率以及高分辨率的优点，对于太赫兹成像技术的发展和应用具有广泛而深远的意义。

附图说明

图1为本发明的太赫兹宽带超分辨率探针的一个实施例的示意图，其中，(a)为立体图，(b)为侧视图，(c)为沿轴线的剖面图；

图2展示了本发明的太赫兹宽带超分辨率探针的相邻金属条带的间距变小时，支持的准TEM电场分布图；

图3本发明的太赫兹宽带超分辨率探针的一个实施例的电场分布图；

图4本发明的太赫兹宽带超分辨率探针的一个实施例的出射端的归一化场强曲线图；

图5为本发明的太赫兹宽带超分辨率探针的聚焦特性随频率变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的太赫兹宽带超分辨率探针包括：介质探针和金属条带；其中，介质探针沿着电磁波的传播方向从前至后包括依次相连接且共轴的入射锥1、过渡圆柱2和出射圆台3，入射锥的中心角为θ_in，入射锥的底面与过渡圆柱的底面相同，过渡圆柱的底面半径为R，过渡圆柱的底面与出射圆台的下底面相同，出射圆台的中心角是θ_out，出射圆台的上底面即出射端半径为r；在介质探针的过渡圆柱后半部分以及出射圆台的外表面，设置有沿着角向周期分布的超薄的金属条带，金属条带包括两部分，在过渡圆柱后半部分的外表面的金属条带为矩形，平行于轴线分布，在出射圆台的外表面的金属条带为扇形，向轴线汇聚，金属条带的金属条带的角向宽度为θ_a，角向周期为θ_d，角向占空比τ＝θ_a/θ_d。

在本实施例中，探针的制作工艺都比较简单，制作成本比较小。对于介质探针的制作，可以直接利用数控机床对于介质棒进行磨损加工，其容易达到很高的精度。在三维结构上周期直接镀金比较困难，所以要想实现目标形状的镀金，需要加工一个掩膜，将掩膜套在介质探针上面对不需要镀金的地方进行保护。镀金可以选用溅射的方法，对于耐高温的材料也可以选用蒸镀。或者采用3D打印直接制作出来，3D打印可以实现高精度三维加工。

金属条带支持无截止的准TEM模式，当金属条带的宽度逐渐减小的时候，能量会随之被聚焦，这种现象在图2中给予了展示。附在特氟龙(介电常数设置为2.1)基底上面的两个铜条带(铜的导电率设置为6×10⁷)，在图2中展示了条带尺寸不断缩小时候仿真电场，其参数如下表所示：

从图2中可以看出，金属条带的尺寸以及金属条带的间隙从λ/5变化到λ/100，电磁能量都能有效的被传输，不会出现模式截止效应，并且尺寸越小的时候，电磁能量压缩程度越大，场强提升效应越明显。可以把两个铜的金属条带视作传输线，当金属条带之间的间隙减小的时候，传输线的等效阻抗越来越大，传输线上的能量就难辐射出去，导致了电磁能量的强烈压缩。这种现象对于实现电磁波的深度亚波长聚焦具有重要意义。

在图3给出了本发明中探针的聚焦仿真。馈源被设置为x极化方向的平面波，传播方向平行于轴线，仿真频率为0.14THz，参数设置为：L＝6mm，θ_in＝28°，θ_out＝32°，R＝0.58mm，r＝0.02mm，θ_d＝60°，θ_a＝30°。图3中从左向右三个图依次是探针的x＝0mm截面，z＝44mm截面，z＝60.1mm截面(离探针的出射端0.1mm)。从x＝0mm截面可以看出入射的电磁能量都有效的转化为准TEM波，并且局附在介质探针外表面的金属条带上。随着出射圆台的半径不断缩小，能量也不断被压缩，此过程伴随着场强的持续增强，最终能量被有效到出射端上。在z＝44mm截面中，可以看出所有能量都被限制到了探针内部，避免了能量的散射损耗。在z＝60.1mm截面中很清晰的展示了一个二维的超聚焦斑点，对于实现二维高分辨率近场扫描成像具有重要意义。聚焦斑点上的电场强度对于入射电场提升达到了400倍，说明了探针工作的高效性。这种场增强效应可以减小对于成像系统探测器的要求，减小系统成本。

在图4给出了在0.14THz(波长λ＝2.14mm)时候，离探针出射端0.1mm电场强度的归一化曲线。可以看出，场强的半高宽(FWHM)小于0.08mm，即说明探针的分辨率能够达到0.037λ，可以达到深度亚波长量级。为了进一步证明探针的宽带特性，在0.1THz到2.5THz之间进行仿真计算，得到的FWHM如图5所示。可以看出随着频率的升高，探针的分辨率有轻微的提升，最终达到了0.045mm大小。从中可以看出，探针受频率的影响比较小，可以有效地工作在超宽频带之中。综上所说，本发明提供了一种低成本、高效率、高分辨率，具有宽频带的太赫兹探针。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹宽带超分辨率探针，其特征在于，所述太赫兹宽带超分辨率探针包括：介质探针和金属条带；其中，所述介质探针沿着电磁波的传播方向从前至后包括依次相连接且共轴的入射锥、过渡圆柱和出射圆台，入射锥的中心角为θ_in，入射锥的底面与过渡圆柱的底面相同，所述过渡圆柱的底面半径为R，过渡圆柱的底面与出射圆台的下底面相同，所述出射圆台的中心角是θ_out，出射圆台的上底面即出射端半径为r；在介质探针的过渡圆柱后半部分以及出射圆台的外表面，设置有沿着角向周期分布的超薄的金属条带，所述金属条带包括两部分，在过渡圆柱后半部分的外表面的金属条带为矩形，平行于轴线分布，在出射圆台的外表面的金属条带为扇形，向轴线汇聚，金属条带的角向周期为θ_d，角向占空比为τ；正入射的平面波进入探针后，随着入射锥的轴向半径增加，平面波逐渐转化为圆形介质波导中的波导模式；圆形介质波导中的波导模式在过渡圆柱中传播，电磁波与过渡圆柱外表面的金属条带的边缘相互作用，金属条带作为传输线，电磁波有效地局附在金属条带附近，不会产生能量泄漏，并开始出现准TEM模式；电磁波传输至介质探针的出射圆台，随着出射圆台的轴向半径的减小，波导模式逐渐转化为金属条带上的准TEM模式，准TEM模式无模式截止效应，在后续的传播过程中，当金属条带之间的间隙减小的时候，传输线的等效阻抗越来越大，传输线上的能量就难辐射出去，导致了电磁能量的强烈压缩，电磁能量被有效地聚焦到出射圆台的出射端上，同时伴有显著的场增强效应。

2.如权利要求1所述的太赫兹宽带超分辨率探针，其特征在于，所述入射锥和出射圆台的中心角都需要满足电磁波的内部全反射条件：

其中，n为介质探针的折射率，μ和ε为介质探针的磁导率和介电常数。

3.如权利要求1所述的太赫兹宽带超分辨率探针，其特征在于，所述过渡圆柱的底面半径R满足：

其中，λ为正入射的平面波的波长，n为介质探针的折射率。

4.如权利要求1所述的太赫兹宽带超分辨率探针，其特征在于，所述金属条带的数目不小于6；所述金属条带的厚度应满足t<r/2。

5.如权利要求1所述的太赫兹宽带超分辨率探针，其特征在于，所述介质探针的材料采用特氟龙、尼龙或者硅；所述金属条带的材料采用金或者无氧铜。

6.一种如权利要求1所述的太赫兹宽带超分辨率探针的探测方法，其特征在于，所述探测方法包括以下步骤：

1)正入射的平面波进入探针后，随着入射锥的轴向半径增加，电磁能量逐渐转化为圆形介质波导中的波导模式；

2)圆形介质波导中的波导模式在过渡圆柱中传播，电磁波与过渡圆柱外表面的金属条带的边缘相互作用，金属条带作为传输线，电磁波有效地局附在金属条带附近，不会产生能量泄漏，并开始出现准TEM模式；

3)电磁波传输至介质探针的出射圆台，随着出射圆台的轴向半径的减小，波导模式逐渐转化为金属条带上的准TEM模式，准TEM模式无模式截止效应；

4)在后续的传播过程中，当金属条带之间的间隙减小的时候，传输线的等效阻抗越来越大，传输线上的能量就难辐射出去，导致了电磁能量的强烈压缩，电磁能量被有效地聚焦到出射圆台的出射端上，同时伴有显著的场增强效应。

7.如权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在步骤1)中，通过调整入射锥的中心角θ_in和过渡圆柱的半径R，提高电磁能量的耦合效率。

8.如权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在步骤2)中，通过控制面金属条带的数目，来调整能量聚焦效果；或者根据实际系统对于探针尺寸的需求，调整介质探针的总长度L，过渡圆柱要满足长度大于入射的平面波的波长λ。

9.如权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在步骤3)中，通过调整出射圆台的中心角，降低出射端的能量反射。

10.如权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在步骤4)中，通过改变出射端半径r，调整探针的分辨率。