CN206540822U - 太赫兹亚波长分辨成像装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种太赫兹亚波长分辨成像装置。本专利针对现有技术存在的问题，提供一种太赫兹波近场探测亚波长分辨成像装置，将太赫兹波近场成像的空间分辨率提高到优于0.02λ量级，提高近场成像质量，拓展太赫兹近场成像技术的应用领域。该成像装置包括控制电脑，0.15‑0.5THz可调频太赫兹固态倍频源，离轴抛物面镜，PE聚焦镜，聚四氟乙烯样品池，PET保护片，线列太赫兹探测器，聚氨酯吸收层，前置放大器及读出电路，AD转换器等部分。本专利应用于太赫兹成像技术领域。

Description

太赫兹亚波长分辨成像装置

技术领域

本专利涉及太赫兹成像领域，涉及一种太赫兹亚波长分辨成像装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz/THz)波是指频率在0.1-10THz(波长30-3000μm)范围内的电磁波，具有低能性、相干性、宽带性和穿透性等特性。因为这些独特性质，太赫兹波在通信、天文、医学成像、无损检测和安保等领域具有广泛的应用潜力，近年来已经成为国内外研究的热点。太赫兹技术发展的重要研究内容之一是太赫兹探测技术，发展工作灵敏度高、使用方便、成本合理的太赫兹探测器，将在生物医学及化学、环境监测、天文学和遥感、通信技术、安全检查等领域发挥巨大效用，具有重大的应用意义。

虽然太赫兹成像技术在材料表征，半导体器件检测，生物医学，安全检查等方面展现出了广阔的应用前景，但目前的太赫兹波成像技术大多受制于传统的光学反射-透射镜组，以及器件的空间分辨率，成像最小分辨的尺寸大约为太赫兹波长的一半，使得其应用领域受限。对于结合了扫面探针技术的近场成像装置而言，虽然其能够获得很高的成像分辨率，但单点扫描成像的方式速度较慢，也限制了在较大范围内快速太赫兹探测成像的应用。因此突破衍射极限，实现快速的二维高分辨率成像，是太赫兹成像技术亟待解决的问题。

发明内容：

本专利的目的是公开一种透射式的太赫兹亚波长分辨成像装置，能够将太赫兹波近场成像的空间分辨率提高到优于0.02λ量级，提高近场成像质量，为 材料表征，生物医学成像，半导体器件检测提供技术支持。

本专利是将基于电磁势阱诱导太赫兹探测器和线列太赫兹扫描成像技术相结合，通过不受光学衍射极限限制的太赫兹近场光学信号对物体成像，发展出一种可快速实现近场成像的亚波长分辨太赫兹成像装置，成像分辨率可达到0.02λ量级。所述的透射式亚波长分辨太赫兹成像装置，可以克服探针扫描式器件成像速度慢的问题，能快速获得样品表面形貌和样品太赫兹波透射指纹光谱等信息，为材料表征，生物医学成像，半导体器件检测提供有效方法。

为达到上述目的，本专利提供以下技术方案：

一种太赫兹亚波长分辨成像装置，包括控制电脑，0.15-0.5THz可调频太赫兹固态倍频源，离轴抛物面镜，PE聚焦镜，聚四氟乙烯样品池，PET保护片，线列太赫兹探测器，聚氨酯吸收层，前置放大器及读出电路，AD转换器；

所述0.15-0.5THz可调频太赫兹固态倍频源为美国VDI公司制造，通过AgilentE8257D商用微波源提供基频，经过12、24、36倍倍频，逐点变化基频微波频率，可产生离散变化的太赫兹波，通过商用微波源内部提供的幅度调制功能，实现出射太赫兹波的方波调制，并为锁相放大器提供参考信号；出射的太赫兹波通过抛物面镜和PE聚焦镜组会聚为准平行光，照射到聚四氟乙烯样品池上，被测样品上表面透射的太赫兹波通过线列太赫兹探测器接收；所述线列器件以直接探测方式工作，可直接获得透射太赫兹波近场的场强分布信息；线列太赫兹探测器固定在可精密控制位移的三维调节架上，调节架用于调节器件敏感元和待测样品之间的距离，及线列扫描测试位移动作；控制电脑用于协调控制Agilent E8257D商用微波源，倍频器，锁相放大器，线列探测器件和三维调节架的工作；

所述线列太赫兹探测器用于接收入射太赫兹波，获得太赫兹近场信号，器 件电极尺寸不超过探测波长的0.2倍，器件敏感元尺寸不超过探测波长的0.02倍；所述的线列太赫兹器件安装在氧化铝衬底上，氧化铝衬底表面为棱锥状聚氨酯阵列材料，用于吸收入射的太赫兹波，减少反射波对探测信号的影响；器件天线用于增强敏感元的耦合效率，成像分辨率与敏感元尺寸相当，通过一维扫描和锁相放大器逐点读取线列器件各个敏感元两端信号电压，可快速获得待测样品透射太赫兹波的近场信息。

所述的线列太赫兹探测器8为碲锌镉衬底的64×1元的碲镉汞探测器件，包括碲镉汞敏感元8-1和耦合天线8-2，各探测单元位于氧化铝衬底片9的上方，通过前置放大器及读出电路11中的选择芯片使线列器件各单元器件的信号逐个读出，锁相放大器对太赫兹探测器在微波源调制频率基频进行锁相放大而提取出太赫兹波近场信号；

所述的耦合天线8-2为在器件两侧对称分布的扇形天线，分别与器件两侧接触，中间部分为碲镉汞探测器件敏感元8-1；天线总尺寸不超过工作的波长的0.2倍，碲镉汞探测器件敏感元8-1长度不超过探测波长的0.02倍；

所述的线列太赫兹探测器8下表面的PET隔离片12紧贴着被测样品层7的上表面，距离样品层不超过待测波长的0.1倍；被测样品上表面透射的太赫兹波通过线列太赫兹探测器8接收。

本专利具有如下优点：

1、线列器件成像速度快，成像效率远高于扫描探针模式工作的成像装置。

2、测试装置采用的线列器件为基于电磁诱导势阱效应的金属-半导体-金属结构的太赫兹探测器，敏感元尺寸远小于波长，成像分辨率高。

3、测试装置可同时获得待测样品片表面太赫兹波的近场分布信息，以及0.15-0.5THz波段的透射指纹光谱信息。

附图说明：

图1为本专利的结构框架图，

图2为本专利线列探测器件的侧视图，

图3为本专利线列探测器件的俯视图。

具体实施方式

为使本专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图描述本专利的示例性实施例的技术方案。

本专利提供了一种太赫兹亚波长分辨成像装置。该成像装置包括：(1)微波源与固态倍频源，用于产生太赫兹波。(2)离轴抛物面镜，PE聚焦镜，用于聚焦获得太赫兹准平面波。(3)聚四氟乙烯样品池，待测样品。(4)线列太赫兹探测器，聚氨酯吸收层，前置放大器及读出电路(5)锁相放大器与控制电脑。

依照附图1所示的结构，制作了三种类型实施例探测器件。

实施例探测装置1：

使用商用Agilent微波源2提供基频，利用太赫兹固态倍频源，经过12倍频产生0.15-0.20THz的太赫兹波；经过离轴抛物面镜4和PE聚焦镜组5聚焦太赫兹波，得到太赫兹准平面波；

在装有前置放大器及读出电路11的盒子上安装聚氨酯吸收材料10，聚氨酯吸收材料10为棱柱状突起阵列，用于吸收入射的太赫兹波，减少反射波的干扰；聚氨酯材料表面为氧化铝衬底片9，用于固定线列太赫兹器件8和引出电学信号；线列太赫兹器件8用于接收入射的太赫兹准平面波信号，线列器件为天线耦合电磁诱导势阱效应的碲镉汞探测器，器件为64×1元，其天线为在器件两侧对称分布的扇形天线8-1，分别与器件两侧接触，中间部分为碲镉汞 探测器件敏感元8-2；天线总尺寸为120μm，碲镉汞探测器件敏感元8-2长度为12μm；器件表面的PET隔离片12用于保护线列器件，避免其表面与样品直接接触。聚四氟乙烯样品池6中放有待测样品片7。测试时，使用控制电脑1控制三维调节架调节探测器件8与待测样品片7的相对位置，使两者距离不超过0.15mm；

使用前置放大器及读出电路中的控制电路，在样品池不加样品的情况下，逐个读取器件信号，控制三维调节架使之在纸面方向运动，得到背景信号值；装上样品片，逐个读取器件信号，控制三维调节架使之在纸面方向运动，测得器件探测的近场信号，获得样品表面附近的太赫兹近场图像。

实施例探测装置2：

使用商用Agilent微波源2提供基频，利用太赫兹固态倍频源，经过12倍频产生0.30-0.35THz的太赫兹波；经过离轴抛物面镜4和PE聚焦镜组5聚焦太赫兹波，得到太赫兹准平面波；

在装有前置放大器及读出电路11的盒子上安装聚氨酯吸收材料10，聚氨酯吸收材料10为棱柱状突起阵列，用于吸收入射的太赫兹波，减少反射波的干扰；聚氨酯材料表面为氧化铝衬底片9，用于固定线列太赫兹器件8和引出电学信号；线列太赫兹器件8用于接收入射的太赫兹准平面波信号，线列器件为天线耦合电磁诱导势阱效应的碲镉汞探测器，器件为64×1元，其天线为在器件两侧对称分布的扇形天线8-1，分别与器件两侧接触，中间部分为碲镉汞探测器件敏感元8-2；天线总尺寸为120μm，碲镉汞探测器件敏感元8-2长度为12μm；器件表面的PET隔离片12用于保护线列器件，避免其表面与样品直接接触。聚四氟乙烯样品池6中放有待测样品片7。测试时，使用控制电脑1控制三维调节架调节探测器件8与待测样品片7的相对位置，使两者距离不超 过0.086mm；

使用前置放大器及读出电路中的控制电路，在样品池不加样品的情况下，逐个读取器件信号，控制三维调节架使之在纸面方向运动，得到背景信号值；装上样品片，逐个读取器件信号，控制三维调节架使之在纸面方向运动，测得器件探测的近场信号，获得样品表面附近的太赫兹近场图像。

实施例探测装置3：

使用商用Agilent微波源2提供基频，利用太赫兹固态倍频源，经过12倍频产生0.15-0.20THz的太赫兹波；经过离轴抛物面镜4和PE聚焦镜组5聚焦太赫兹波，得到太赫兹准平面波；

在装有前置放大器及读出电路11的盒子上安装聚氨酯吸收材料10，聚氨酯吸收材料10为棱柱状突起阵列，用于吸收入射的太赫兹波，减少反射波的干扰；聚氨酯材料表面为氧化铝衬底片9，用于固定线列太赫兹器件8和引出电学信号；线列太赫兹器件8用于接收入射的太赫兹准平面波信号，线列器件为天线耦合电磁诱导势阱效应的碲镉汞探测器，器件为64×1元，其天线为在器件两侧对称分布的扇形天线8-1，分别与器件两侧接触，中间部分为碲镉汞探测器件敏感元8-2；天线总尺寸为120μm，碲镉汞探测器件敏感元8-2长度为12μm；器件表面的PET隔离片12用于保护线列器件，避免其表面与样品直接接触。聚四氟乙烯样品池6中放有待测样品片7。测试时，使用控制电脑1控制三维调节架调节探测器件8与待测样品片7的相对位置，使两者距离不超过0.06mm；

使用前置放大器及读出电路中的控制电路，在样品池不加样品的情况下，逐个读取器件信号，控制三维调节架使之在纸面方向运动，得到背景信号值；装上样品片，逐个读取器件信号，控制三维调节架使之在纸面方向运动，测得 器件探测的近场信号，获得样品表面附近的太赫兹近场图像。

显然所描述的实施例只是本专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本专利范围的限制。基于本专利的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

Claims (1)

1.一种太赫兹亚波长分辨成像装置，包括控制电脑(1)，微波源(2)，0.15-0.5THz可调太赫兹固态倍频源(3)，离轴抛物面镜(4)，PE聚焦镜(5-1)、(5-2)，聚四氟乙烯样品池(6)，样品层(7)，线列太赫兹探测器(8)，氧化铝衬底片(9)，聚氨酯吸收层(10)，前置放大器及读出电路(11)，PET隔离片(12)，AD转换器(13)其特征在于：

所述的线列太赫兹探测器(8)为碲锌镉衬底的64×1元的碲镉汞探测器件，包括碲镉汞敏感元(8-1)和耦合天线(8-2)，各探测单元位于氧化铝衬底片(9)的上方，通过前置放大器及读出电路(11)中的选择芯片使线列器件各单元器件的信号逐个读出，锁相放大器对太赫兹探测器在微波源调制频率基频进行锁相放大而提取出太赫兹波近场信号；

所述的耦合天线(8-2)为在器件两侧对称分布的扇形天线，分别与器件两侧接触，中间部分为碲镉汞探测器件敏感元(8-1)；天线总尺寸不超过工作的波长的0.2倍，碲镉汞探测器件敏感元(8-1)长度不超过探测波长的0.02倍；所述的线列太赫兹探测器(8)下表面的PET隔离片(12)紧贴着被测样品层(7)的上表面，距离样品层不超过待测波长的0.1倍；被测样品上表面透射的太赫兹波通过线列太赫兹探测器(8)接收。