太赫兹近场扫描显微镜研制

发布时间：2020-10-13 22:45

　　 太赫兹(THz,1 THz=10~(12) Hz)辐射是指电磁波谱中介于微波与红外光波之间的一段电磁辐射,且具有电磁波谱中其他波段所不具备的独特性质,即穿透性强、相干性好、电离能低以及特异性识别度高等特殊的性质,使得其在各个学科领域内都有巨大的应用和开发潜力,该技术也被誉为改变未来的技术之一。目前大部分的THz光谱研究主要使用的系统有THz时域光谱系统(THz-TDS),电子固态源倍频系统,差频连续扫描系统,量子级联激光器(QCL)系统等,借助的技术手段是远场成像或扫描技术,这种技术的物理原理遵循传统的菲涅尔衍射定律,其能够获得的最佳分辨率受到阿贝衍射极限的限制,所以该技术的最佳分辨率不会优于入射光的半波长。随着生物化学和材料科学迅猛的发展需要,人们发现远场技术并不能满足对样品进行超分辨扫描或成像的需要,而目前市场上的THz近场系统技术尚不成熟,技术问题较多且价格非常昂贵,无法进行普及。所以亟待开发一种近场成像扫描系统,以实现在THz波段的超分辨光谱技术,进而满足各学科的发展需求。本文在已报道的光学近场技术和THz近场技术的基础上,旨在开发一种散射式的THz近场扫描显微镜(THz-SNOM),实现在更低频THz波段的纳米量级的超分辨成像,并且将该系统的信号处理技术及搭建过程进行总结,进而推动该THz近场技术及仪器的发展。考虑到系统研制的难度,该工作难以一次性完成,故此本文在充分调研文献以及前期实验工作的基础上,将研究工作分为了三个阶段进行层级推进以达到最终目的。三个阶段的工作分别是:百十微米级的近场研发,单微米量级系统研发,而后在前两部分研究的基础上进行第三阶段的工作,即纳米级分辨系统的研发。经过多年努力,我们成功完成了三个阶段的工作,并且在前两个阶段都研制出了阶段性的具有知识产权且可以独立使用的具有微米分辨能力的THz-SNOM系统样机,为最终的第三阶段纳米分辨能力系统的研发工作的顺利完成提供了坚实的基础。本文主要的研究成果简要如下:(1)第一阶段开发出了基于差频THz连续扫描系统的近场系统,系统最高分辨能力为40μm。该工作证明了差频系统THz源不是散射式系统的最佳匹配源,也为第二、三阶段的工作证明了散射方法和调制解调算法的可行性;(2)第二阶段开发出了基于110 GHz倍频源系统的单微米级分辨能力的近场显微镜,分辨能力为1.0μm,分辨能力在W波段属于先进水平。该工作确认了无反馈系统的介入情况下可操作控制的最小针尖-样品间距,以及可以获得的最佳分辨率为1.0μm。证明了为了取得纳米分辨率,第三阶段工作是非常必要的,同时也验证了仿真理论和系统各部分算法的正确性;(3)第三阶段在前述两阶段的工作基础上开发出了基于110 GHz倍频源系统和原子力显微镜耦合的散射式近场扫描显微镜,目前取得的分辨率约为300nm,约为入射光波长的万分之一,该比值在THz-SNOM系统中属于先进水平;(4)总结并计算了散射式近场扫描显微镜中各种复杂的信号处理技术,为此类型系统的研发和使用提供了指导。经过实验测试,上述系统具有比较好的稳定性,在室温环境下能够取得良好的实验结果,具有一定的商业化前景,对于THz光谱技术的升级换代及THz近场成像仪器的普及和开发具有一定的指导意义和实用价值。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH742
【部分图文】：

第 1 章 绪论1.1 研究背景及意义太赫兹（THz，1 THz =1012Hz）辐射是指电磁波谱中光子频率介于 0.1 THz—10 THz（对应波长 3000 μm—30 μm）的一段电磁辐射，如图 1.1 所示，其频率介于微波与红外光波之间，其光子能量较低，大约在 4 meV 左右。与微波和红外线相比，THz 波具有穿透性强，相干性好，电离能低，以及特异性识别度高等特殊的性质[1-3]，这使得 THz 波在各个学科领域内都有着巨大的应用和开发潜力，其商业价值和对各学科研究以及学科交叉领域的推动作用都是不可估量的，目前国内外已经掀起了 THz 波技术的科研热潮，被誉为改变未来的技术之一。

辨率结果去揭示和说明，远场尺度的分辨能力远远满足不了样品探测的需要。电磁图谱中各波段显微镜特点如图 1.1 所示，可以见到 THz 显微镜具有明显的科研价值，是电磁波显微镜家族一个不可或缺的家庭成员，开发一种能够突破衍射极限的 THz 显微镜是亟待解决的一个科学难题。图 1.2 举出了几个典型的需要用到THz 近场成像的领域。

基于成熟的红外和可见光波段的高分辨率成像技术，科研工作者已经开发出了多种近场 THz 系统，其分类主要分为可以孔径型近场 THz 系统、透反射式近场 THz 系统和散射式近场 THz 系统三大类。下面分别简要介绍下近场 THz 系统的分类及其优缺点。1.2.1 孔径型近场 THz 系统（1）贴孔式近场系统孔径型近场的设想是由 E.H. Synge 于 1928 年提出的[39]，其大概思路就是利用微纳尺度的小孔限制透射光的光通量进而抑制非相关位置的光学衍射以达到获得超过光学衍射极限的分辨率的目的。常见的贴孔式近场可分为图 1.3 的三种模式。
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本文编号：2839794