太赫茲近場掃描顯微成像技術

太赫茲(Terahertz, THz)輻射通常是指頻率范圍處于0.1—10THz的電磁輻射，其波段位于電磁波譜中的微波和紅外之間。近年來，太赫茲技術得到了迅猛發展和廣泛應用，成為前沿交叉學科領域之一。太赫茲波由于光子能量很低、具有非破壞性和非等離特性，使得太赫茲在材料檢測和無損探測方面有著廣泛應用。更為值得提出的是太赫茲成像, 特別是在生物醫學方面的成像， 引起了人們的廣泛關注。就目前而已，主流的成像技術包括逐點成像、實時成像、近場成像、差分成像、偏振成像等。

圖1、太赫茲脈沖掃描近場成像系統

由于太赫茲輻射屬于遠紅外輻射，其波長處于亞毫米量級，因此太赫茲光波的衍射效應限制了太赫茲成像的分辨率。在一般的太赫茲逐點成像系統和實時成像系統中，成像分辨率在毫米量級，這在一定程度上制約了太赫茲成像技術的應用。為了解決這一問題，科研人員提出了一種太赫茲近場成像系統，將太赫茲逐點成像的分辨率提高到了亞波長量級，此工作將太赫茲成像技術的性能提高到了一個新的層次。

圖1展示了此實驗的系統光路，太赫茲脈沖分別由光導天線產生和光電導采樣探測。太赫茲脈沖在入射樣品之前，首先被耦合進一個金屬探針中，從探針端部出射后再經過樣品。此方法屬于基于孔徑的掃描近場光學顯微技術，太赫茲光波在樣品上的光斑大小只受制于探針端口的尺寸。在此實驗中，探針端口的尺寸為50μm×80μm，因此所獲得的最高成像分辨率可達到55μm。從此，太赫茲近場成像技術引起了科研人員的廣泛關注，目前已經成為了太赫茲成像中一個重要的研究方向。

通常所說的太赫茲近場成像是指太赫茲掃描近場光學顯微技術（THz-SNOMs），其可以大致分為三種：基于孔徑的THz-SNOMs，散射型的THz-SNOMs和太赫茲時域光譜SNOMs。基于孔徑的THz-SNOMs是指利用尺寸較小的局域太赫茲光源照射樣品，或利用尺寸較小的局域探測器探測太赫茲電場，來實現太赫茲脈沖的近場探測。散射型的THz-SNOMs是指利用一個探針接近被測樣品表面，將近場太赫茲信號散射到遠場進行測量。關于太赫茲時域光譜SNOMs，是根據太赫茲輻射具有亞毫米量級的波長，而將探測晶體直接放置在太赫茲電場的近場范圍內，利用傳統的電光采樣的方法進行探測。

圖2、散射式太赫茲近場掃描顯微成像系統簡圖

日前，上海理工大學朱亦鳴教授團隊聯合上海市現代光學系統重點實驗室、上海市太赫茲波譜與影像技術協同創新中心，開展了散射式太赫茲近場掃描顯微成像系統的研制。其運用的基本原理是，太赫茲波照射納米探針的針尖，在針尖周圍形成增強的局域場，這個近場會被其附近的樣品改變；此近場相互作用導致在遠場接收的散射光帶有樣品局部的光學性質。近場光學空間分辨率由針尖的曲率半徑決定，而與照射光波長無關。

S-SNOM的關鍵技術

· 太赫茲波-納米探針-樣品間的近場高效耦合及散射

·微弱近場散射信號放大和背景散射噪聲抑制

S-SNOM的典型應用

· 半導體及復合納米材料和器件的無損檢測

· 細胞、病毒等生物物質的結構成像和成分分析