本發(fā)明屬于太赫茲成像
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種太赫茲聚焦器件。
背景技術(shù)：
：太赫茲(THz，1THz＝1012Hz)輻射或太赫茲波通常指頻率在0.1THz至10THz之間的電磁波，在電磁波譜中位于微波和紅外光波之間，是電磁波譜中有待進(jìn)行全面研究和深入挖掘的最后一個(gè)頻率窗口。太赫茲波與其他波段的電磁輻射一樣可以用來對物體成像，而且根據(jù)太赫茲的大多物質(zhì)在太赫茲波段都可有指紋譜等特性，使太赫茲成像相比其他成像具有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。太赫茲成像技術(shù)以其獨(dú)特的光譜特性和穿透性，在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、安檢等領(lǐng)域都顯示出巨大的科研價(jià)值和應(yīng)用前景，尤其是太赫茲輻射頻率在多數(shù)大分子振動、轉(zhuǎn)動能級附近，因此太赫茲成像技術(shù)在生物大分子、生物醫(yī)學(xué)等方面格外引人注意。然而，太赫茲波的波長較長(例如1THz波長為0.3mm)，采用一般的成像技術(shù)不易直接觀察樣品的細(xì)微結(jié)構(gòu)；此外，根據(jù)瑞利判據(jù)，太赫茲波受衍射效應(yīng)的限制，一般太赫茲成像技術(shù)的空間分辨率很難突破衍射極限達(dá)到亞波長水平，由此限制了太赫茲波成像技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。要提高太赫茲成像系統(tǒng)的空間分辨率，目前可行的途徑之一是采用太赫茲近場成像技術(shù)，其原理是利用太赫茲倏逝波來突破衍射極限。但太赫茲倏逝波的強(qiáng)度隨其傳播距離的增加呈指數(shù)式衰減，傳播距離只在一個(gè)波長以內(nèi)，導(dǎo)致太赫茲近場成像信號無法直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場探測；另外，太赫茲近場成像要求被測樣品緊貼成像系統(tǒng)探針，這對成像系統(tǒng)掃描控制精度、樣品制備等方面提出較高的要求。因此，太赫茲近場成像技術(shù)的應(yīng)用范圍非常有限。為了獲得遠(yuǎn)場探測條件下的太赫茲超衍射極限成像分辨率，近幾年人們在成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能材料研究方面也做了一些嘗試。例如，申請?zhí)枮?01320594920.1的實(shí)用新型專利公開了一種太赫茲波遠(yuǎn)場探測超衍射分辨成像儀。但相比于太赫茲近場成像，太赫茲遠(yuǎn)場超衍射極限成像目前公開的學(xué)術(shù)或?qū)＠晒允钟邢?，其重要原因之一是缺乏太赫茲遠(yuǎn)場超衍射極限器件的研究。本發(fā)明提出一種超衍射極限太赫茲聚焦器件，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)場太赫茲輻射超衍射極限聚焦，從而解決傳統(tǒng)遠(yuǎn)場太赫茲成像中難以突破衍射極限達(dá)到亞波長空間分辨率的技術(shù)問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于：提供一種可對生物組織等樣品成像達(dá)到亞波長水平的空間分辨率的超衍射極限太赫茲聚焦器件。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種超衍射極限太赫茲聚焦器件，其包括上層圖形化金屬層和下層太赫茲高透材料襯底；所述上層圖形化金屬層包括可透過太赫茲輻射的圓環(huán)或可透過太赫茲輻射的圓盤。其中，所述圓環(huán)為多個(gè)可透過太赫茲輻射的同心圓環(huán)，所述同心圓環(huán)的數(shù)量為1至10000個(gè)，最外層圓環(huán)的內(nèi)半徑不大于1000000μm，最內(nèi)層圓環(huán)的外半徑不低于5μm，最外層圓環(huán)的外半徑不大于1000000μm。其中，每個(gè)圓環(huán)的寬度不低于5μm。其中，同心圓環(huán)數(shù)≥2時(shí)，相鄰兩個(gè)同心圓環(huán)之間的寬度不低于5μm。其中，所述最內(nèi)層圓環(huán)內(nèi)設(shè)有可透過太赫茲輻射的圓盤，該圓盤半徑不小于5μm。其中，所述上層圖形化金屬層的金屬材料的電導(dǎo)率大于105S/m，所述上層圖形化金屬層的厚度為0.01μm至20μm。其中，所述下層太赫茲高透材料襯底為介電常數(shù)大于2的電介質(zhì)，所述下層太赫茲高透材料襯底的厚度為0.1μm至100000μm。其中，所述太赫茲的頻率范圍為0.1THz至10THz。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明中，該太赫茲聚焦器件包括上層圖形化金屬層和下層太赫茲高透材料襯底，使太赫茲聚焦器件的結(jié)構(gòu)簡單；上層圖形化金屬層材料可以選用常見金屬，無論采用何種沉積方法，只要不破壞襯底材料即可，沉積所得到的連續(xù)金屬薄膜可采用成熟的微細(xì)加工技術(shù)(如光刻或電子束刻蝕)或其它薄膜加工技術(shù)來獲得帶同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)的薄膜，并且對微細(xì)加工工藝的加工精度要求不高，器件的生產(chǎn)工序簡單、工藝難度低、制備成本低；通過在上層圖形化金屬層上設(shè)置同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，在對生物組織等樣品進(jìn)行成像時(shí)太赫茲輻射透過同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)之后形成亞波長量級聚焦光斑，使由采用該太赫茲聚焦器件的太赫茲成像系統(tǒng)對生物組織等樣品成像時(shí)能夠達(dá)到亞波長水平的空間分辨率，且由于非焦斑區(qū)域的信號影響小，還能夠獲得信噪比、對比度高的成像質(zhì)量。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例一中的超衍射極限太赫茲聚焦器件示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例一中的超衍射極限太赫茲聚焦器件過同心環(huán)中心的XZ面的電場強(qiáng)度分布圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例一中的超衍射極限太赫茲聚焦器件在z＝2615μm處的XY面上的電場功率分布二維圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例一中的超衍射極限太赫茲聚焦器件在z＝2615μm處的XY面上的電場功率分布三維圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例一中的超衍射極限太赫茲聚焦器件在z＝2615μm處的焦斑在X軸方向上的電場功率分布曲線(該曲線過電場功率極大值點(diǎn))；圖6為本發(fā)明實(shí)施例一中的超衍射極限太赫茲聚焦器件在z＝2615μm處的焦斑在Y軸方向上的電場功率分布曲線(該曲線過電場功率極大值點(diǎn))；圖7為本發(fā)明實(shí)施例二中的超衍射極限太赫茲聚焦器件在z＝2545μm處的焦斑在Y軸方向上的電場功率分布曲線(該曲線過電場功率極大值點(diǎn))；圖8為本發(fā)明實(shí)施例二中的超衍射極限太赫茲聚焦器件在z＝2545μm處的焦斑在Y軸方向上的電場功率分布曲線(該曲線過電場功率極大值點(diǎn))。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。一種超衍射極限太赫茲聚焦器件，其包括上層圖形化金屬層和下層太赫茲高透材料襯底。該上層圖形化金屬層包括圓環(huán)或圓盤，可通過光刻、電子束刻蝕等薄膜加工技術(shù)在上層圖形化金屬層上去除掉對應(yīng)位置的金屬形成圓環(huán)或圓盤結(jié)構(gòu)，使太赫茲輻射可通過圓環(huán)或圓盤透過上層圖形化金屬層上的金屬層。上層圖形化金屬層的圓環(huán)設(shè)置為多個(gè)可透過太赫茲輻射的同心圓環(huán)，且同心圓環(huán)的數(shù)量為1至10000個(gè)。其中，最外層圓環(huán)的內(nèi)半徑不大于1000000μm，最內(nèi)層圓環(huán)的外半徑不低于5μm，最外層圓環(huán)的外半徑不大于1000000μm。每個(gè)圓環(huán)的寬度(即該圓環(huán)內(nèi)半徑與外半徑之差)不低于5um。當(dāng)同心圓環(huán)數(shù)≥2時(shí)，相鄰兩個(gè)圓環(huán)之間的寬度(即小尺寸圓環(huán)的外半徑與相鄰的大尺寸圓環(huán)內(nèi)半徑之差)不低于5um。在最內(nèi)層圓環(huán)以內(nèi)的區(qū)域可全部設(shè)置為不可透過太赫茲輻射的區(qū)域，在最內(nèi)層圓環(huán)以內(nèi)的區(qū)域也可設(shè)置有可透過太赫茲輻射的區(qū)域。該上層圖形化金屬層的厚度為0.01μm至20μm，上層圖形化金屬層材料可以選用常見金屬，金屬材料電導(dǎo)率大于105S/m即可。對該超衍射極限太赫茲聚焦器件的實(shí)際工藝制備流程中，形成上層圖形化金屬層之前需要先沉積一層連續(xù)金屬膜(厚度為0.01μm至20μm)，沉積方法無嚴(yán)格限制(只要沉積方法不破壞襯底材料即可)，沉積得到連續(xù)金屬薄膜之后可采用成熟的微細(xì)加工技術(shù)如(光刻或電子束刻蝕)或者其它薄膜加工技術(shù)來加工得到上層圖形化金屬層。下層太赫茲高透材料襯底為介電常數(shù)大于的電介質(zhì)，且下層太赫茲高透材料襯底的厚度為0.1μm至100000μm。對材料無特殊要求，只需要與上層圖形化金屬層的加工工藝兼容，對太赫茲輻射具有較高的透過率。該太赫茲聚焦器件可適用的太赫茲的頻率范圍為0.1THz至10THz。實(shí)施例1一種超衍射極限太赫茲聚焦器件，該器件包括上層圖形化金屬層和下層太赫茲高透材料襯底。其中上層圖形化金屬層采用金作為材料，上層圖形化金屬層電導(dǎo)率為4.5×107S/m，上層圖形化金屬層的厚度為0.2μm。上層圖形化金屬層由13個(gè)能夠透過太赫茲輻射的同心圓環(huán)組成(其中中心圓環(huán)的內(nèi)外半徑同為1856.3μm，因此是一個(gè)半徑為1856.3μm的不透太赫茲輻射的金屬薄膜圓盤)，表1羅列了每個(gè)透過太赫茲輻射的圓環(huán)內(nèi)外半徑尺寸，這些尺寸參數(shù)表明最內(nèi)層圓環(huán)以內(nèi)的區(qū)域都設(shè)置為不透過太赫茲輻射的金屬圓盤。下層太赫茲高透材料襯底采用厚度為1mm的SiO2晶體襯底。表1實(shí)施例一中透射太赫茲輻射的圓環(huán)內(nèi)外半徑尺寸，長度單位均為微米。序號內(nèi)半徑外半徑序號內(nèi)半徑外半徑11856.31856.3829703081.421930.52004.893118.53155.632153.32227.5103229.93304.142301.82338.9113341.33378.452524.52598.8123415.53452.6626732710.1133489.83526.972784.42858.6將該實(shí)施例中的器件結(jié)構(gòu)經(jīng)商業(yè)軟件CSTMicrowaveStudio2013時(shí)域求解器對其太赫茲輻射的透射特性進(jìn)行仿真計(jì)算。波長λTHz＝100μm(對應(yīng)的頻率為3THz)的太赫茲輻射以平面波的形式由襯底的一面(無圖形化金屬層)入射器件，電場極化方向平行于Y軸。仿真計(jì)算得到的電磁場分布如圖2所示(電磁場方向由下至上，z＝0μm位置無圖形化金屬層，z＝1000μm位置有0.2μm厚的圖形化金屬層)。結(jié)果表明透射的太赫茲電磁場分布基本沿著過同心環(huán)中心的軸向分布。我們考查z＝2615μm位置上，垂直同心環(huán)中心軸的XY平面上的太赫茲電場功率分布，如圖3所示，可以看到，太赫茲電場強(qiáng)度基本集中在中心的一個(gè)小區(qū)域，從與圖4相對應(yīng)的三維圖可以更清楚地看出中心焦斑的能量表現(xiàn)非常集中，非焦斑位置區(qū)域的太赫茲輻射功率相比于焦斑峰值強(qiáng)度弱很多。由圖5、圖6所給的數(shù)據(jù)測量該焦斑的半高寬得到的尺寸為：X方向半高寬為40μm，即0.40λTHz；Y方向的半高寬為80μm，即0.80λTHz；兩個(gè)方向的焦斑半高寬均達(dá)到了亞波長水平。因此，應(yīng)用本發(fā)明的太赫茲聚焦器件，太赫茲成像系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到亞波長水平的空間分辨力，由于非焦斑區(qū)域的信號影響小，還能夠獲得信噪比、對比度高的成像質(zhì)量。實(shí)施例2本實(shí)施例所述的太赫茲聚焦器件結(jié)構(gòu)參數(shù)及所考查的太赫茲輻射波長、焦斑位置與實(shí)施例一的不同之處在于：本實(shí)施例透射太赫茲輻射的圓環(huán)數(shù)量及內(nèi)外半徑尺寸與實(shí)施例一不同(如表2所示，這些尺寸參數(shù)表明最內(nèi)層圓環(huán)以內(nèi)的區(qū)域都設(shè)置為可透過太赫茲輻射的圓盤)；實(shí)施例一考查的入射太赫茲輻射波長為100μm，而本實(shí)施例考查的入射太赫茲波長λTHz＝118.8μm(對應(yīng)的頻率為2.52THz)；實(shí)施例一考查的焦斑位置為z＝2615μm，本實(shí)施例考查的焦斑位置為z＝2545μm；其他器件參數(shù)及CSTMicrowaveStudio2013時(shí)域求解器仿真參數(shù)與實(shí)施例一相同。如圖7、圖8所給的數(shù)據(jù)，測量本實(shí)施例位于z＝2545μm處的焦斑半高寬得到的尺寸為：X方向半高寬為51μm，即0.43λTHz；Y方向的半高寬為90μm，即0.76λTHz；兩個(gè)方向的焦斑半高寬均達(dá)到了亞波長水平。表2實(shí)施例二中透射太赫茲輻射的圓環(huán)內(nèi)外半徑尺寸，長度單位均為微米。序號內(nèi)半徑外半徑序號內(nèi)半徑外半徑1037.1131930.52004.8274.25111.4142153.32227.53148.5185.6152301.82338.94222.8259.9162524.52598.85556.95941726732710.16631.1668.3182784.42858.67742.5928.11929703081.481076.61113.8203118.53155.691150.91373.6213229.93304.1101447.91485223341.33378.4111596.41670.6233415.53452.6121707.81856.3243489.83526.9以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3