用于提取近場太赫茲信號的偽零差干涉探測系統(tǒng)及探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太赫茲(THz)探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)的 用于近場THz信號提取的偽零差探測裝置，還涉及一種用于近場THz信號提取的偽零差探測 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] THz波段是電磁圖譜中人們認識最晚的一個頻段，這個波段的實驗和研究已經(jīng)成 為認識物質(zhì)本質(zhì)的新手段，當然，研究還有待于借助更加先進的儀器，更加實用的裝置、更 加精準的方法進行逐步深入。傳統(tǒng)的光學遠場成像由于光學衍射極限的限制，分辨率被限 制在入射光學波長的一半，不能獲得更高的分辨率。要在THz波段獲得微米乃至納米級的分 辨率還有賴于近場設(shè)備的研發(fā)，THz近場掃描顯微鏡(THz-SNOM)是目前介觀尺度下THz研究 物質(zhì)性質(zhì)的主要工具，也是國際前沿的研究熱點。
[0003] THz-SNOM面臨的主要技術(shù)問題是近場信號的提取問題，目前現(xiàn)有的技術(shù)并不能在 低成本的條件下完成近場信號的有效提取和分析，以針尖背散射式THz-SNOM為例，由于所 要提取的信號是原子力顯微鏡(AFM)針尖散射的針尖與樣品點形成的偶極子激發(fā)的THz波， 近場信號強度非常有限，不便于處理?，F(xiàn)有的干涉技術(shù)需要借助于高壓(幾千伏）、超大范圍 移動(幾百微米）、高工作頻率(幾千赫茲）的壓電陶瓷管及其促動器，這無疑增加了這種技 術(shù)的實現(xiàn)難度和實現(xiàn)成本。因此提出一種快速有效的、技術(shù)實現(xiàn)難度低的、具有良好工作性 能的，能與之相匹配的弱信號提取技術(shù)來完成弱信號的幅值和相位的提取，并且有完整算 法匹配的新型探測結(jié)構(gòu)和裝置成為近場THz設(shè)備研究中亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明提供了一種基于邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)的用 于近場THz信號提取的偽零差探測裝置，并且提出了與之對應匹配的探測方法和算法，從而 解決了 THz-SNOM中近場信號的高指標和低成本探測問題，為其技術(shù)實現(xiàn)提供了新的途徑。
[0005] 為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0006] 本發(fā)明包括THz功率探測、鎖相放大器、THz波分束鏡、斬波器、THz反射鏡、AFM針 尖、函數(shù)發(fā)生器;THz功率探測器與THz波分束鏡連接，THz波分束鏡與斬波器連接，斬波器與 THz反射鏡連接;THz功率探測器與鎖相放大器連接，鎖相放大器與函數(shù)發(fā)生器連接;THz波 分束鏡與AFM針尖連接，AFM針尖與函數(shù)發(fā)生器連接;斬波器與函數(shù)發(fā)生器連接；由THz源發(fā) 出的THz輻射經(jīng)過半透半反的分束鏡分為反射的參考光束和透射的信號光束，其中參考光 束經(jīng)斬波器斬切調(diào)制后被參考路末端的反射鏡反射再次經(jīng)過分束鏡到THz功率探測器中； 另一路信號光束經(jīng)離軸拋物面鏡匯聚后照射到由壓電陶瓷驅(qū)動的高頻振動的AFM針尖上， 然后再由離軸拋物面鏡接收帶有樣品信息的AFM針尖的后向散射的非常弱的THz光束;最后 離軸拋物面鏡收集的后向散射的THz光束和分束鏡透射的反向的參考THz光束形成干涉光 束，干涉光束由THz探測器進行探測，其輸出信號經(jīng)由鎖相放大器高頻諧波解調(diào)提取后交由 上位機進行處理，從而得知近場中與樣品相關(guān)的信號變化，得到對應樣品的指紋。
[0007] 所述的離軸拋物面鏡為鍍金的離軸拋物面鏡。
[0008] 本發(fā)明通過函數(shù)發(fā)生器的三路同步輸出同時控制AFM針尖、斬波器和鎖相放大器 參考源，實現(xiàn)了信號的同步提取，能夠準確地獲取針尖-樣品偶極子系統(tǒng)激發(fā)出的電磁波所 攜帶的信息，通過THz功率探測器后再將鎖相放大器獲得的相位和幅值信息交由上位機處 理就可以獲得樣品的高分辨的電磁圖譜，這樣就達到了 THz近場信號的低成本、低操作難 度、高質(zhì)量探測的目的。
[0009] 所述THz功率探測器為液氮冷卻的超低溫狀態(tài)下工作的熱力學探測器，具有極高 的探測靈敏度和響應度，可探測功率較小的紅外或THz輻射。
[0010]所述鎖相放大器為中頻或射頻波段的高頻鎖相放大器(400KHZ以上），能夠完成 AFM針尖振動頻率和斬波器頻率的差或和的高次諧波探測。
[0011]所述THz波分束鏡可完成THz波的透射和反射，可選用不同的電阻率硅片完成不同 的分束比，是干涉結(jié)構(gòu)的中心。
[0012] 所述斬波器安放在干涉結(jié)構(gòu)的參考臂上，完成參考THz波束的斬切。特別地，其扇 葉選用高吸收材料制成，如聚酯材料，或者納米結(jié)構(gòu)材料，避免了THz波在扇葉上的反射，消 除了干擾因素。
[0013] 所述THz反射鏡為干涉結(jié)構(gòu)的參考臂終端，可選用鍍金大尺寸平面反射鏡，完成參 考THz波束的高反射。
[0014] 所述AFM針尖實為AFM的核心組件，通過AFM控制器可精確地完成針尖的細微操作， 并將攜帶有樣品信息的表面波散射耦合到遠場。
[0015] 所述函數(shù)發(fā)生器完成三路同步輸出，同時控制AFM針尖、斬波器、鎖相放大器參考 源，實現(xiàn)了信號的同步提取。
[0016] 本發(fā)明之用于提取近場太赫茲信號的偽零差干涉探測方法，包括以下步驟：
[0017] 一、打開THz源，THz波束經(jīng)分束鏡分束后分為參考光束和信號光束兩路。
[0018] 二、開啟斬波器，將參考光束斬切為與斬波器旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的矩形波束。
[0019] 三、開啟AFM針尖的驅(qū)動壓電陶瓷，使針尖以一定頻率振蕩（幾十到幾百千赫茲）， 使其與待測樣品相互作用，散射出含有針尖振動頻率成分的信號光束。
[0020] 四、開啟THz功率探測器和鎖相放大器，進行高次諧波提取。
[0021] 五、通過函數(shù)發(fā)生器的三路同步輸出同時控制AFM針尖、斬波器和鎖相放大器參考 源，實現(xiàn)了信號的同步提取，能夠準確地獲取針尖-樣品偶極子系統(tǒng)激發(fā)出的電磁波所攜帶 的信息。
[0022] 六、進行掃描時同時記錄信號，完成后進行信號分析，即可完成樣品探測。
[0023] 所述的斬波器斬切出的方波表達式可以表示為
[0025]步驟二將THz光束調(diào)制成了矩形波包絡(luò)，使其有更多的頻率成分。設(shè)V代表斬波器 的旋轉(zhuǎn)頻率。可將其傳遞函數(shù)描述為(2)式的傅里葉級數(shù)形式：
[0027]設(shè)針尖散射電場，背景散射電場和參考電場分別為Es Eb Er，相位分別為A % R， 則其復振幅形式分別為盡=|^Ιεχρ〇'穴)，盡=1盡lexp(i灼),盡=1盡l exp〇>,.)，那么參考光束 被調(diào)制后的復振幅表達式為式(3)，
[0029] 步驟三使得近場成為了時間的函數(shù)，可將其表示為(4)式的形式；
[0030] Es =1^1 eJiPs = I Fn exp(n Ω?)| exp( φ5) C4 >
[0031 ] 上式中Ω表示AFM針尖的振動頻率，％表示散射電場的相位。
[0032] 那么最終在探測器中探測到的電磁波強度可表示為I = (Es+Eb+Er)(E/+Ej+E/)， 把(3)和(4)算式帶入，再通過步驟四中的鎖相放大器10濾波處理后，功率信號可用(5)式來 表達：
[0034] 上式中?"表示針尖散射場強度在η階諧波處的幅值，κ代表相關(guān)系數(shù)表示參考 光路和信號光路的相位差。
[0035] 最后確認諧波階數(shù)，即（2)式中η和m的具體值，然后通過鎖相放大器10的高次諧波 提取技術(shù)便能完成信號提取了，同時也利用了頻譜搬移原理也完成了噪聲完全抑制;若取η = 2，m=l，信號的最終表達式可用(6)式表示：
[0037] 上述操作便是對應于THz-SNOM中近場信號處理的偽零差探測方案的實施過程，通 過數(shù)據(jù)處理便能夠獲得樣品在THz波段的電磁圖。
[0038]本發(fā)明的有益效果：
[0039] 1、結(jié)構(gòu)簡單緊湊，大大優(yōu)化了近場探測裝置，提高了系統(tǒng)集成度；
[0040] 2、用斬波器對參考光束進行振幅調(diào)制，相對于現(xiàn)有技術(shù)的高壓、大行程、高頻壓電 陶瓷促動器，大大降低了操作難度和技術(shù)成本；
[0041] 3、采用偽零差裝置，豐富了信號的頻譜成分，展寬了信號頻帶，使得鎖相探測時能 夠有更多的頻率選擇。
[0042]綜上，本發(fā)明是具有快速有效、技術(shù)實現(xiàn)難度低、具有良好工作性能等特點的，能 夠完成弱信號的幅值和相位的提取的，并且有完整算法匹配的新型探測結(jié)構(gòu)和裝置，能夠 應用到近場THz設(shè)備中。
【附圖說明】
[0043]圖1為本發(fā)明的用于提取近場太赫茲信號的偽零差干涉探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0044] 請參閱1所示，本發(fā)明包括THz功率探測器3、鎖相放大器10、THz波分束鏡2、斬波器 4、THz反射鏡5、AFM針尖7、函數(shù)發(fā)生器16; THz功率探測器3與THz波分束鏡2連接，THz波分束 鏡2與斬波器4連接，斬波器4與THz反射鏡5連接;THz功率探測器3與鎖相放大器10連接，鎖 相放大器10與函數(shù)發(fā)生器16連接;THz波分束鏡2與AFM針尖7連接，AFM針尖7與函數(shù)發(fā)生器 16連接;斬波器4與函數(shù)發(fā)生器16連接；由THz源1發(fā)出的THz輻射11經(jīng)過半透半反的分束鏡2 分為反射的參考光束14和透射的信號光束12,其中參考光束14經(jīng)斬波器4斬切調(diào)制后被參 考路末端的反射鏡5反射再次經(jīng)過分束鏡2到THz功率探測器3中；另一路信號光束1