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《光学学报》2023年第06期封面故事二:太赫兹近场超分辨成像,不断突破衍射极限

已有 1069 次阅读 2023-3-29 15:14 |系统分类:论文交流

编者按

      《光学学报》依托中国光学学会优质资源,将持续组织策划“中国光学学会光学科技奖”专辑,以更好地介绍中国光学学会光学科技奖相关成果的最新研究现状和未来发展方向。目前,“2021年度中国光学学会光学科技奖”专辑已正式出版。

       本文来源于2021年度中国光学学会光学科技奖一等奖获得者——南开大学刘伟伟教授课题组,文中从THz近场超分辨成像技术的基本原理、发展历程与技术路线出发,多方位总结了各种近场太赫兹成像技术的优势和不足,被选为《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”SAME专题刊2023年第6期封底文章。

封面解读

      封面从微观角度描述了两种THz超分辨成像方案,分别是散射探针THz近场成像和人工表面等离子激元探针THz近场成像,其核心原理图分别位于封面上/下两部分。前者展示了散射针尖-样品表面系统对THz波段的响应;后者展示了THz脉冲在人工表面等离子激元结构的聚焦过程。以上两种技术的成像分辨率不再受THz波长限制而是取决于探针针尖尺寸,能够获得~10 nm级别成像分辨率,故其在空间通信、雷达探测、航天航空以及生物医疗等领域有潜在的应用价值。

文章来源张泽亮, 齐鹏飞, 郭兰军, 张楠, 林列, 刘伟伟. 太赫兹超分辨近场成像方法研究综述[J]. 光学学报, 2023, 43(6): 0600001

 

背景介绍

 

      太赫兹(THz)辐射频率处于电子学和光学频率之间,因此具备多种光电子特性。THz成像作为THz辐射最重要的应用方面,在国防、通信、生物、医学和材料有着巨大应用潜力。

      THz 时域光谱系统(THz-TDS)被广泛用于角膜含水量测量、角膜瘢痕成像、蛋白浓度检测和细胞标志物检测等。然而受限于衍射极限存在,THz成像分辨率一般被限制在毫米量级。近场光学成像技术使用空间尺度极小探针直接探测样品表面亚波长尺度细节,可有效突破衍射极限,是实现THz超分辨成像的重要路径。

      目前,根据探针工作方式的区别,THz近场成像技术可分为孔径探针THz近场成像和散射探针THz近场成像。孔径探针THz近场成像方案需要平衡空间分辨率、截至频率和近场耦合效率之间关系,其成像分辨率仍无法突破至nm量级。散射探针THz近场成像分辨率与探针几何结构和探针-样品表面距离有关,截至目前其成像分辨率可以突破至0.3 nm。

      本文综述了THz超分辨成像的基本原理及最新进展,围绕孔径探针和散射探针两种主流的THz近场成像技术,详述其在成像原理、成像质量与成像分辨率等方面的突破,并对THz超分辨成像做出总结与展望。

图1 THz近场成像及其应用场景

 

孔径探针

 

      孔径探针THz近场成像主要利用亚波长结构形成THz辐射源或THz探测器在近场范围内扫描样品表面提升成像空间分辨率。依据孔径类型分类,孔径探针THz近场成像共有四种技术路线,分别是物理孔径、动态孔径、人工表面等离子激元和近场天线。

物理孔径探针

      通常为锥形波导,可以将THz辐射局域成亚波长THz辐射源并扫描样品,提升空间分辨率。其优势在于:结构简单制备容易,可根据THz源设计波导几何结构提升THz耦合效率。

图2 锥形物理孔径THz近场成像示意图

动态孔径THz成像系统

      主要有两种实现方式。一种是基于光泵浦方案,该方案激发半导体材料形成特定分布的载流子,进而调制THz空间分布。另一种是基于飞秒激光成丝方案,该方案应用光丝对THz辐射强束缚作用,或是应用交叉光丝,形成动态微孔调制THz空间分布。动态孔径技术优势在于,一方面可以和压缩感知技术结合在保证空间分辨率情况下极大提升成像速度,另一方面基于飞秒激光光丝可以进一步提升成像分辨率至20 μm。

图3 交叉光丝形成动态孔径实现THz近场成像

人工表面等离子激元器件

      表面具有周期结构,通过改变材料表面等效介电常数实现THz波近场聚焦。常规调制方案包括金属锥形结构聚焦探针、金属周期结构THz超透镜和石墨烯THz超透镜等;其适用波长范围广、聚焦效率高具有一定的应用前景,尽管目前还处于实验室阶段,但是随着THz器件加工技术逐渐发展,相信在不久的将来其实用性会得到提升。

图4 人工表面等离子激元器件实现THz近场成像

近场THz天线

      这是一种微型近场THz探测器,优势为在提升空间分辨率同时能够保证时间分辨率,另一方面THz近场天线可以被集成至片上,拓宽了其使用场景。

图5 近场天线实现THz近场成像

散射探针

      散射探针THz近场成像系统,是通过测量探针与样品表面在外场作用下的近场耦合效应反映样品表面信息。其适用于宽谱THz光源,成像空间分辨率与探针几何结构和探针-样品表面间距有关最高可以达到0.3 nm量级。由于背景散射信号强度远大于近场散射信号强度,散射探针THz近场成像系统主要技术难点在于信号收集与提取。

      目前,较为成熟的近场散射信号提取技术包括:自零差方案、正交零差方案、伪外差方案和合成光学全息方案等。在保障扫描时间的前提下,伪外差方案成像对比度高且具备相位分辨能力,因此被广泛采用。

      散射探针THz近场成像系统通常使用扫描隧道显微镜或者原子力显微镜作为提供近场条件的媒介,可将探针针尖与样品表面间距精确控制在20 nm范围内。

 

基于扫描隧道显微镜的散射THz近场成像系统

 

      优势:1)其空间分辨率最高可以提升至0.3 nm;2)基于扫描隧道显微镜增强隧穿电流原理,可以增强近场散射信号。

缺点:扫描隧道显微镜是通过测量针尖与样品表面隧穿电流实时反馈控制针尖与样品表面间距,故此种方案不适用于不导电样品。

图6 基于扫描隧道显微镜搭建的近场成像系统及其一维扫描结果图

 

基于原子力显微镜的散射THz近场成像系统

 

      原子力显微镜,因其和扫描隧道显微镜类似,具有卓越的空间分辨能力,是搭建散射探针THz近场成像系统的主力设备,同时能够通过检测针尖与样品之间相互作用反馈控制针尖和样品间距,故该系统可以适用于多种样品。

图7 基于原子力显微镜搭建的近场成像系统及其扫描结果图

      散射探针THz近场成像不仅可以将THz成像分辨率提升至nm量级,还可以被应用于检测样品表面载流子运动。与光学波段和红外波段成像技术相比,有掺杂的半导体或者半金属材料对THz波段更加敏感,因此散射探针THz近场成像技术还被应用在nm量级表征载流子数目和分布情况。

 

总结与展望

 

      随着强THz产生技术和高灵敏THz探测技术的不断发展,超分辨THz成像技术得到了长足发展。孔径探针和散射探针THz成像方案各有侧重,在不同领域得到广泛应用。

      根据以上总结,从应用角度出发对近场THz成像技术作出展望:

(1)成像速度。目前大多数超分辨THz成像方案都是采用逐点扫描模式,尽管成像分辨率得到很大提升,但是成像速度较慢。

(2)装置集成化与轻量化。高效的桌面式近场THz成像系统能够助力此项技术得以推广。

(3)样品多样性。目前,nm量级THz近场成像技术主要被应用于材料学研究,未来可以充分发挥THz辐射优势,将检测样品扩展至生物大分子甚至活体。

(4)大范围成像。未来可以在平衡成像质量与成像速度前提下,实现nm量级大范围样品成像。

综上所述,本文概括了超分辨近场成像技术的多个技术指标,分别是空间分辨率、时间分辨率、相位分辨能力、成像速度、成像对比度和装置复杂性。在保证空间分辨率的前提下,提升其他技术指标仍然任重而道远。

 

特邀专家介绍

刘伟伟,受聘南开大学“杰出教授”岗位、博士生导师,现代光学研究所所长,《中国激光》编委。兼任国务院学位委员会学科评议组成员、美国光学学会会士、中国光学学会常务理事、天津市光学学会副理事长、天津市激光技术学会副理事长等。科研工作聚焦超快光子学,融合太赫兹技术前沿科技,开展多维跨尺度光传输机制、调控与应用技术研究,开发大气污染监测、无损检测、生物光谱成像等领域新技术与高端光学仪器。主持国家重点研发计划、载人航天工程、国家自然科学基金等项目30多项;发表200多篇学术论文,引用9000多次,H因子52,多次被遴选为封面文章、年度亮点论文等,并入选中国光学十大进展;授权发明专利20多项;第一完成人获中国光学学会光学科技奖一等奖、天津市自然科学一等奖、天津市科技进步一等奖、天津市技术发明二等奖、天津市专利金奖等,成果应用于天宫一号、二号、大气一号等重大工程,被中央电视台等媒体广泛报道。2007年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,荣获霍英东教育基金会青年教师基金资助;2011年获中国光学学会“王大珩光学奖-中青年科技人员光学奖”;2015年入选全国首届最美青年科技工作者;2018年获天津市有突出贡献专家;2020年获全国最美科技工作者推荐人物。

 

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