全光纖耦合式太赫茲近場探針光譜成像系統

摘要：通過對太赫茲光電導探針天線與飛秒倍頻光路進行光纖模塊化封裝，并結合光纖耦合式太赫茲光電導天線輻射源，以及自主研制設計的光纖飛秒激光光源和光纖式高速光學延時線，開發了一種全光纖耦合式太赫茲近場探針光譜成像系統，其光譜范圍覆蓋0.1～2.0 THz，動態范圍達到60 dB，光譜采樣速度高達0.1 s/譜，近場成像分辨率優于20 μm 的全光纖耦合式太赫茲近場探針光譜成像系統。得益于整套系統的全光纖結構設計，太赫茲輻射源和探針式探測器之間可以根據測量需求靈活調節而不需要重新校準光路，極大地提高了系統的工作穩定性和使用方便性。該研究為太赫茲科學研究提供了一種高性能且實用性強的太赫茲近場光譜成像測量系統。

關鍵詞：太赫茲近場；光電導探針；太赫茲時域光譜

中圖分類號：O 439 文獻標志碼：A

得益于太赫茲波的安全性、穿透性和指紋光譜識別等諸多特點，太赫茲光譜成像技術在國防、安檢、生物醫學檢測等多個領域得到了廣泛應用[1-3]。但是，受限于太赫茲的波長，傳統遠場式太赫茲成像系統的分辨率僅能達到毫米級，無法滿足某些特定的檢測需求。而太赫茲近場成像技術，則提供了一種突破衍射極限，實現微米級甚至納米級成像分辨率的方法[4-5]。

目前，已報道形成實用化商業產品的太赫茲近場成像系統主要有兩種，分別是散射式太赫茲掃描近場光學顯微系統（scattering terahertz scanningnear-field optical microscopy）和太赫茲微米探針近場成像系統。其中，德國Neaspec 公司推出的s-SNOM系統，可實現10 nm 級超高成像分辨率。但是，這種系統對工作平臺的振動影響十分敏感，需要特定的工作場所，并且對樣品的表面平整度也有較高的要求[6]。另一種基于微米光導探針的太赫茲近場成像系統則對實驗環境的要求大大降低，它不僅可以實現微米級的高成像分辨率，還能有較高的信噪比和系統穩定性[7]。該系統是將傳統遠場系統中的探測天線替換成光導探針，測樣時針尖靠近樣品的近場區域附近，探測樣品表面的倏逝波[8-9]。表1 列出了國內外已報道的太赫茲微米探針系統的主要性能指標情況。其中，由天津大學研制的太赫茲近場成像系統測量的頻譜范圍可達0.2～1.5 THz[10]。吉林大學研制了近場探針式成像系統并應用于生物樣品腦組織切片成像實驗[11]。重慶應用物理中心使用此類系統對單細胞進行成像實驗，系統信號經過平均3 s 后，信噪比達60 dB，0.17 s 可采集90 ps 的時域波形數據[12]。

以上這些已報道的光電導微米探針式太赫茲近場成像系統，其光路均包含大量的自由空間光路設計，整套系統需要工作于穩定的光學平臺，且太赫茲輻射源和探針式探測器之間無法靈活地調節（調節后需要校準光路），一定程度上制約了系統的穩定性和實用性。本文首次報道了一種光纖耦合式太赫茲近場光譜成像系統，光譜范圍覆蓋0.1～2 THz，動態范圍達到60 dB，光譜測量速度為0.1 譜/s，近場成像分辨率優于20 μm。

1 系統方案

圖1 所示為本文研制的全光纖耦合式太赫茲近場光譜成像掃描系統組成框圖，主要由：光纖飛秒激光器（fs-laser）、光纖延遲線（ODL）、光纖耦合式太赫茲光電導天線輻射源（THz-tx）、光纖耦合式太赫茲近場探測模塊（THz-probe），以及直流高壓源（HV）、前置電流放大器（TIA）和A/D 數據采集卡等組成。整套系統與傳統太赫茲時域光譜測系統構架類似[13]，實現近場光譜成像的關鍵是其中的THz-porbe 模塊，其內部光路如圖2 所示：從飛秒激光輸出的探測光（probe，中心波長1 550 nm）依次經過保偏光纖A（PMF-A）、ODL 和保偏光纖B（PMF-B）傳輸后，以FC/APC 接頭形式連接至光纖準直器（fiber collimator），形成平行光束出射至自由空間；然后經過聚焦透鏡1（ focuslens-1）匯聚入射至倍頻晶體（BBO），輸出中心波長為780 nm 的倍頻光；此倍頻光依次經過濾波片（濾除掉波長為1 550 nm 的基頻光）、聚焦透鏡2（focus lens-2）、直角棱鏡（right-angle prism）后，以聚焦光斑形式入射至太赫茲光電導探針（THz-PCAprobe）的針尖，顯微鏡照片效果見圖3。圖2 所示的整套自由空間光學系統采用精密光機微集成工藝固化封裝，最終形成圖4 所示的光纖耦合式太赫茲近場探測模塊。

上述THz-PCA probe 是德國Protemics 公司生產的TD-800-X-HR 型光電導探針。太赫茲波透過樣品后，會在樣品近表面形成倏逝波。根據倏逝波的特性可以將探測區域分為近場和遠場。在近場區域，倏逝波會隨距離的增加而快速減弱，而遠場區域無法探測到近場信息。所謂的近場成像技術就是對近場區域的倏逝波進行收集。將THz-PCA probe 的針尖放置于距樣品表面小于一個波長的距離時，能夠突破衍射極限接收到近場信息，實現突破衍射極限的超分辨率成像。探針利用光導原理進行近場信息的耦合提取[14-15]，隨后將光信號轉變成電流信號，然后經過跨阻放大器（ TIA）和A/D 采樣電路，將太赫茲電場信號傳遞給計算機進行處理。

此外，圖1 所示系統中的光纖飛秒激光器為自主研制，基于半導體可飽和吸收體的被動鎖模和啁啾脈沖放大技術，內部光路采用全光纖結構，中心波長1 550 nm，重復頻率100 MHz，采用兩端口輸出，分別用作泵浦光（ pump）和探測光（probe）。激光器內部進行了色散預補償，可以保障飛秒脈沖經過2 m 保偏光纖傳輸后，具有最佳脈寬約65 fs。其中，泵浦光（pump）經過保偏光纖C（PMF-C）傳輸至光纖耦合式太赫茲光電導發射天線（制造商：德國HHI 研究所，型號：PCA-TD-100-TX-1），到達太赫茲光電導發射天線的飛秒光功率為30 mW，脈寬62 fs，測試結果如圖5 所示。

系統中使用的光纖延遲線內部采用自主研制的高精度、高速導軌運動機構驅動角錐反射鏡的往返移動來實現光學延時掃描，最大延時掃描范圍超過400 ps， 全程延時掃描時的插損損耗約（0.7±0.1） dB，實測插損曲線如圖6 所示。該延遲線在64 ps 范圍的掃描速率可以達到10 Hz，因此可以實現太赫茲時域波形的實時采集。

2 測試結果

圖7 所示為本文研制的全光纖耦合式近場探針光譜成像系統的測試結果。該結果以室內空氣為樣品，探針針尖與太赫茲輻射源之間的間距為50 mm，環境溫度25 ℃，濕度37%。Real-time 表示實時波形，測量時間為0.1 s；Average 表示1 000次平均后的波形。從圖7（b） 中可以看到，經過平均后的頻譜曲線，頻譜寬度覆蓋0.1～2.0 THz，峰值動態范圍大于60 dB。

由于本方案中的太赫茲近場探測模塊采用光纖耦合方式，因此可以很方便地對探針探測模塊進行三維移動，從而測量得到太赫茲光電導天線輻射源的空間場強分布情況。圖8 （a） 所示為將探針模塊安裝于精密三維移動臺上，在XY 平面以0.1 mm 為步進進行掃描，根據每一個位置測量得到的太赫茲時域波形信號峰值的平方值，繪圖得到的太赫茲光斑二維強度分布圖。從圖8 （a） 可以看出：太赫茲輻射源的出射光斑并未理想的圓光斑，而是呈現橢圓形狀；從圖8 （b） 所示的X=0 和Y=0 的強度分布曲線可以更加直觀的看出：太赫茲光斑在水平和垂直方向的半高寬度（ full width athalf maximum，FWHM）分別約為2.5 mm 和1.6 mm。

根據太赫茲時域光譜系統的采樣原理， 對圖7 （a） 所示太赫茲時域波形進行FFT 變換，即可得到不同頻率的強度和相位信息。作為示例，圖9 給出了在頻率f 分別為0.25，0.5 和1 THz 時的XY 和XZ 二維相位分布圖，可以直觀地看出：太赫茲輻射源的光斑在XY 平面呈現近似圓光斑，且頻率越高光斑直徑越小；在XZ 平面明顯呈現近似水平的等間距條紋變化，表明了太赫茲輻射源的近似平行光傳輸特性。

為了檢驗系統的近場成像分辨率， 本文對圖10 （a） 所示的寬度為20 μm、周期為40 μm 的金屬條光柵樣品進行了太赫茲成像測試。為了保證屬于近場成像模式，探針與樣品表面的間距（即圖1 中標示的尺寸g）盡可能小。成像時保持探針靜止，將樣品進行二維掃描運動，橫向和縱向掃描步進長度分別設置為4 μm 和0.2 mm，利用每個位置點獲得的頻譜曲線在1 THz 位置的強度值繪圖，得到成像結果如圖10 （b） 所示：可以清晰地分辨樣品的金屬光柵周期結構，表明系統的成像分辨率優于20 μm。實際上，進一步縮小探針與樣品表面的間距g，理論上能獲得更高的成像分辨率。

3 結 論

本文報道了一種全光纖耦合式太赫茲近場探針光譜成像系統。光譜范圍覆蓋0.1～ 2.0 THz，動態范圍達到60 dB，光譜采樣速度高達0.1 s/譜，近場成像分辨率優于20 μm。不同于已報道的自由空間光路結構的太赫茲近場探針成像系統，本系統采用了全光纖結構設計，太赫茲輻射源和探針式探測器之間可以根據測量需求靈活調節而不需要重新校準光路，極大地提高了系統工作的穩定性、實用方便性。此外，值得說明的是：為了滿足對不同偏振態下的太赫茲電場測量需求，本文所設計的光纖耦合式太赫茲近場探針探測模塊中，其光電導探針部分的設計采用了可拆卸式光機設計方案，使用者可以方便地更換探測探針。本文的研究為太赫茲科學研究提供了一種高性能且實用性強的太赫茲近場光譜成像測量系統。

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（編輯：黃娟）

基金項目：國家重點研發計劃（2019YFC0810900）；上海市“科技創新行動計劃”社會發展科技攻關項目（22dz1200302）