一種基于金屬微納結構的太赫茲波超分辨成像系統及方法與流程

本發明屬于物理學領域，涉及一種成像系統，具體來說是一種基于金屬微納結構的太赫茲波超分辨成像系統及方法。

背景技術：

自從第一套太赫茲成像系統搭建以來，太赫茲成像廣闊的應用領域和巨大的應用價值引起了國內外專家學者的普遍關注，時域光譜成像、連續波成像、太赫茲實時成像等技術也都成為研究的熱門課題。太赫茲波可以穿透衣料、塑料、紙張等材料，即使對可見光不透明物體也可以進行透視成像，而且其光子能量比較低，不會引起電離作用，因此成為一種十分安全的成像技術。

傳統的太赫茲成像設備，將被測樣品放置在二維平移臺上，確保在平移過程中，可以實現太赫茲波對樣品整個表面的照射。然后將被測樣品固定在圖1中所示的太赫茲波焦點處，利用太赫茲探測器測量并記錄太赫茲波的電場信息和強度信息；分別沿水平和垂直方向移動二維平移臺，使得太赫茲波照射到樣品的不同表面處，并分別記錄太赫茲波經過樣品表面每一處的太赫茲波電場信息和強度信息；將記錄下的太赫茲波電場信息或強度信息與樣品表面的位置信息相對應，即可呈現出被測樣品的像。此成像過程中的分辨率主要由太赫茲光斑大小決定。由于太赫茲波長較長，光斑較大，因此，分辨率低。

目前太赫茲成像系統存在分辨率低的缺陷。傳統的透鏡或是拋物面鏡聚焦，分辨率最好達到毫米量級；利用飛秒光絲產生太赫茲波，分辨率在亞毫米量級。因此，太赫茲波成像技術的分辨率需要進一步提高。

技術實現要素：

針對現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種基于金屬微納結構的太赫茲波超分辨成像系統及方法，所述的這種基于金屬微納結構的太赫茲波超分辨成像系統及方法要解決現有技術中的太赫茲成像系統分辨率低的技術問題。

本發明提供了一種基于金屬微納結構的太赫茲超分辨成像系統，包括用于發射太赫茲波的太赫茲輻射源，所述太赫茲輻射源的后側設置有第一太赫茲透鏡，所述第一太赫茲透鏡的后側設置有金屬微納結構，所述金屬微納結構的后側設置有第二太赫茲透鏡，所述第二太赫茲透鏡的后側設置有第三太赫茲透鏡，所述第三太赫茲透鏡的后側設置有第四太赫茲透鏡，所述第三太赫茲透鏡和第四太赫茲透鏡之間設置有用于放置待測樣品的平臺，所述第四太赫茲透鏡的后側設置有太赫茲探測器。

進一步的，所述太赫茲輻射源為半導體天線、或光整流晶體或飛秒激光源。

進一步的，所述的金屬微納結構是指顆粒直徑在100nm以下的金屬結構，所述的金屬為任意一種金屬材料。

本發明還提供了采用上述的系統對樣品進行成像的方法，包括如下步驟：

步驟1，將金屬微納結構和待測樣品移出成像系統，利用太赫茲探測器記錄此時的太赫茲波強度，作為基底強度信息；

步驟2，將待測樣品放置在待測樣品的平臺上，確保在平移過程中，實現太赫茲波對樣品整個表面的照射，然后將待測樣品固定在第三太赫茲透鏡和第四太赫茲透鏡之間的焦點處，通過調節待測樣品的平臺，使太赫茲波照射在待測樣品表面的確定位置，記錄此處的位置信息，同時，利用太赫茲波探測器測量并記錄太赫茲波的強度信息；

步驟3，固定此時的待測樣品位置，將金屬微納結構放置在二維平移臺上，所述金屬微納結構放置于第一太赫茲透鏡和第二太赫茲透鏡之間，確保在平移過程中，金屬微納結構與整個太赫茲波光斑相互作用，在此基礎上，首先固定待測樣品的平臺的位置，使金屬微納結構與太赫茲波光斑的任一處相互作用，并記錄下金屬微納結構在太赫茲光斑中的位置信息；然后利用太赫茲探測器測量并記錄此時的太赫茲波強度信息；沿水平和垂直方向移動待測樣品的平臺，分別記錄金屬微納結構與太赫茲光斑不同位置處相互作用時的強度信息，將此時記錄下的強度信息與位置信息相對應；

步驟4，完成步驟3之后，將金屬微納結構移出系統；

步驟5，移動固定待測樣品的平臺，使焦點處的太赫茲光斑照射到待測樣品的下一個位置，記錄此時的位置信息，并利用太赫茲探測器測量并記錄太赫茲波的強度信息；

步驟6，重復進行步驟3，直到完成金屬微納結構與整個太赫茲光斑的相互作用，記錄每一處的位置信息和太赫茲波強度信息，將其相對應；

步驟7，繼續移動固定待測樣品的待測樣品的平臺，使第三太赫茲透鏡和第四太赫茲透鏡之間的焦點處的太赫茲光斑完成對整個待測樣品的掃描，在每一位置處重復進行步驟3的過程；

步驟8，將金屬微納結構與太赫茲波相互作用后照射到待測樣品上的位置信息以及探測到的太赫茲強度信息相對應，還原出待測樣品的像；

通過以上步驟實現太赫茲波對待測樣品的超分辨成像過程。

本發明的原理是：太赫茲輻射源發射太赫茲波，太赫茲輻射源可以為半導體天線，或光整流晶體（碲化鋅、磷化鎵等），亦可為超快飛秒激光在空氣中聚焦成絲發射太赫茲波。太赫茲波經過第一太赫茲透鏡將產生的太赫茲脈沖聚焦到金屬微納結構，此微納結構通常指尺寸在100nm以下的微小結構，也就是以納米尺度的物質單元為基礎，按一定規律構筑或組裝的新體系，包括一維、二維、三維體系，這些物質單元包括納米微粒、穩定的團簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。眾所周知，金屬納米顆粒在外電磁場作用下，其費米能級附近導帶上的自由電子產生集體震蕩，金屬顆粒周圍局域場強發生明顯變化。在此系統中，太赫茲波作為一種外加電場與金屬微納結構相互作用，使得太赫茲電場強度發生變化。此相互作用發生的空間尺寸由金屬微納結構的尺寸決定。將經過金屬微納結構的太赫茲波重新收集并匯聚到樣品表面，然后利用太赫茲透鏡將經過樣品的太赫茲波輸入到太赫茲波探測器，探測太赫茲強度變化。

本發明和已有技術相比，其技術進步是顯著的。本發明結構簡單，分辨率高，成像清晰。

附圖說明

圖1為現有技術采用的成像系統。

圖2為本發明實施例的成像系統。

圖3為本發明成像系統的原理圖。

具體實施方式

下面結合實施方式及附圖對本發明作進一步詳細、完整地說明。

如圖2所示，一種基于金屬微納結構的太赫茲超分辨成像系統，包括用于發射太赫茲波的太赫茲輻射源1，所述太赫茲輻射源1的后側設置有第一太赫茲透鏡2，所述第一太赫茲透鏡2的后側設置有金屬微納結構3，所述金屬微納結構3的后側設置有第二太赫茲透鏡4，所述第二太赫茲透鏡4的后側設置有第三太赫茲透鏡5，所述第三太赫茲透鏡5的后側設置有第四太赫茲透鏡6，所述第三太赫茲透鏡5和第四太赫茲透鏡6之間放置待測樣品8，所述第四太赫茲透鏡6的后側設置有太赫茲探測器7。所述太赫茲輻射源1為半導體天線或光整流晶體或飛秒激光源。

對樣品進行超分辨成像的整個過程分以下幾個步驟實現：

步驟1，在圖2所示示意圖中，將金屬微納結構3和待測樣品8移出成像系統，利用太赫茲探測器7記錄此時的太赫茲波強度，作為基底強度信息；

步驟2，將待測樣品8放置在二維平移臺上，確保在平移過程中，可以實現太赫茲波對樣品整個表面的照射。然后將待測樣品8固定在圖2中所示的第三太赫茲透鏡5和第四太赫茲透鏡6之間的焦點處，通過調節二維平移臺，使太赫茲波照射在待測樣品8表面的確定位置，記錄此處的位置信息，同時，利用太赫茲波探測器7測量并記錄太赫茲波的強度信息；

步驟3，固定此時的待測樣品8位置，將金屬微納結構3放置在二維平移臺上，所述金屬微納結構放置于第一太赫茲透鏡和第二太赫茲透鏡之間，確保在平移過程中，金屬微納結構3可以與整個太赫茲波光斑相互作用。在此基礎上，首先固定二維平移臺的位置，使金屬微納結構3與太赫茲波光斑的任一處相互作用，并記錄下金屬微納結構3在太赫茲光斑中的位置信息；然后利用太赫茲探測器7測量并記錄此時的太赫茲波強度信息；沿水平和垂直方向移動二維平移臺，分別記錄金屬微納結構3與太赫茲光斑不同位置處相互作用時的強度信息，將此時記錄下的強度信息與位置信息相對應。

步驟4，完成步驟3之后，將金屬微納結構3移出系統；

步驟5，移動固定待測樣品8的二維平移臺，使焦點2處的太赫茲光斑照射到待測樣品8的下一個位置，記錄此時的位置信息，并利用太赫茲探測器7測量并記錄太赫茲波的強度信息；

步驟6，重復進行步驟3，直到完成金屬微納結構3與整個太赫茲光斑的相互作用，記錄每一處的位置信息和太赫茲波強度信息，將其相對應；

步驟7，繼續移動固定待測樣品8的二維平移臺，使第三太赫茲透鏡5和第四太赫茲透鏡6之間的焦點處的太赫茲光斑完成對整個待測樣品8的掃描，在每一位置處重復進行步驟3的過程；

步驟8，將金屬微納結構3與太赫茲波相互作用后照射到待測樣品8上的位置信息以及探測到的太赫茲強度信息相對應，還原出待測樣品8的像。

通過以上步驟可以實現太赫茲波對待測樣品8的超分辨成像過程。傳統太赫茲成像過程中，由于太赫茲波長在毫米量級，因此，受衍射極限限制，成像過程中能達到的分辨率為毫米量級。金屬微納結構的加入，使該過程的成像分辨率達到納米量級。

附圖3為基于金屬微納結構的太赫茲超分辨成像原理圖。圖中太赫茲光斑指被聚焦后形成的太赫茲波光斑9，此太赫茲光斑9可以由半導體天線、光整流晶體、激光成絲發射的太赫茲波通過一對拋物面鏡或太赫茲波透鏡匯聚。由于太赫茲波波長較長，經過匯聚之后的太赫茲波光斑9較大，限制了成像過程中的分辨率提高。圖中金屬微納結構3是指尺度在納米量級的金屬結構，可以為納米微粒、穩定的團簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及不同形狀、不同金屬材料的納米結構。此金屬納米結構與太赫茲電場相互作用，由于太赫茲電場的激發作用，使得金屬結構內的自由電子發生運動，此時作為驅動源的太赫茲電場強度信息發生變化，由于金屬微納結構3的尺寸在納米量級，因此可以準確記錄下在金屬微納結構3處引起的太赫茲電場強度變化。

通過引入金屬微納結構3，將成像過程中的分辨率由太赫茲光斑尺寸降低到納米量級，分辨率提高了幾個數量級。

同時本發明上述實施例僅為說明本發明技術方案之用，僅為本發明技術方案的列舉，并不用于限制本發明的技術方案及其保護范圍。采用等同技術手段、等同設備等對本發明權利要求書及說明書所公開的技術方案的改進應當認為是沒有超出本發明權利要求書及說明書所公開的范圍。