太赫兹近场扫描显微成像技术

太赫兹(Terahertz, THz)辐射通常是指频率范围处于0.1—10THz的电磁辐射，其波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。近年来，太赫兹技术得到了迅猛发展和广泛应用，成为前沿交叉学科领域之一。太赫兹波由于光子能量很低、具有非破坏性和非等离特性，使得太赫兹在材料检测和无损探测方面有着广泛应用。更为值得提出的是太赫兹成像, 特别是在生物医学方面的成像， 引起了人们的广泛关注。就目前而已，主流的成像技术包括逐点成像、实时成像、近场成像、差分成像、偏振成像等。

图1、太赫兹脉冲扫描近场成像系统

由于太赫兹辐射属于远红外辐射，其波长处于亚毫米量级，因此太赫兹光波的衍射效应限制了太赫兹成像的分辨率。在一般的太赫兹逐点成像系统和实时成像系统中，成像分辨率在毫米量级，这在一定程度上制约了太赫兹成像技术的应用。为了解决这一问题，科研人员提出了一种太赫兹近场成像系统，将太赫兹逐点成像的分辨率提高到了亚波长量级，此工作将太赫兹成像技术的性能提高到了一个新的层次。

图1展示了此实验的系统光路，太赫兹脉冲分别由光导天线产生和光电导采样探测。太赫兹脉冲在入射样品之前，首先被耦合进一个金属探针中，从探针端部出射后再经过样品。此方法属于基于孔径的扫描近场光学显微技术，太赫兹光波在样品上的光斑大小只受制于探针端口的尺寸。在此实验中，探针端口的尺寸为50µm×80µm，因此所获得的最高成像分辨率可达到55µm。从此，太赫兹近场成像技术引起了科研人员的广泛关注，目前已经成为了太赫兹成像中一个重要的研究方向。

通常所说的太赫兹近场成像是指太赫兹扫描近场光学显微技术（THz-SNOMs），其可以大致分为三种：基于孔径的THz-SNOMs，散射型的THz-SNOMs和太赫兹时域光谱SNOMs。基于孔径的THz-SNOMs是指利用尺寸较小的局域太赫兹光源照射样品，或利用尺寸较小的局域探测器探测太赫兹电场，来实现太赫兹脉冲的近场探测。散射型的THz-SNOMs是指利用一个探针接近被测样品表面，将近场太赫兹信号散射到远场进行测量。关于太赫兹时域光谱SNOMs，是根据太赫兹辐射具有亚毫米量级的波长，而将探测晶体直接放置在太赫兹电场的近场范围内，利用传统的电光采样的方法进行探测。

图2、散射式太赫兹近场扫描显微成像系统简图

日前，上海理工大学朱亦鸣教授团队联合上海市现代光学系统重点实验室、上海市太赫兹波谱与影像技术协同创新中心，开展了散射式太赫兹近场扫描显微成像系统的研制。其运用的基本原理是，太赫兹波照射纳米探针的针尖，在针尖周围形成增强的局域场，这个近场会被其附近的样品改变；此近场相互作用导致在远场接收的散射光带有样品局部的光学性质。近场光学空间分辨率由针尖的曲率半径决定，而与照射光波长无关。

S-SNOM的关键技术

· 太赫兹波-纳米探针-样品间的近场高效耦合及散射

·微弱近场散射信号放大和背景散射噪声抑制

S-SNOM的典型应用

· 半导体及复合纳米材料和器件的无损检测

· 细胞、病毒等生物物质的结构成像和成分分析