用于提取近場太赫茲信號的偽零差干涉探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于提取近場太赫茲信號的偽零差干涉探測系統(tǒng),包括太赫茲功率探測器、鎖相放大器、太赫茲波分束器、斬波器、太赫茲反射鏡、AFM針尖、函數(shù)發(fā)生器。借助于偽零差探測的優(yōu)點,大大優(yōu)化了近場探測裝置,提高了系統(tǒng)集成度,同時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。該實用新型實現(xiàn)了太赫茲近場掃描顯微鏡中近場信號的高指標和低成本探測,并為其技術(shù)實現(xiàn)提供了新的途徑。
【專利說明】
用于提取近場太赫茲信號的偽零差干潰探測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及太赫茲(??ζ)探測技術(shù)領(lǐng)域,特別設(shè)及一種基于邁克爾遜干設(shè)結(jié) 構(gòu)的用于近場ΤΗζ信號提取的偽零差探測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] ??ζ波段是電磁圖譜中人們認識最晚的一個頻段,運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(xué)遠場成像由于光學(xué)衍射極限的限制,分辨率被限 制在入射光學(xué)波長的一半,不能獲得更高的分辨率。要在ΤΗζ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),??ζ近場掃描顯微鏡(??ζ-SNOM)是目前介觀尺度下ΤΗζ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] ??ζ-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,W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ΤΗζ波, 近場信號強度非常有限,不便于處理?,F(xiàn)有的干設(shè)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,運無疑增加了運種技 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ΤΗζ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,本實用新型提供了一種基于邁克爾遜干設(shè)結(jié)構(gòu) 的用于近場ΤΗζ信號提取的偽零差探測裝置,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,本實用新型提供的技術(shù)方案為:
[0006] 本實用新型包括ΤΗζ功率探測器、鎖相放大器、??ζ波分束鏡、斬波器、??ζ反射鏡、 AFM針尖、函數(shù)發(fā)生器;??ζ功率探測器與ΤΗζ波分束鏡連接,??ζ波分束鏡與斬波器連接,斬 波器與ΤΗζ反射鏡連接;??ζ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; ??ζ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ΤΗζ 源發(fā)出的ΤΗζ福射經(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ΤΗζ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ΤΗζ光束; 最后離軸拋物面鏡收集的后向散射的ΤΗζ光束和分束鏡透射的反向的參考ΤΗζ光束形成干 設(shè)光束,干設(shè)光束由ΤΗζ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(yīng)樣品的指紋。
[0007] 所述的離軸拋物面鏡為鍛金的離軸拋物面鏡。
[0008] 本實用新型通過函數(shù)發(fā)生器的Ξ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W獲得樣品的高分辨的電磁圖譜,運樣就達到了 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(xué)探測器,具有極高 的探測靈敏度和響應(yīng)度,可探測功率較小的紅外或THz福射。
[0010] 所述鎖相放大器為中頻或射頻波段的高頻鎖相放大器(400K化W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娃片完成不同 的分束比,是干設(shè)結(jié)構(gòu)的中屯、。
[0012] 所述斬波器安放在干設(shè)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,如聚醋材料,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反射鏡為干設(shè)結(jié)構(gòu)的參考臂終端,可選用鍛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的核屯、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禪合到遠場。
[0015] 所述函數(shù)發(fā)生器完成Ξ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] 本實用新型之用于提取近場太赫茲信號的偽零差干設(shè)探測方法,包括W下步驟:
[0017] -、打開THz源,??ζ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] Ξ、開啟AFM針尖的驅(qū)動壓電陶瓷,使針尖W-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Ξ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W表示為
[0024]
(:1》
[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??蓪⑵鋫鬟f函數(shù)描述為(2)式的傅里葉級數(shù)形式:
[0026]
[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 %巧., 則其復(fù)振幅形式分別為E、=問exp(j>、K與=|勾cxp(J>.,,K =.|與Κ'χρΟ?那么參考光束 被調(diào)制后的復(fù)振幅表達式為式(3),
[002引
[0029] 步驟Ξ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]
< 斗>
[0031] 上式中Ω表示AFM針尖的振動頻率廣表示散射電場的相位。
[00創(chuàng)那么最終在探測器中探測到的電磁波強度可表示為1 =化S巧b+ErKEs*+Eb*巧 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:
[0033]
(5;
[0034] 上式中Fn表示針尖散射場強度在η階諧波處的幅值,K代表相關(guān)系數(shù),Δ科表示參考 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:
[0036] 1QC y巧悶 COS似-巧') U))
[0037] 上述操作便是對應(yīng)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] 本實用新型的有益效果:
[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,本實用新型是具有快速有效、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(yīng)用到近場THz設(shè)備中。
【附圖說明】
[0043] 圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0044] 請參閱1所示,本實用新型包括THz功率探測器3、鎖相放大器10、??ζ波分束鏡2、斬 波器4、ΤΗζ反射鏡5、AFM針尖7、函數(shù)發(fā)生器16;??ζ功率探測器3與ΤΗζ波分束鏡2連接,??ζ波 分束鏡2與斬波器4連接,斬波器4與THz反射鏡5連接;??ζ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;??ζ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福射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12經(jīng) 離軸拋物面鏡的C聚后照射到由壓電陶瓷8驅(qū)動的高頻振動的AFM針尖7上,然后再由離軸拋 物面鏡6接收帶有樣品9信息的AFM針尖7的后向散射的非常弱的THz光束15;最后離軸拋物 面鏡則欠集的后向散射的THz光束15和分束鏡2透射的反向的參考THz光束14形成干設(shè)光束 13,干設(shè)光束13由THz探測器3進行探測,其輸出信號經(jīng)由鎖相放大器10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(yīng)樣品的指紋。
[0045] 所述的離軸拋物面鏡6為鍛金的離軸拋物面鏡。
[0046] 本實用新型通過函數(shù)發(fā)生器16的Ξ路同步輸出同時控制AFM針尖7、斬波器4和鎖 相放大器10參考源,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3后再將鎖相放大器10獲得的相位和幅值信息 交由上位機處理就可W獲得樣品的高分辨的電磁圖譜,運樣就達到了 THz近場信號的低成 本、低操作難度、高質(zhì)量探測的目的。
[0047] 本實用新型之用于提取近場太赫茲信號的偽零差干設(shè)探測方法,包括W下步驟: [004引一、打開THz源1,THz波束經(jīng)分束鏡2分束后分為參考光束14和信號光束12兩路。
[0049] 二、開啟斬波器4,將參考光束14斬切為與斬波器旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的矩形波束。
[0050] Ξ、開啟AFM針尖7的驅(qū)動壓電陶瓷8,使針尖W-定頻率振蕩(幾十到幾百千赫 茲),使其與待測樣品9相互作用,散射出含有針尖振動頻率成分的信號光束。
[0051] 四、開啟THz功率探測器3和鎖相放大器10,進行高次諧波提取。
[0052] 五、通過函數(shù)發(fā)生器16的Ξ路同步輸出同時控制AFM針尖7、斬波器4和鎖相放大器 10參考源,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。
[0053] 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。
[0054] 所述的斬波器4斬切出的方波表達式可W表示為
[0化5]
…
[0056]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4 的旋轉(zhuǎn)頻率??蓪⑵鋫鬟f函數(shù)描述為(2)式的傅里葉級數(shù)形式:
[0化7]
[0化引設(shè)針尖散射電場,背景散射電場和參考電場分別為Es Eb Er,相位分別為巧裕巧, 則其復(fù)振幅形式分別為A =1勾e鄧(]>,),馬,,馬.=1勾exp〇>,.),那么參考光束 被調(diào)制后的復(fù)振幅表達式為式(3),
[0化9]
[0060]步驟Ξ使得近場成為了時間的函數(shù),可將其表示為(4)式的形式;
[0061 ]馬.=I勾 = I巧紛 p(n exp(巧) (4)
[0062] 上式中Ω表示AFM針尖7的振動頻率,0,表示散射電場的相位。
[0063] 那么最終在探測器中探測到的電磁波強度可表示為1 =化s+Eb巧rKEs*+Eb*+Er*), 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:
[0064]
[00化]上式中Fn表示針尖散射場強度在η階諧波處的幅值,K代表相關(guān)系數(shù),表示參考 光路和信號光路的相位差。
[0066] 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:
[0067] / QG K巧問COS似-巧.) (6)
[0068] 上述操作便是對應(yīng)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。
【主權(quán)項】
1. 一種用于提取近場太赫茲信號的偽零差干涉探測系統(tǒng),其特征在于:包括THz功率探 測器(3)、鎖相放大器(IO)、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(I 6); 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(12)經(jīng)離軸拋物面鏡(6)匯聚后照射到由壓電陶瓷(8)驅(qū)動的 高頻振動的AFM針尖(7)上,然后再由離軸拋物面鏡(6)接收帶有樣品(9)信息的AFM針尖(7) 的后向散射的非常弱的THz光束(15);最后離軸拋物面鏡(6)收集的后向散射的THz光束 (15)和分束鏡(2)透射的反向的參考THz光束(14)形成干涉光束(13),干涉光束(13)由THz 探測器(3)進行探測,其輸出信號經(jīng)由鎖相放大器(10)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(yīng)樣品的指紋; 通過函數(shù)發(fā)生器(16)的三路同步輸出同時控制AFM針尖(7)、斬波器(4)和鎖相放大器 (10)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(3)后再將鎖相放大器(10)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。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于提取近場太赫茲信號的偽零差干涉探測系統(tǒng),其特 征在于:所述的離軸拋物面鏡(6)為鍍金的離軸拋物面鏡。
【文檔編號】G01Q60/18GK205484414SQ201620239822
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月26日
【發(fā)明人】代廣斌, 王化斌, 楊忠波, 鄭妍, 崔洪亮, 魏東山, 常天英, 杜春雷
【申請人】吉林大學(xué)