[发明专利]一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像装置及成像方法

说明书

一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像装置及成像方法，该技术基于太赫兹波在金属探针上以表面等离激元形式传输至探针针尖处形成远小于太赫兹波长尺寸的太赫兹光斑，在针尖末端近场区域内放置待成像样品，针尖与样品的近场区域内设置垂直度检测模块以及近场距离反馈模块，样品固定于二维电控平移台以在针尖末端进行扫描成像，样品之后放置太赫兹探测器用来探测待成像样品每一个扫描点处透射的太赫兹强度信号，将待成像样品上每一个扫描点处的太赫兹信号强度采集并关联绘图，即可实现样品在太赫兹波段内的超分辨成像，成像分辨率取决于针尖末端尺寸与扫描步进位移，最高分辨率可达纳米量级。

技术领域

本发明属于太赫兹超分辨成像领域，具体涉及使用棱镜将太赫兹波耦合进金属探针中传播至针尖末端，太赫兹波聚焦于针尖末端处，从而实现近场扫描超分辨成像。

背景技术

太赫兹波一般是指频率介于0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)的电磁波辐射，其对应波长范围为：30um—3mm，所以太赫兹波又被称为远红外或者亚毫米波。由于其波长较长，由阿贝所提出的光学成像系统中的衍射极限定律可知，其成像的极限分辨率只有波长的一半，所以较难实现高分辨率的成像，而由于太赫兹波对一般非极性材料都有很强穿透性，并且其光子能量低，在覆盖生物大分子振动和转动能级的同时不会对生物样品造成电离损伤。因此太赫兹成像在无损检测、生物医学、国防安全等领域具有重大的应用前景。所以提高太赫兹成像的分辨率是一个极具有实际意义的研究课题。

大幅度提高太赫兹成像的分辨率一直是一项有挑战性的课题，目前关于太赫兹超分辨成像的相关专利有：

专利申请号：201611007664.6，其公开了一种基于金属微纳结构的太赫兹波超分辨成像系统及方法，在其光学成像系统中共使用了四个太赫兹透镜，分别对太赫兹光束进行准直和聚焦，在第一个聚焦透镜的焦点位置处放置金属微纳结构，在第三透镜和第四透镜之间放置待成像样品，其扫描成像系统需要不断实时调整金属微纳结构以及待成像样品的位置，寻找记录位置和太赫兹波强度的关系，且其装置总共有四个透镜去对太赫兹光进行波束整形，这对于肉眼不可见的太赫兹波来说，调整光路的难度极大，可行性不高。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前太赫兹成像技术分辨率不高的问题，从而针对性地提出了一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像技术，该技术通过相应的装置，实现超分辨成像方法，该方法利用针尖尺寸极小的金属探针对太赫兹波的聚焦作用，在针尖近场区域内进行扫描成像的一种超分辨成像技术。

本发明采用的技术方案是：

一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像装置，在沿太赫兹波传播的方向上依次有太赫兹辐射源、太赫兹棱镜、金属探针、开有小孔的金属挡板、待成像样品、垂直度检测模块、近场距离反馈模块、太赫兹探测器；其中太赫兹棱镜与金属探针之间采用表面接触式的Kretschmann耦合方式来激发起金属探针上的太赫兹表面等离激元。

进一步的，所述的金属探针是任意一种金属材料制成的锥形探针。

一种基于金属探针的太赫兹超分辨成像方法，

首先，将太赫兹辐射源辐射出的太赫兹波照射于太赫兹棱镜的前侧表面，太赫兹波经太赫兹棱镜前侧表面的折射后到达太赫兹棱镜的上表面；

然后，在太赫兹棱镜的上表面放置金属探针，金属探针与太赫兹棱镜之间采用Kretschmann耦合方式来激发太赫兹表面等离激元；

其次，太赫兹表面等离激元沿着金属探针向前传播，在传播方向上放置开有小孔的金属挡板以隔绝太赫兹棱镜后侧面传播的太赫兹信号；

再次，太赫兹信号以表面等离激元的形式传输至金属探针针尖处，针尖末端形成环形分布的太赫兹光斑；