第35卷第3期 红外与毫米波学报 Vol.35.No.3 2016年6月 I.Infrared Millim.Waves June,2016 文章编号：1001-9014(2016)03-0300-11 D0:10.11972.1sm.1001-9014.2016.03.009 太赫兹波近场成像综述 刘宏翔2，姚建经2，王与烨2”，徐德刚2，贺突城2 (1.天津大学结密位器与光电子工程学院藏光与光电子研究所，天津300072 2.天津大学光电信息技术教有部重点实验室，天津300072) 摘要：太赫燕波成像作为可见光和微波成像等的拓晟，在半导体材料表征、生物组织诊断、无损检测和安检等领城 医无大提技黄、大发限 题，包括孔径型针尖型，亚波长大赫被源型和微纳结构调控型等：景后探讨了该方向的发民边势 Review of THz near-field imaging WANG Yu-YeXU De-Cang HE Yiin 2.Key Laboratory of Ootin T(Ministof Eucation)Tn UniverityTinn 30072.China) Abstract:As the extension of optical and microwave imaging,THz imaging has now attracted broad at- on and showed many unique advantages in areas such as characterizations of semiconductor mate als,diagnoses and security inspections According to the dif- ction且 it,traditional THz imaging is subjected to rtcoming of its ong wave that re- s in How ield imaging one of the earch highlights t ometer or even nand In th pe principles THz eld imaging re introduce ture based ng pror and ntrol based tech Ky、 s:THz ing, Pcs07.57.,0m79225 cent 引言 102),或波长在3mm~30um范围内的一段电 磁波谱区域，其具有诸多优点：如光子能量（毫电子 太赫兹波是指频率在0.1~10THz(1THz= 伏特)低，能够避免生物组织受辐射电离而损伤：因 ianjin(14Z么 1994-016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.cnki
第 35 卷第 3 期 2016 年 6 月 红外与毫米波学报 J． Infrared Millim． Waves Vol． 35，No． 3 June，2016 文章编号: 1001 － 9014( 2016) 03 － 0300 － 11 DOI: 10． 11972 /j． issn． 1001 － 9014． 2016． 03． 009 收稿日期: 2015-08-03，修回日期: 2016-01-19 Ｒeceived date: 2015-08-03，revised date: 2016-01-19 基金项目: 国家重点基础研究发展计划( 2015CB755403，2014CB339802) ; 国家自然科学基金( 61107086，61172010，61471257) ; 天津市自然科 学基金( 14JCQNJC02200) ; 天津市科技支撑项目( 14ZCZDGX00030) ; 高等学校博士学科点专项科研基金( 20120032110053) ; 中国工程物理研究 院太赫兹科学技术基金( CAEPTHZ201304) Foundation items: Supported by National Basic Ｒesearch Program of China ( 2015CB755403，2014CB339802) ; National Natural Science Foundation of China ( 61107086，61172010，61471257) ; Natural Science Foundation of Tianjin ( 14JCQNJC02200) ; Science and Technology Support Program of Tianjin ( 14ZCZDGX00030) ; Ｒesearch Fund for the Doctoral Program of Higher Education ( 20120032110053) ; the CAEP THz Science and Technology Foundation ( CAEPTHZ201304) 作者简介( Biography) : 刘宏翔( 1990-) ，男，江西南昌人，博士研究生，主要从事激光与太赫兹技术研究． E-mail: liuhongxiang@ tju． edu． cn * 通讯作者( Corresponding author) : E-mail: yuyewang@ tju． edu． cn 太赫兹波近场成像综述 刘宏翔1，2 ， 姚建铨1，2 ， 王与烨1，2* ， 徐德刚1，2 ， 贺奕焮1，2 ( 1． 天津大学精密仪器与光电子工程学院 激光与光电子研究所，天津 300072; 2． 天津大学 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072) 摘要: 太赫兹波成像作为可见光和微波成像等的拓展，在半导体材料表征、生物组织诊断、无损检测和安检等领域 表现出许多独特的优点，得到了越来越广泛的关注． 传统太赫兹波成像受长波长对应的衍射极限的限制，分辨率较 低． 而太赫兹波近场成像是目前突破该限制，获得亚微米甚至是纳米量级高分辨图像的研究热点之一． 首先介绍了 近场机制与成像的基本原理; 其次总结了太赫兹波近场成像的几种常用方法及其对应研究进展和当前存在的问 题，包括孔径型、针尖型、亚波长太赫兹源型和微纳结构调控型等; 最后探讨了该方向的发展趋势． 关 键 词: 太赫兹波; 近场成像; 衍射极限; 隐失波; 微纳结构 中图分类号: O441． 4 文献标识码: A Ｒeview of THz near-field imaging LIU Hong-Xiang 1，2 ， YAO Jian-Quan1，2 ， WANG Yu-Ye 1，2* ， XU De-Gang 1，2 ， HE Yi-Xin1，2 ( 1． Institute of Laser and Optoelectronics，College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering， Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2． Key Laboratory of Optoelectronics Information Technology ( Ministry of Education) ，Tianjin University，Tianjin 300072，China) Abstract: As the extension of optical and microwave imaging，THz imaging has now attracted broad attention and showed many unique advantages in areas such as characterizations of semiconductor materials，diagnoses of biological tissues，nondestructive tests and security inspections． According to the diffraction limit，traditional THz imaging is subjected to the shortcoming of its long wavelength that results in a low spatial resolution． However，THz near-field imaging is one of the research highlights to surpass the limit and obtain images with spatial resolutions up to sub-micrometer or even nanometer scale． In this paper，the schemes and basic principles of THz near-field imaging were introduced． Then，four kinds of typical methods，as well as their recent progress and existing problems，were reviewed in detail，including aperture based，tip based，sub-wavelength THz source based，and microstructure control based techniques． Finally，developing prospects were discussed． Key words: THz wave，near-field imaging，diffraction limit，evanescent wave，microstructure PACS: 07． 57． -c，07． 79． -v，42． 25． Bs 引言 太赫兹波是指频率在 0． 1 ～ 10 THz( 1 THz = 1012 Hz) ，或波长在 3 mm ～ 30 μm 范围内的一段电 磁波谱区域，其具有诸多优点: 如光子能量( 毫电子 伏特) 低，能够避免生物组织受辐射电离而损伤; 因
3期 刘宏粗等：太妹效波折场成俊绘课 许多生物大分子振动与转动能级位于此频段，表现 关于探测，基于光电导取样和电光取样的相干探测 出很强的吸收和谐振，适合物质的“指纹性”鉴别 对许名在可见和红外波段不诱明的非金属、非极性 材料具有较强的穿透能力，但对水分吸收很敏感.太 等还能提取太林兹波的振幅和相位信息，提高系统 赫兹波成像是太赫兹科学技术最主要的应用之 的信噪比，关干成像方式，民管现右报道多中干 定程度上可以获得较其它 源更丰富的信 点扫描这 较慢的方法 比如材料的折射率与空间密度分布、生物体的水 以铌酸锂品体倾余 量与分布、隐藏物的辨别等，在生物医学成像、食品 波前激发产生的高功率太赫兹脉冲为光源，结合电 药品质检、材料无损检测、文物地质探测、反恐安全 光取样技术和CCD相机探测，设计而成的实时太赫 检查、目标雷达成像等领域具有重要意义.不过，传 兹波近场显微系统，可实现每秒35帧，空间分辨率 统太赫兹波成像受长波长对应的衍射极限的影响 达A150的成像 分辨率低于可见光，只有几百微米数量级，远大于微 近场机制与成像基本原理 纳结构材料或生物组织与细胞的尺度，无法满足高 精度观测的需求 近场通常指距离在波长甚至是亚波长量级的区 诉场成是突破衍射极限，得亚波长分鞋图 域。典型的太赫兹波近场成像多指扫描近场太赫兹 波显微，即利用局域太赫兹波在样品近场区域进 波 、可见光6 ,自设想四提出以来，陆续在微 、红外与太赫兹波 等领域得到 网格状扫描，收集所有待测点处信息后，交由 了验证，太林兹波近场成像是在可见光等波段较为 算机处理和重构出最终图像，该过程所获图像分销 成熟的思想和方法上发展而来的，它既维承了后者 率不受波长限制，而主要取决于局域孔径或针尖的 对样品表面形貌进行高分辨无损扫描的功能， 大小，根据海森堡测不准原理，为实现扫描平面方向 些内嵌样品成 而获电 表面信息 独特 亚波长量级物体的分辨，该方向上的波数分量必 力，在载流 子浓度测量 微纳结构显微 须大于入射太赫兹波的波数，而垂直平面方向上的 体特性研 、生物医学成像诊断 切领域颇具 分量为虚数，这导改太赫效波在其近场区域除存在 应用价值.该技术的实现主要得益于隐失波的产生 传播分量外，还同时存在隐失分量，其中，传播场有 和利用，性能的提升取决于太赫兹波的局域、增强或 者增透 程度，方法大致有四类：分别为利用亚波长 场虽无能流传播，但携带样品的年 小物理孔径或虚拟孔径局域的太赫兹波、亚波长 节信总，振幅随距离的增加而指数衰减.近场成像可 小针尖局域和增强的太赫兹波、激光聚焦后产生的 以突破衍射极限正是因为对隐失波的获取、利用和 亚波长尺寸太赫兹辐射源、微纳结构材料局域和增 探测，这与受到衍射极限限制的传统方法中，利用透 透的太赫兹波进行近场成像.研究内容在理论上包 镜等光学元件对太赫兹波聚焦来提高分辨率有着显 括太赫兹波经微孔衍射和微纳结构传输 调控等过 著区别 程模型的建立，样品表面近场太赫滋波电场与能流 近场成像分为两种模式：近场照明和近场收集 分布的求解，样品与针尖耦合系统的相互作用及其 两者区别在干用来获取或耦合转化隐失波的亚波长 对太赫波探测信号影响的探究等：在实验上包括 尺寸物体相对样品的位置不同，近场照明是利用微 探针、微纳结构其材料和结构的选择与设计，近场务 孔或针尖局域太赫兹波，近场照射样品：近场收集是 件的实现与稳定控制，基于探测方式改进和辐射源 近场直接探测受样品精细结构散射而得的隐失场 探测器优选的成像性能优化等.关于辐射源，早期 或远场探测其经近场微孔或针尖转化而成的传 借助相对成孰的太赫兹时域光谱系统，选用光电导 场.前者的实用和推广需先解决信号的大小问题，即 天线法或光学整流法产生的脉冲太抹兹波作为光 如何对太赫兹波讲行有效局域和增强增透：后者伴 源但是近年来，返波管4 气体激光泵浦的 随隐失场的衍射 微光器g 故需解决近场距离的控制及太赫 自由电子激 太赫 参量振 兹波的高效耦合与转化.根据太赫兹源与信号接 器 、量子级联激光器 、耿氏振荡器以 装置相对位置的不同，近场成像还分为透射和反期 的太赫兹波，也在该领域得到利用，便于输出功率的 两种类型.透射成像通常只适用于薄且对太赫兹波 增加，频普范围的扩展，结构的紧凑和成木的降低 诱过率较高的样品：而反射成像虽可解决样品厚度 al Electronic Publishing A I ww.cnki.ne
3 期 刘宏翔 等: 太赫兹波近场成像综述 许多生物大分子振动与转动能级位于此频段，表现 出很强的吸收和谐振，适合物质的“指纹性”鉴别; 对许多在可见和红外波段不透明的非金属、非极性 材料具有较强的穿透能力，但对水分吸收很敏感． 太 赫兹波成像［1］是太赫兹科学技术最主要的应用之 一，一定程度上可以获得较其它光源更丰富的信息， 比如材料的折射率与空间密度分布、生物体的水含 量与分布、隐藏物的辨别等，在生物医学成像、食品 药品质检、材料无损检测、文物地质探测、反恐安全 检查、目标雷达成像等领域具有重要意义． 不过，传 统太赫兹波成像受长波长对应的衍射极限的影响， 分辨率低于可见光，只有几百微米数量级，远大于微 纳结构材料或生物组织与细胞的尺度，无法满足高 精度观测的需求． 近场成像是突破衍射极限，获得亚波长分辨图 像的研究热点之一，自设想［2］提出以来，陆续在微 波［3-4］、可见光［5-8］、红外与太赫兹波［9-14］等领域得到 了验证． 太赫兹波近场成像是在可见光等波段较为 成熟的思想和方法上发展而来的，它既继承了后者 对样品表面形貌进行高分辨无损扫描的功能，又具 备对一些内嵌样品成像而获取亚表面信息的独特能 力，在载流子浓度测量［15-17］、微纳结构显微［18-20］、晶 体特性研究［21-22］、生物医学成像诊断［23］等领域颇具 应用价值． 该技术的实现主要得益于隐失波的产生 和利用，性能的提升取决于太赫兹波的局域、增强或 者增透程度，方法大致有四类: 分别为利用亚波长大 小物理孔径或虚拟孔径局域的太赫兹波、亚波长大 小针尖局域和增强的太赫兹波、激光聚焦后产生的 亚波长尺寸太赫兹辐射源、微纳结构材料局域和增 透的太赫兹波进行近场成像． 研究内容在理论上包 括太赫兹波经微孔衍射和微纳结构传输、调控等过 程模型的建立，样品表面近场太赫兹波电场与能流 分布的求解，样品与针尖耦合系统的相互作用及其 对太赫兹波探测信号影响的探究等; 在实验上包括 探针、微纳结构其材料和结构的选择与设计，近场条 件的实现与稳定控制，基于探测方式改进和辐射源、 探测器优选的成像性能优化等． 关于辐射源，早期多 借助相对成熟的太赫兹时域光谱系统，选用光电导 天线法或光学整流法产生的脉冲太赫兹波作为光 源． 但是近年来，返波管［24-25］、气体激光泵浦的太赫 兹激光器［15］、自由电子激光器［26］、太赫兹参量振荡 器［27］、量子级联激光器［28-29］、耿氏振荡器［30］等产生 的太赫兹波，也在该领域得到利用，便于输出功率的 增加，频谱范围的扩展，结构的紧凑和成本的降低． 关于探测，基于光电导取样和电光取样的相干探测 方法较为普遍，但基于热效应积累的辐射热计和高 莱探测器也见诸报道，而且借助迈克尔逊干涉仪［31］ 等还能提取太赫兹波的振幅和相位信息，提高系统 的信噪比． 关于成像方式，尽管现有报道多集中于逐 点扫描这一较慢的方法，但是实时成像研究也正逐 渐展开，如 Blanchard 等人［32-34］以铌酸锂晶体倾斜 波前激发产生的高功率太赫兹脉冲为光源，结合电 光取样技术和 CCD 相机探测，设计而成的实时太赫 兹波近场显微系统，可实现每秒 35 帧，空间分辨率 达 λ /150 的成像． 1 近场机制与成像基本原理 近场通常指距离在波长甚至是亚波长量级的区 域． 典型的太赫兹波近场成像多指扫描近场太赫兹 波显微，即利用局域太赫兹波在样品近场区域进行 二维网格状扫描，收集所有待测点处信息后，交由计 算机处理和重构出最终图像，该过程所获图像分辨 率不受波长限制，而主要取决于局域孔径或针尖的 大小． 根据海森堡测不准原理，为实现扫描平面方向 上亚波长量级物体的分辨，该方向上的波数分量必 须大于入射太赫兹波的波数，而垂直平面方向上的 分量为虚数，这导致太赫兹波在其近场区域除存在 传播分量外，还同时存在隐失分量． 其中，传播场有 能流传播，但不携带样品的细节信息，振幅与传播距 离成反比; 而隐失场虽无能流传播，但携带样品的细 节信息，振幅随距离的增加而指数衰减． 近场成像可 以突破衍射极限正是因为对隐失波的获取、利用和 探测，这与受到衍射极限限制的传统方法中，利用透 镜等光学元件对太赫兹波聚焦来提高分辨率有着显 著区别． 近场成像分为两种模式: 近场照明和近场收集． 两者区别在于用来获取或耦合转化隐失波的亚波长 尺寸物体相对样品的位置不同． 近场照明是利用微 孔或针尖局域太赫兹波，近场照射样品; 近场收集是 近场直接探测受样品精细结构散射而得的隐失场， 或远场探测其经近场微孔或针尖转化而成的传播 场． 前者的实用和推广需先解决信号的大小问题，即 如何对太赫兹波进行有效局域和增强增透; 后者伴 随隐失场的衍射，故需解决近场距离的控制及太赫 兹波的高效耦合与转化． 根据太赫兹源与信号接收 装置相对位置的不同，近场成像还分为透射和反射 两种类型． 透射成像通常只适用于薄且对太赫兹波 透过率较高的样品; 而反射成像虽可解决样品厚度 301
302 红外与毫米波学 35卷 大、太赫兹波透过率低的问题，但多存在背景噪声及 中于探测器结构的设计5切，目前报道的图像分绑 照明接收光路相互干扰等缺点，系统信躁比有待提 率最高可达3um,约合入/100 高，分朝率普遍不及前者 总的来说，物理用径利折场成独分辩率决定干 局域孔的大小，日同时受到入射波偏指状态的影 2太赫兹波近场成像方法 响侧，偏振光虽然对应透过率较大，信号强度较 2.1基于孔径的太赫兹波近场成像 强，但偏振光对应的电场局域程度更高，故通常选 2.1.1物理孔径 择s偏振光进行成像，且方向同时与样品待分辨边 1998年，Hunsche等四利用波长为220m的 缘平行以获得更高的分游率这种方法存在截止效 太赫兹被，对高阳硅基底上的金线成像，获得了50 应网及孔径诱过率低两个缺路，前者限制太赫兹波 m的空间分辨率，这是太赫兹波近场成像的第 的探测带宽，且波导厚度越大，截止效应越明显：后 次实现，原理如图1()所示，属于典型的照明模式 者源于微孔对太赫兹波衍射截面的限制，根据B 太赫兹被经铝制探针锥形尖端通光孔局域后近场蹈 the 的推导，太赫兹被通过位于理想导电平板中 明样品，由于传至远场光电导天线结构的透射信号 直径小干被长量级的圆和时，透射场振幅与孔径直 可对取样光在其上激发的光生载流子运动调制，故 径的3次方成正比.故孔径的减小虽然有利于审高 维扫描时探测到的光电流大小能反映样品每 分辨率的获取，但同时伴随着透过率的降低，从而导 处太赫兹波的吸收特性并最终获得近场图像.照以 致灵敏度和信噪比的降低 模式下亚波长孔径对太赫兹波的局域作用可类比光 L100 通过厚的理想导电平板上宽度远小于波长量级的细 +D 缝讲行分析，理论发现光在半缝窗范围内能基本 保持直线传播，但超过这 一距离时会迅速发散故 域和近场是该方法成功与否的关健因素.关于前者 研究人员陆续设计和报道了多种用于太赫兹波局域 near-field tip 的不后结物.如尖端呈顶部尚平金字塔形的探 针、平行平板波导调、锥形平行平板波导别 AM 金属耦合探针m等：关于后者，结合原子力显微镜 OBECT 技术，利用压电陶瓷或石英音叉控制针尖或孔径到 yd 样品表面的间距，可以方使地控制近场条件： 针对照明模式下复杂的针尖设计和间距控制 20O0年，litrofanoy等设计了集成有亚波长孔 径的光电导探测器，发明了基于收集模式的扫描过 场太赫兹波显微术，并于0.5THz处获得了7um的 分辨率，原理如图1(b)所示.他们利用样品背部高 折射率突起耦合受精细结构散射的太赫蕊波，使其 图1 物理孔径型近场成像()照明模式：（仙）收集模式 通亚被长径传至正对面诉场范围内的偶极天线 near-field imaging (a) 结构进行探测。其中，隐失场振 (r 与孔径到天线的间 成反比 该间距太薄易使取样光通过微孔照 2.1.2动态孔径 在样品上而改变样品的光学特性，太厚会使太赫兹 与物理孔径法类似，动态孔径法分辨率也取决 波讯速发散而满足不了折场条件由干入射太袜兹 F局域太赫兹波的孔径大小，只不过该孔径是通过 在通过一定长府微引导时在在止效应，而在 飞秒激光在半导体材料上激发光生载流子形成的 定厚度金属屏时，存在 透 离的限制，故结 并且受光路中聚焦诱镜的位移而控制，产生陨灭或 构设计上，还应考虑微孔所在金属屏厚度对隐失波 放大缩小.由于动态孔径的厚度取决于半导体材 近场能流分布的影响，避免太赫蕊波殊穿波导后的 对取样光的吸收深度，通常在几微米量级，因此，该 强度等于穿透金属屏后的强度，而失去孔径局域的 方法能够避免物理孔径法中波导效应引起的探测带 作用四收集模式原理较为成熟，后续研究基木集 1994-2016 China Academic Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
红外与毫米波学报 35 卷 大、太赫兹波透过率低的问题，但多存在背景噪声及 照明接收光路相互干扰等缺点，系统信噪比有待提 高，分辨率普遍不及前者． 2 太赫兹波近场成像方法 2． 1 基于孔径的太赫兹波近场成像 2． 1． 1 物理孔径 1998 年，Hunsche 等［35］利用波长为 220 μm 的 太赫兹波，对高阻硅基底上的金线成像，获得了 50 μm 的空间分辨率． 这是太赫兹波近场成像的第一 次实现，原理如图 1( a) 所示，属于典型的照明模式． 太赫兹波经铝制探针锥形尖端通光孔局域后近场照 明样品． 由于传至远场光电导天线结构的透射信号 可对取样光在其上激发的光生载流子运动调制，故 二维扫描时探测到的光电流大小能反映样品每一点 处太赫兹波的吸收特性并最终获得近场图像． 照明 模式下亚波长孔径对太赫兹波的局域作用可类比光 通过厚的理想导电平板上宽度远小于波长量级的细 缝［36］进行分析，理论发现光在半缝宽范围内能基本 保持直线传播，但超过这一距离时会迅速发散． 故局 域和近场是该方法成功与否的关键因素． 关于前者， 研究人员陆续设计和报道了多种用于太赫兹波局域 的不 同 结 构，如尖端呈顶部削平金字塔形的探 针［37］、平行平板波导［38］、锥形平行平板波导［39］、双 金属耦合探针［40］等; 关于后者，结合原子力显微镜 技术，利用压电陶瓷或石英音叉控制针尖或孔径到 样品表面的间距，可以方便地控制近场条件． 针对照明模式下复杂的针尖设计和间距控制， 2000 年，Mitrofanov 等［41-42］设计了集成有亚波长孔 径的光电导探测器，发明了基于收集模式的扫描近 场太赫兹波显微术，并于 0． 5 THz 处获得了 7 μm 的 分辨率，原理如图 1( b) 所示． 他们利用样品背部高 折射率突起耦合受精细结构散射的太赫兹波，使其 通过亚波长孔径传至正对面近场范围内的偶极天线 结构进行探测． 其中，隐失场振幅与孔径到天线的间 距成反比［43］． 该间距太薄易使取样光通过微孔照射 在样品上而改变样品的光学特性，太厚会使太赫兹 波迅速发散而满足不了近场条件． 由于入射太赫兹 波在通过一定长度微孔波导时存在截止效应，而在 通过一定厚度金属屏时，存在穿透距离的限制，故结 构设计上，还应考虑微孔所在金属屏厚度对隐失波 近场能流分布的影响，避免太赫兹波隧穿波导后的 强度等于穿透金属屏后的强度，而失去孔径局域的 作用［44］． 收集模式原理较为成熟，后续研究基本集 中于探测器结构的设计［45-47］，目前报道的图像分辨 率最高可达 3 μm，约合 λ /100． 总的来说，物理孔径型近场成像分辨率决定于 局域孔的大小，且同时受到入射波偏振状态的影 响［48］． p 偏振光虽然对应透过率较大，信号强度较 强，但 s 偏振光对应的电场局域程度更高，故通常选 择 s 偏振光进行成像，且方向同时与样品待分辨边 缘平行以获得更高的分辨率． 这种方法存在截止效 应［49］及孔径透过率低两个缺陷，前者限制太赫兹波 的探测带宽，且波导厚度越大，截止效应越明显; 后 者源于微孔对太赫兹波衍射截面的限制． 根据 Bethe ［50］的推导，太赫兹波通过位于理想导电平板中 直径小于波长量级的圆孔时，透射场振幅与孔径直 径的 3 次方成正比． 故孔径的减小虽然有利于更高 分辨率的获取，但同时伴随着透过率的降低，从而导 致灵敏度和信噪比的降低． 图 1 物理孔径型近场成像( a) 照明模式; ( b) 收集模式 Fig． 1 Aperture based THz near-field imaging ( a) illuminationmode; ( b) collection-mode 2． 1． 2 动态孔径 与物理孔径法类似，动态孔径法分辨率也取决 于局域太赫兹波的孔径大小，只不过该孔径是通过 飞秒激光在半导体材料上激发光生载流子形成的， 并且受光路中聚焦透镜的位移而控制，产生陨灭或 放大缩小． 由于动态孔径的厚度取决于半导体材料 对取样光的吸收深度，通常在几微米量级，因此，该 方法能够避免物理孔径法中波导效应引起的探测带 302
3期 刘宏翔等：太赫兹波近场成像综述 宽减小问题.但是，其实现离不开半导体材料的选用 人更结合原子力显微镜控制样品表面到针尖的 以产生动态孔径，探测信号大小仍然受到孔径局 间距，利用宽带太赫兹脉冲对内嵌在介质膜层中的 的限制，并叠加有较大的背景噪声.Chen等人所在 金属光栅近场成像，获取了亚表面信息，实现了1 课题组于2000年起陆续报道了有关研究成果 THz处对应90m的横向分辨率.该方法与孔径型 具体原理如图2所示，太赫兹波与经斩波的取样光 方法相同的是，散射信号电场大小与针尖直径的3 共线入射在半导体材料上，受后者激发产生的尺度 次方成正比：不同的是不仅避免了太赫兹波通过微 小于太赫兹波聚焦光斑大小的高电导率动态孔径调 孔时的传输损失，还存在一定程度的针尖增强效 制和局域.当样品位于半导体正面时，动态孔径收集 应阿，即偏振光入射时，受局域表面等离激元 样品散射的隐失波，分辣率较高，属于收集模式：当 共振效应、避雷针效应和基底镜像效应等的作用，针 样品位于半导体背面时，动态孔径局域的太赫兹波 经相当 半导体品片后，受轻微衍射效应影响地熙 电光取样法近场直接测量太赫兹波电场 射样品，分辨率较低，属于照明模式.实验中，取样引 上述方法探测时多叠加有较多的背景信号，比 功率的设定除需考虑产生足够多自由载流子以形成 拉而言，van der Valk和Planken开展的电光取 动态孔径，还应避免对半导体材料和样品特性的破 样法近场直接测量太赫兹波电场能够有效提高系统 坏.半导体材料热积累造成的局部温度升高会改变 的信噪比，实验在0.1~2.5THz范围内测得的太赫 相应位置处的复折射率，从而影响对太赫兹波的调 兹波光斑最小达10μm.原理如图 ()所示，入射 制，这可通过增加动态孔径大小，降低取样光功率和 线偏振取样光在电光晶体中受共线传播太赫兹波电 重复频率来解决圆.该方法目前报道的最佳分辨率 场的调先制，发生场致双折射，其经1/4波片和沃拉野 达14m均 领棱镜分解成的两个垂直分量，可由平光电探测 器进行探测和获取光强差值，该差值正比于太赫兹 波的电场大小.他们 利用铜制 金属针尖对偏 振平行于晶体表面的入射太赫兹波局域，并在针尖 正下方几微米的近场区域内获得垂直电场分量，另 一方面，选用品向为(100)的磷化惊作为电光品体， 使取样光只受上述垂直分量的调制，而避免入射背 景的干扰.2008年，该组 进一步利用(100 和 (110)品向的磷化品体测量了一些金属结构样品 动态孔轻型近场成 正下方近场电场的垂直分量和水平分量，空间分销 dTHz near-field in maging 率达20m.此类方法只适合于较薄样品，因为样品 厚度越大，针尖到品体表面间距就越大，太赫兹波光 斑也越大，会对局域效果产生负面影响.系统分辨率 通常取决于针尖尺寸，当其大于取样光聚焦光斑时： 根据偶极辐射理论，亚波长尺寸的针尖在太制 太赫兹波光斑大小会随针尖直径的增加而增加：当 兹波的照射下能形成类似于孔径型方法中的局域太 其小于取样光聚焦光斑时，太抹兹波电场只对一部 赫兹源，其近场照明样品，所得携带样品细节信息的 分取样光线偏状态进行调制，从而降低探测信号的 隐失波经针尖耦合，可转化为传播波至远场进行探 测，并获得决定于针尖尺寸的空间分辨率.据此，写 2.2.3针尖增强太赫兹波发射显微技术 在1994年，Inouve0和7 enhausern5对等人便在可见 2005年，Yuan等侧利用针尖调制太赫兹发射 光波段分别利用金属和硅制深针针尖，各自独立地 进的方法，实现了1m纵向分辨率和约10m描向 报道了基于针尖散射的无孔扫描近场显微技术，特 分辨率，原理如图3()所示.飞秒激光入射在半导 别是后者，得到 学显微 体上激发产生的电偶极矩与针尖耦合会改变后者 像.类似的在太赫兹波段，Chen等人9 下方的局域电场而调制辐射的太赫兹波.对受调制 3(a)所示原理，利用中心频率为2THz的太赫兹波 部分进行锁相探测，能够有效过滤半导体表面发射 获得了空间分辨率为150nm的图像.而Maon空 的背景信号，最终实现高分辨成像.实玲中，对针尖 1994-2016 China Academic al Electronic Publishing All rights ve www.cnki.ne
3 期 刘宏翔 等: 太赫兹波近场成像综述 宽减小问题． 但是，其实现离不开半导体材料的选用 以产生动态孔径，探测信号大小仍然受到孔径局域 的限制，并叠加有较大的背景噪声． Chen 等人所在 课题组［51］于 2000 年起陆续报道了有关研究成果， 具体原理如图 2 所示，太赫兹波与经斩波的取样光 共线入射在半导体材料上，受后者激发产生的尺度 小于太赫兹波聚焦光斑大小的高电导率动态孔径调 制和局域． 当样品位于半导体正面时，动态孔径收集 样品散射的隐失波，分辨率较高，属于收集模式; 当 样品位于半导体背面时，动态孔径局域的太赫兹波 经相当薄半导体晶片后，受轻微衍射效应影响地照 射样品，分辨率较低，属于照明模式． 实验中，取样光 功率的设定除需考虑产生足够多自由载流子以形成 动态孔径，还应避免对半导体材料和样品特性的破 坏． 半导体材料热积累造成的局部温度升高会改变 相应位置处的复折射率，从而影响对太赫兹波的调 制，这可通过增加动态孔径大小，降低取样光功率和 重复频率来解决［52］． 该方法目前报道的最佳分辨率 达 14 μm［53］． 图 2 动态孔径型近场成像 Fig． 2 Dynamic aperture based THz near-field imaging 2． 2 基于针尖的太赫兹波近场成像 2． 2． 1 远场测量针尖散射太赫兹波信号 根据偶极辐射理论，亚波长尺寸的针尖在太赫 兹波的照射下能形成类似于孔径型方法中的局域太 赫兹源，其近场照明样品，所得携带样品细节信息的 隐失波经针尖耦合，可转化为传播波至远场进行探 测，并获得决定于针尖尺寸的空间分辨率． 据此，早 在 1994 年，Inouye ［54］和 Zenhausern ［55］等人便在可见 光波段分别利用金属和硅制探针针尖，各自独立地 报道了基于针尖散射的无孔扫描近场显微技术，特 别是后者，得到了分辨率达 3 nm 的近场光学显微图 像． 类似的在太赫兹波段，Chen 等人［56］随后按照图 3( a) 所示原理，利用中心频率为 2 THz 的太赫兹波 获得了空间分辨率为 150 nm 的图像． 而 Moon 等 人［57］更结合原子力显微镜控制样品表面到针尖的 间距，利用宽带太赫兹脉冲对内嵌在介质膜层中的 金属光栅近场成像，获取了亚表面信息，实现了 1 THz 处对应 90 nm 的横向分辨率． 该方法与孔径型 方法相同的是，散射信号电场大小与针尖直径的 3 次方成正比; 不同的是不仅避免了太赫兹波通过微 孔时的传输损失，还存在一定程度的针尖增强效 应［58-59］，即 p 偏振光入射时，受局域表面等离激元 共振效应、避雷针效应和基底镜像效应等的作用，针 尖正下方电场能量密度增加，散射信号强度提高． 2． 2． 2 电光取样法近场直接测量太赫兹波电场 上述方法探测时多叠加有较多的背景信号，比 较而言，van der Valk 和 Planken ［60-62］开展的电光取 样法近场直接测量太赫兹波电场能够有效提高系统 的信噪比，实验在 0． 1 ～ 2． 5 THz 范围内测得的太赫 兹波光斑最小达 10 μm． 原理如图 3( b) 所示，入射 线偏振取样光在电光晶体中受共线传播太赫兹波电 场的调制，发生场致双折射，其经 1 /4 波片和沃拉斯 顿棱镜分解成的两个垂直分量，可由平衡光电探测 器进行探测和获取光强差值，该差值正比于太赫兹 波的电场大小． 他们一方面利用铜制金属针尖对偏 振平行于晶体表面的入射太赫兹波局域，并在针尖 正下方几微米的近场区域内获得垂直电场分量． 另 一方面，选用晶向为( 100) 的磷化镓作为电光晶体， 使取样光只受上述垂直分量的调制，而避免入射背 景的 干 扰． 2008 年，该 组［63］ 进 一 步 利 用( 100) 和 ( 110) 晶向的磷化镓晶体测量了一些金属结构样品 正下方近场电场的垂直分量和水平分量，空间分辨 率达 20 μm． 此类方法只适合于较薄样品，因为样品 厚度越大，针尖到晶体表面间距就越大，太赫兹波光 斑也越大，会对局域效果产生负面影响． 系统分辨率 通常取决于针尖尺寸，当其大于取样光聚焦光斑时， 太赫兹波光斑大小会随针尖直径的增加而增加; 当 其小于取样光聚焦光斑时，太赫兹波电场只对一部 分取样光线偏状态进行调制，从而降低探测信号的 强度． 2． 2． 3 针尖增强太赫兹波发射显微技术 2005 年，Yuan 等［64］利用针尖调制太赫兹发射 谱的方法，实现了 1 nm 纵向分辨率和约 10 nm 横向 分辨率，原理如图 3( c) 所示． 飞秒激光入射在半导 体上激发产生的电偶极矩与针尖耦合会改变后者正 下方的局域电场而调制辐射的太赫兹波． 对受调制 部分进行锁相探测，能够有效过滤半导体表面发射 的背景信号，最终实现高分辨成像． 实验中，对针尖 303
304 红外与毫米波学 35卷 与半导体构成的系统施加直流和交流电压，若两者 天线模型.关于前者，早在2000年左右，Koll和 间距较大，相当于形成电容，通过交流电流：若间距 Keilmann就描术了红外敬射理论，该理论一定程 减小到一定程度，通过隧道电流：若继续缩短到相互 度上也适用于太赫兹波段陶.它是将入射场照射下 接触，测通讨接触申流，故纵向分辨整可根据针尖趋 的针尘效为一个极化球，或进一步简化为占偶 近半导体表面时，电流及太赫兹波信号强度的变化 子，在考虑表面束缚电荷对样品周围电场分布影响 确定.横向分辨率取决于针尖大小，图像对比度或受 的情况下，与其在样品中的镜像偶极子共同构成电 调制的太赫兹波信号强度则与针尖直径成正比，而 偶极矩.电场垂直于样品表面时，假设a、d、8,和s, 非上述基于针尖散射远场测量方法中的三次方关 分别代表球半径、球中心到样品间距、样品介电常数 系，该方法的缺点在于样品种类受限于太赫兹发射 和针尖介电常数，则耦合系统在准静电近似条件下 原的形成，飞秒激光功率受限于样品本身特性不被 的有效电极化率可表示为 破坏 =a+/0-16m+] 其中a=4心2月当长大于针 直径时，可由米氏散射理论计算系统对入射场的散 射和吸收截面，公式依次如式(2)和式(3)所 C.=l a /6 ，(2 C =k Imo (3) 此时，吸收效果强于散射效果.传统点偶极子模 型只考虑针尖单向地在样品中形成镜像偶极子，近 年来，Moon所在小组考虑太赫兹波的镜面反射以及 针尖与样品间偶极子的相互激发和叠加，报道了自 洽的散射理论例，并通过考虑更精确的系统表面 静电边界条件，发展了自洽的线偶极子理论s 不新致力于模型的优化，完善对太赫兹波近场作用 机理的解释.球模型存在一定缺陷0，如只考虑针 尖端而忽路了针杆形状和长度纯产生的影响：天 法解释针尖对太赫兹波探测带宽缩减影响的问题 所模拟的局域电场增强程度较实际情况偏低等.对 此，研究人员同时考虑了探针的形状以及电学特性， 将其与样品表面构成的棍合系统等效为一个由电 阻、电容、电感构成的电路，建立了天线模型m】 入射场由于耗散和二次辐射等存在 一定的损失，其 程度可表示为 RZ。 7 ,(4 太赫兹波发射显 4mR+ol-2 其中，R、Z。L、C分别代表电阻、阻抗、电感和电容 n of gnals. metallic tip. 当l=之时，即w=元时，产生共振吸收 模型构建与机理解释一直是针尖型无孔扫描近 与探针相关的研究也非常丰高.首先，在于对背 景信号的抑制.太赫兹被散射信号与针尖样品耦合 场太赫兹波显微技术的研究热点，代表模型主要有 系统及针杆同时有关，当针尖与样品间距未受调制 两种，一是基于点偶极子和线偶极子的球模型，二是 时，探测信号主要号针杆影响，分辨率物低：当探针 1994-2016China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.enki.ne
红外与毫米波学报 35 卷 与半导体构成的系统施加直流和交流电压，若两者 间距较大，相当于形成电容，通过交流电流; 若间距 减小到一定程度，通过隧道电流; 若继续缩短到相互 接触，则通过接触电流． 故纵向分辨率可根据针尖趋 近半导体表面时，电流及太赫兹波信号强度的变化 确定． 横向分辨率取决于针尖大小，图像对比度或受 调制的太赫兹波信号强度则与针尖直径成正比，而 非上述基于针尖散射远场测量方法中的三次方关 系． 该方法的缺点在于样品种类受限于太赫兹发射 源的形成，飞秒激光功率受限于样品本身特性不被 破坏． 图 3 针尖型太赫兹波近场成像( a) 远场测量针尖散射太 赫兹波信号; ( b) 电光取样近场直接测量太赫兹波电场; ( c) 针尖增强太赫兹波发射显微 Fig． 3 Tip based apertureless THz near-field imaging ( a) far field detection of scattered THz signals，( b) electro-optic detection of THz electric field in the near field of a metallic tip， ( c) tip enhanced THz wave emission microscopy 模型构建与机理解释一直是针尖型无孔扫描近 场太赫兹波显微技术的研究热点，代表模型主要有 两种，一是基于点偶极子和线偶极子的球模型，二是 天线模 型． 关 于 前 者，早 在 2000 年 左 右，Knoll 和 Keilmann ［65］就描述了红外散射理论，该理论一定程 度上也适用于太赫兹波段［56］． 它是将入射场照射下 的针尖等效为一个极化球，或进一步简化为点偶极 子，在考虑表面束缚电荷对样品周围电场分布影响 的情况下，与其在样品中的镜像偶极子共同构成电 偶极矩． 电场垂直于样品表面时，假设 a、d、εs 和 εt 分别代表球半径、球中心到样品间距、样品介电常数 和针尖介电常数，则耦合系统在准静电近似条件下 的有效电极化率可表示为 αeff ⊥ = α( 1 + β) /［1 － αβ 16π( a + d) 3］ ， ( 1) 其中，α = 4πa3 εt － 1 εt + 2 ，β = εs － 1 εs + 1 ． 当波长远大于针尖 直径时，可由米氏散射理论计算系统对入射场的散 射和吸收截面，公式依次如式( 2) 和式( 3) 所示． Csca = k 4 αeff ⊥ 2 /6π ， ( 2) Cabs = k Im{ αeff ⊥ } ． ( 3) 此时，吸收效果强于散射效果． 传统点偶极子模 型只考虑针尖单向地在样品中形成镜像偶极子，近 年来，Moon 所在小组考虑太赫兹波的镜面反射以及 针尖与样品间偶极子的相互激发和叠加，报道了自 洽的散射理论［66-67］，并通过考虑更精确的系统表面 静电边界条件，发展了自洽的线偶极子理论［68-70］， 不断致力于模型的优化，完善对太赫兹波近场作用 机理的解释． 球模型存在一定缺陷［71］，如只考虑针 尖尖端而忽略了针杆形状和长度等产生的影响; 无 法解释针尖对太赫兹波探测带宽缩减影响的问题; 所模拟的局域电场增强程度较实际情况偏低等． 对 此，研究人员同时考虑了探针的形状以及电学特性， 将其与样品表面构成的耦合系统等效为一个由电 阻、电容、电感构成的电路，建立了天线模型［72-74］． 入射场由于耗散和二次辐射等存在一定的损失，其 程度可表示为 η = ＲZ0 4π［Ｒ2 + ( ωL － 1 ωC) 2 ］ ，( 4) 其中，Ｒ、Z0、L、C 分别代表电阻、阻抗、电感和电容． 当 ωL = 1 ωC时，即 ω = 1 槡LC 时，产生共振吸收． 与探针相关的研究也非常丰富． 首先，在于对背 景信号的抑制． 太赫兹波散射信号与针尖样品耦合 系统及针杆同时有关，当针尖与样品间距未受调制 时，探测信号主要受针杆影响，分辨率较低; 当探针 304