散射式太赫兹扫描近场光学显微技术研究

基于散射式近场探测原理,设计并搭建了散射式太赫兹扫描近场光学显微系统(THz s-SNOM),实现了纳米量级空间分辨率的太赫兹近场显微成像测量。该系统以输出频率范围为0.1~0.3THz的太赫兹倍频模块为发射源,通过纳米探针的针尖产生纳米光源与样品相互作用,并将样品表面的倏逝波转化为可在远场测量的辐射波。通过探针逐点扫描样品表面,同时获得了样品表面的形貌图和太赫兹近场显微图。该系统的显微分辨率取决于探针针尖的曲率半径,而与太赫兹波的波长无关。使用该系统测量了金薄膜/硅衬底样品和石墨烯样品的近场显微图,结果表明,近场显微的空间分辨率优于60nm,波长与空间分辨率之比高达λ/26000。     

单层MoS2和WS2的太赫兹近场显微成像研究

采用太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(THz s-SNOM)研究了化学气相沉积法制备的单层MoS₂和WS₂晶粒的太赫兹近场响应。在没有可见光激发时,未探测到可分辨的太赫兹近场响应,说明晶粒具有较低的掺杂载流子浓度。有可见光激发时,由于光生载流子的太赫兹近场响应,能够测得与晶粒轮廓完全吻合的太赫兹近场显微图。在相同的光激发条件下,MoS₂的太赫兹近场响应强于WS₂,反映了两者之间载流子浓度或迁移率的差异。研究结果表明,THz s-SNOM兼具超高的空间分辨率和对光生载流子的灵敏探测能力,对二维半导体材料和器件光电特性的微观机理研究具有独特的优势。     

太赫兹近场光学亚表面检测技术研究

研究了太赫兹散射式扫描近场光学显微镜（Terahertz scattering-type scanning near-field optical microscopy,THz s-SNOM）对亚表面金属微纳结构的显微成像检测。首次采用自主搭建的THz s-SNOM系统对表面覆盖了六方氮化硼薄膜的金微米线进行太赫兹近场显微测量,获得了具有纳米量级空间分辨率和较高对比度的近场显微图。结合全波数值模拟,分析了THz s-SNOM探测亚表面金属微纳结构的空间分辨率、近场散射信号强度和成像对比度。研究表明,THz s-SNOM具有优良的亚表面显微成像检测能力,可应用于微纳电子器件的亚表面结构表征和缺陷检测。     

半导体载流子分布的太赫兹近场显微表征

基于自建的太赫兹散射型扫描近场显微镜系统（THz s-SNOM）,研究了其在显微表征半导体载流子浓度分布中的应用。对基于半导体硅的静态随机存取存储器（SRAM）的纳米结构进行了近场显微成像测量,并采用可见光调控本征硅样品表面的载流子浓度,实现了不同浓度（10¹⁴～10¹⁷ cm⁻³）光生载流子的近场检测。结果表明,此THz s-SNOM能够对半导体微纳结构的载流子分布进行高空间分辨率的显微表征,测量结果与基于偶极子模型的计算结果具有较好的吻合度。     

基于太赫兹技术的锂电池电极涂层质量检测

为了对锂电池的电极涂覆层材料厚度以及均匀性进行无损检测,弥补传统检测方式辐射性强、对检测人员伤害大以及太赫兹远场成像分辨率低的缺点,设计研制了一套测量探头能够灵活移动的太赫兹近场光谱检测系统。采用太赫兹微米探针和利用近场技术对涂覆层进行探测,实现了微米级检测。检测结果表明,本系统能够发现传统β射线和X射线等检测手段无法识别到的厚度不均匀缺陷,可为锂电池电极涂覆层的质量检测提供一种高分辨率的、快速的太赫兹无损安全检测手段。     

220GHz脉冲成像系统设计与应用研究

太赫兹（THz）成像是太赫兹技术的一个重要应用,在安全检查、环境监测、生物和医学的无损检测等方面都发挥着重要的作用。本文主要对太赫兹成像技术进行研究,使用微波源,通过混频和倍频方式得到太赫兹频率源,采用频率步进脉冲体制,设计和实现了一套220GHz太赫兹主动成像系统,并对太赫兹技术的应用技术进行了研究。     

太赫兹超表面近场等离子体涡旋偏移器件设计

为了提升太赫兹（terahertz,THz）通讯容量,设计了一种基于单层超表面的激发近场等离子体涡旋偏移的太赫兹器件。基于几何相位超表面,采用FITD（时域有限积分）软件,对该器件的近场涡旋偏移进行了仿真研究。结果表明,所设计的器件在圆偏振光的入射下,能够实现空间任意位置的偏移。该类功能器件在一定程度上提升了太赫兹通讯容量,可应用于6G技术中。     

镀膜光纤探针近场捕获的模拟与实验

为提高近场捕获的能力与灵活性,研究了一种利用镀膜光纤探针对纳米微粒进行近场捕获的方法.采用麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法建立了近场中纳米微粒的作用力模型,通过光阱力与其他作用力的比较讨论了近场捕获的稳定性,并根据各轴向光阱力的分布情况分析了纳米微粒的捕获尺寸与捕获位置.结果表明,只有当微粒尺寸小于探针孔径时才存...     

真空环境下空气的太赫兹光谱痕量检测

本文采用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)测试分析了不同压强(10--4～103mbar)的空气在0.2～1.5THz频段下的太赫兹光谱.实验表明,透过空气的太赫兹波与参考信号相比有显著的时间延迟和振幅衰减,并且其在0.55THz、0.75THz、1.1THz、1.2THz、1.4THz处出现吸收峰,这与水蒸气对太赫兹波的吸收峰位相一致.随着气体压强的减少,时域信号振幅衰减和时间延迟减少.而气体折射率几乎不随频率变化,但却随着压强的减小而减小.这说明THz-TDS技术能够灵敏的分辨真空环境下压强的变化,并且能对空气中痕量的极性气体灵敏的响应,可以应用于真空环境中的痕量气体检测以及环境监测等.     

生物组织的太赫兹数字全息成像

太赫兹辐射具有低光子能量和较高的透射性,并对水分子等极性物质反应敏感,因此太赫兹数字全息成像法可以快速准确地获取生物组织信息。本文利用太赫兹数字全息成像系统对猪肉和羊肉组织切片进行测量,采用菲涅耳反衍射方法对实验结果进行优化,选取0.9THz分量的振幅图像进行分析。通过计算组织的吸光度获取0.9THz吸光度图像。实验结果显示,肌肉组织的吸光度均在8cm~(-1)以上,脂肪组织的吸光度不超过4cm~(-1)。采用主成分分析方法获得吸光度得分图并进行重建,从重建结果中可以清晰区分生物组织的不同区域。由此表明,太赫兹数字全息成像技术能够直接获取生物组织的二维信息,探测时间短、效率高,在生物检测领域具有广阔的应用前景。     

太赫兹极化合成孔径雷达成像系统设计

基于单站逆合成孔径雷达成像原理,设计了一套太赫兹近场极化合成孔径雷达成像系统。系统在电学成像方式的基础上引入了光学器件硅分束器,达到了基于单站逆合成孔径雷达成像原理的伪双站成像效果。详细分析了系统中由硅分束器引起的系统误差,并提出了校准方案。解决了在近场成像场景中,由于高增益天线视场角窄而引起的多站成像困难的问题。实验结果表明,系统校准方案取得了良好的校准效果,成像系统能够准确地获取目标极化图像。     

基于太赫兹时域光谱系统的爆炸物识别

描述了太赫兹时域光谱系统的原理和组成,研制了太赫兹时域光谱(0.1~3THz)系统。介绍了太赫兹时域光谱技术在爆炸物识别方面的优势及其特点,提出了爆炸物识别的数学模型和方法。采用太赫兹时域光谱系统测试爆炸物样品的特征吸收光谱并将其作为标准模板,然后将爆炸物置于土壤、水泥和塑料障碍物后,采用太赫兹时域光谱系统得到穿透障碍物后爆炸物的特征吸收光谱,并将其与标准模板比对,从而实现爆炸物的隔物穿透识别。实验得到爆炸物RDX的特征吸收光谱,其特征频率为0.82,1.70和2.40THz。实验还对不同厚度和种类障碍物下爆炸物RDX、CL-20、LLM-105和FOX-1进行了实验测试,结果表明:穿透障碍物后爆炸物可识别的特征吸收光谱与标准模板匹配得很好,证明根据爆炸物特征吸收光谱实现爆炸物匹配识别的方法是可行的。基于文中提出的太赫兹时域光谱系统可进一步开展爆炸物残留痕量探测识别和隔物技术研究。     

基于太赫兹光谱的天冬氨酸结构分析及鉴定

太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新的远红外波段光谱测量技术,对化合物结构上的微小差异变化十分敏感,因此成为物质分析与检测的新型方法。文章基于太赫兹时域光谱技术的测定方法,在氮气环境中考察不同来源天冬氨酸在太赫兹波段的吸收特性,并结合差示扫描量热仪（DSC）和傅立叶变换红外光谱仪（FITR）进一步验证THz测定结果的有效性。实验结果表明,用太赫兹时域光谱技术可以清楚地分辨出不同结构天冬氨酸的差异,方法简单,快速,准确。     

Development of a shear force scanning near-field fluorescence microscope for biological applications

In this paper, a shear force scanning near-field fluorescence microscope combined with a confocal laser microspectrofluorometer is described. The shear force detection is realized based on a bimorph cantilever, which provides a very sensitive, reliable, and easy to use method to control the probe-sample distance during scanning. With the system, high-quality shear force imaging of various samples has been carried out. Furthermore, simultaneous shear force and near-field fluorescence imaging of biological cells has also been realized. As an example, we especially present the result on the distribution of P-glycoprotein in the plasma membrane of human small cell lung cancer cells, suggesting that the system would be a promising tool for biological applications.     

Near-field fluorescence imaging and simultaneous observation of surface potentials

We present a new detection method to measure simultaneously surface potential and fluorescence intensity distributions using a combined scanning near-field optical microscope-atomic force microscope (SNOM-AFM). A surface potential image of phospholipid monolayers was obtained in non-contact mode using the SNOM-AFM with a thin-step etched optical fibre probe. For applying this technique, a phospholipid of dipalmitoylphosphatidylethanolamine labelled at the head with a nitrobenzoxadiazole group was used as a fluorescent and single component Langmuir–Blodgett film. It is well known that aggregation of the lipid molecules and their fluorescence intensities are very sensitive to its environmental conditions such as humidity and temperature. We demonstrated for the first time the near-field optical imaging and simultaneous observation of surface potentials with Maxwell stress microscopy.     

Compact fiber-coupled terahertz spectroscopy system pumped at 800 nm wavelength

Photonic terahertz (THz) technology using femtosecond (fs) lasers has a great potential in a wide range of applications, such as non-destructive testing of objects or spectroscopic identification of chemical substances. For industrial purposes, a THz system has to be compact and easily implementable into the particular application. Therefore, fiber-coupled THz systems are the key to a widespread use of THz technology. In order to have flexible THz emitters and detectors near infrared fs light pulses have to be sent through optical fibers of considerable length. As a consequence, the fiber's dispersion has to be compensated for and nonlinear effects in the fiber have to be minimized. A fiber-based THz time-domain spectroscopy system of high stability, flexibility, and portability is presented here.