太赫茲(THz,1 THz=10~(12) Hz)輻射是指電磁波譜中介于微波與紅外光波之間的一段電磁輻射,且具有電磁波譜中其他波段所不具備的獨(dú)特性質(zhì),即穿透性強(qiáng)、相干性好、電離能低以及特異性識(shí)別度高等特殊的性質(zhì),使得其在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)都有巨大的應(yīng)用和開發(fā)潛力,該技術(shù)也被譽(yù)為改變未來的技術(shù)之一。目前大部分的THz光譜研究主要使用的系統(tǒng)有THz時(shí)域光譜系統(tǒng)(THz-TDS),電子固態(tài)源倍頻系統(tǒng),差頻連續(xù)掃描系統(tǒng),量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)系統(tǒng)等,借助的技術(shù)手段是遠(yuǎn)場成像或掃描技術(shù),這種技術(shù)的物理原理遵循傳統(tǒng)的菲涅爾衍射定律,其能夠獲得的最佳分辨率受到阿貝衍射極限的限制,所以該技術(shù)的最佳分辨率不會(huì)優(yōu)于入射光的半波長。隨著生物化學(xué)和材料科學(xué)迅猛的發(fā)展需要,人們發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)場技術(shù)并不能滿足對(duì)樣品進(jìn)行超分辨掃描或成像的需要,而目前市場上的THz近場系統(tǒng)技術(shù)尚不成熟,技術(shù)問題較多且價(jià)格非常昂貴,無法進(jìn)行普及。所以亟待開發(fā)一種近場成像掃描系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)在THz波段的超分辨光譜技術(shù),進(jìn)而滿足各學(xué)科的發(fā)展需求。本文在已報(bào)道的光學(xué)近場技術(shù)和THz近場技術(shù)的基礎(chǔ)上,旨在開發(fā)一種散射式的THz近場掃描顯微鏡(THz-SNOM),實(shí)現(xiàn)在更低頻THz波段的納米量級(jí)的超分辨成像,并且將該系統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)及搭建過程進(jìn)行總結(jié),進(jìn)而推動(dòng)該THz近場技術(shù)及儀器的發(fā)展�？紤]到系統(tǒng)研制的難度,該工作難以一次性完成,故此本文在充分調(diào)研文獻(xiàn)以及前期實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上,將研究工作分為了三個(gè)階段進(jìn)行層級(jí)推進(jìn)以達(dá)到最終目的。三個(gè)階段的工作分別是:百十微米級(jí)的近場研發(fā),單微米量級(jí)系統(tǒng)研發(fā),而后在前兩部分研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行第三階段的工作,即納米級(jí)分辨系統(tǒng)的研發(fā)。經(jīng)過多年努力,我們成功完成了三個(gè)階段的工作,并且在前兩個(gè)階段都研制出了階段性的具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)且可以獨(dú)立使用的具有微米分辨能力的THz-SNOM系統(tǒng)樣機(jī),為最終的第三階段納米分辨能力系統(tǒng)的研發(fā)工作的順利完成提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文主要的研究成果簡要如下:(1)第一階段開發(fā)出了基于差頻THz連續(xù)掃描系統(tǒng)的近場系統(tǒng),系統(tǒng)最高分辨能力為40μm。該工作證明了差頻系統(tǒng)THz源不是散射式系統(tǒng)的最佳匹配源,也為第二、三階段的工作證明了散射方法和調(diào)制解調(diào)算法的可行性;(2)第二階段開發(fā)出了基于110 GHz倍頻源系統(tǒng)的單微米級(jí)分辨能力的近場顯微鏡,分辨能力為1.0μm,分辨能力在W波段屬于先進(jìn)水平。該工作確認(rèn)了無反饋系統(tǒng)的介入情況下可操作控制的最小針尖-樣品間距,以及可以獲得的最佳分辨率為1.0μm。證明了為了取得納米分辨率,第三階段工作是非常必要的,同時(shí)也驗(yàn)證了仿真理論和系統(tǒng)各部分算法的正確性;(3)第三階段在前述兩階段的工作基礎(chǔ)上開發(fā)出了基于110 GHz倍頻源系統(tǒng)和原子力顯微鏡耦合的散射式近場掃描顯微鏡,目前取得的分辨率約為300nm,約為入射光波長的萬分之一,該比值在THz-SNOM系統(tǒng)中屬于先進(jìn)水平;(4)總結(jié)并計(jì)算了散射式近場掃描顯微鏡中各種復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù),為此類型系統(tǒng)的研發(fā)和使用提供了指導(dǎo)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試,上述系統(tǒng)具有比較好的穩(wěn)定性,在室溫環(huán)境下能夠取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,具有一定的商業(yè)化前景,對(duì)于THz光譜技術(shù)的升級(jí)換代及THz近場成像儀器的普及和開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH742
【部分圖文】：

第 1 章 緒論1.1 研究背景及意義太赫茲（THz，1 THz =1012Hz）輻射是指電磁波譜中光子頻率介于 0.1 THz—10 THz（對(duì)應(yīng)波長 3000 μm—30 μm）的一段電磁輻射，如圖 1.1 所示，其頻率介于微波與紅外光波之間，其光子能量較低，大約在 4 meV 左右。與微波和紅外線相比，THz 波具有穿透性強(qiáng)，相干性好，電離能低，以及特異性識(shí)別度高等特殊的性質(zhì)[1-3]，這使得 THz 波在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)都有著巨大的應(yīng)用和開發(fā)潛力，其商業(yè)價(jià)值和對(duì)各學(xué)科研究以及學(xué)科交叉領(lǐng)域的推動(dòng)作用都是不可估量的，目前國內(nèi)外已經(jīng)掀起了 THz 波技術(shù)的科研熱潮，被譽(yù)為改變未來的技術(shù)之一。

辨率結(jié)果去揭示和說明，遠(yuǎn)場尺度的分辨能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了樣品探測的需要。電磁圖譜中各波段顯微鏡特點(diǎn)如圖 1.1 所示，可以見到 THz 顯微鏡具有明顯的科研價(jià)值，是電磁波顯微鏡家族一個(gè)不可或缺的家庭成員，開發(fā)一種能夠突破衍射極限的 THz 顯微鏡是亟待解決的一個(gè)科學(xué)難題。圖 1.2 舉出了幾個(gè)典型的需要用到THz 近場成像的領(lǐng)域。

基于成熟的紅外和可見光波段的高分辨率成像技術(shù)，科研工作者已經(jīng)開發(fā)出了多種近場 THz 系統(tǒng)，其分類主要分為可以孔徑型近場 THz 系統(tǒng)、透反射式近場 THz 系統(tǒng)和散射式近場 THz 系統(tǒng)三大類。下面分別簡要介紹下近場 THz 系統(tǒng)的分類及其優(yōu)缺點(diǎn)。1.2.1 孔徑型近場 THz 系統(tǒng)（1）貼孔式近場系統(tǒng)孔徑型近場的設(shè)想是由 E.H. Synge 于 1928 年提出的[39]，其大概思路就是利用微納尺度的小孔限制透射光的光通量進(jìn)而抑制非相關(guān)位置的光學(xué)衍射以達(dá)到獲得超過光學(xué)衍射極限的分辨率的目的。常見的貼孔式近場可分為圖 1.3 的三種模式。
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2839794