第三节　超分辨成像系统

无孔径扫描光学显微镜（ANSOM）技术基于亚波长尺寸的锥形金属针尖可以散射光场，因此可以作为一个光源的思想。将针尖放在物体的表面，可以使得针尖周围的介电常数发生改变，使得其散射的光总量发生改变，如图1-2-6所示。在物体表面移动针尖并测量散射光的总量，就能够以亚波长的分辨率获得物体表面的介电常数信息。人们在可见和红外波段进行了开拓性的实验研究［1-5］。首个THz波段的ANSOM实验是使用THz脉冲在时域光谱系统中进行的［6，7］。针尖尖端的近场可以直接使用聚焦探测脉冲进行电光采样测量，如图1-2-6所示。这种方法的一个优点是通过合理选择电光晶体的取向，就可以抑制不想要的背景信号。可以证明，（100）取向的GaP或ZnTe晶体可以测量电场的z分量，即垂直于晶体表面方向的电场分量，而同时测量不到x和y分量［6，8］。只有在锥形针尖的附近才有z分量，这是因为在准静态近似下，金属界面电场的边界条件只允许垂直于金属表面方向的电场分量存在。当然这只是对于完美金属而言，真实金属的表面存在很小的切向分量。这个分量在THz频段非常小，在本章后面的内容中将忽略这一项。因此在针尖尖端附近，电场线发生形变，产生了z分量。通过这种方法人们获得了5µm的空间分辨率，这是由探测光束的聚焦直径限制导致的。这个方法与可见光/红外ANSOM方法的区别是它可以直接测量电场强度，而不是测量光强，因此这个方法可以测量锥形针尖的频率滤波性质。使用锥形金属针尖作为探测天线，也可以得到亚波长空间分辨率，这是由于它主要对近场的z分量很敏感［9］。

图1-2-6　THz波段ANSOM示意图

（a）从上面入射的THz波照射到置于样品/衬底上方的针尖，被针尖散射的光在远场收集；（b）置于样品/衬底上方的金属针尖被单周期THz脉冲照射，针尖尖端将电场集中到尖端下方的亚波长区域内，并在近场通过一个GaP电光晶体使用紧聚焦近红外探测脉冲进行检测

采用金属针尖进行成像的优势在于可以获得极高的空间分辨率，但其缺点也很明显，由于针尖移动速度较慢，因而所扫描的范围较小。

一种提高THz成像空间分辨率的方法是使用亚波长量级的孔径光阑来减小光源的尺寸或探测器的尺寸，或者两者都减小。在THz频段这个方向最早的研究由Keilmann［10］和Hunsche［11］先后完成，他们都使用了具有小出射孔径的拉锥金属波导，来减小THz源的尺寸。Keilmann获得了λ/2的空间分辨率，Hunsche等人获得了λ/4的空间分辨率。使用光阑的一个问题是小孔径光阑的远场透射功率以a6速度变化（a为光阑的孔径大小）。因此对于波长小于λ/2的波段，它们的远场透射谱下降的非常快。Mitrofanov等人采取了另一种途径［15］，他们在光电导发射器上使用金属层集成了一个小孔径光阑，来得到一个小孔径光源，获得了60µm的空间分辨率。接下来Mitrofanov还探讨了将光电导天线和小孔径光阑集成的可能性，以用来探测THz脉冲［16］。使用这种收集式的探测器，如图1-2-7所示，在LT GaAs上面制作了一个光电导偶极天线并转移到蓝宝石衬底上。GaAs层变薄，并在顶部形成了一个圆锥。在圆锥周围表面镀一层600nm厚的金膜，形成一个光阑。人们最终获得了惊人的7µm的空间分辨率［17］。对于电场测量而言，其远场透射以a3的形式变化。这个现象已被一个THz实验验证［18］，实验使用了一个集成了5μm孔径的光电导探头。对于这么小的光阑，直接透过600nm厚金属层的光虽然很少，但是已经不能忽略了。在另一个实验中，上述研究者增大了探测器和孔的距离，发现场的强度随着距离的增大呈倒数降低［14，19］。

图1-2-7　Mitrofanov等人使用的近场探测示意图

近年来又发展出了太赫兹压缩成像技术［20］。该技术使用单像素太赫兹功率探测器进行探测。通过使用动态可编程的空间编码器对太赫兹波进行调制的技术实现单探测器的空间压缩成像。该技术采用人工超材料结构做成8×8的模板，每一个像素都是一个可实现电控的动态、偏振敏感的超材料吸收体。超材料的电磁性质可以通过偏置电压进行调控，因此64个像素可以分别单独的进行动态调控，从而组成一个太赫兹波的空间光调制器，实现对太赫兹波的实时空间编码调控（图1-2-8）。

图1-2-8　使用空间光调制器（SLM）进行单像素成像的过程

（翟召辉　李江）