一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜技术

一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，该系统包括第一部分：第一射频种子源、第一功分器、第一倍频器、定向耦合器；第二部分：第二射频种子源、第二功分器、第二倍频器、混频器；以及抛物面镜、压电陶瓷、纳米级曲率探针、样品、射频混频器、第三倍频器、中频混频器、锁相放大器、信号发生器、计算机、导视激光器和反光镜片。本发明专利技术通过射频混频技术提供本振信号，而后对混频器输出的中频信号进行滤波降噪，再采用锁相技术将将近场波提取出来，从而有效地得到待测样品的信息。同时本发明专利技术还具有结构紧凑简单、操作简单、探测效率高、稳定性高、可操作性强等特点，能够完成近场THz弱散射信号的幅值和相位的提取工作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜
本专利技术涉及太赫兹(THz)探测和应用
，特别涉及一种基于射频电子学方法的太赫兹近场显微镜。
技术介绍
THz波是一种波长介于30μm-3000μm的电磁辐射，由于其低辐射、穿透性强、易与生物或半导体材料产生共振等特殊的光学性质，已经被广泛应用于固体物理学和生物学材料的研究当中。由于其波长处在微米量级，根据经典的光学瑞利判据，远场光谱仪所能达到的最佳分辨率不会优于半个波长。所以为了达到在纳米尺度研究纳米半导体器件或生物分子的目的，需要研发一种近场显微镜绕开瑞利衍射极限，将空间分辨率扩展到纳米量级。散射式THz近场扫描显微镜(THz-SNOM)是目前纳米尺度下进行THz光谱研究的主要工具，也是国际前沿的研究热点。THz-SNOM目前面临的一项巨大的技术难题就是需要借助于功率强大的辐射源来进行泵浦，以达到增强近场电场增强效果。一般而言，基于光学方法的THz辐射源的功率很难满足需要，而电子学倍频的THz源功率一般在毫瓦级，能满足此项设备的需要。基于电子学的THz-SNOM需要解决的主要问题是如何有效地将源发射的THz波聚焦到近场范围，而后再接收回来进行处理。为解决此难题，本项专利技术针对性地设计了一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，通过本专利技术设计的结构，可以在有效发射和接收信号的同时还提高信号传输效率，具有很大的应用潜力。
技术实现思路
为了克服现有近场显微镜技术的遇到的瓶颈问题，本专利技术提供了一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，针对性地解决了光学THz系统中功率不足的问题，同时实验中的信号传输很大程度地实现了波导传输，从而解决了泵浦功率不高和传输损耗过大的问题，为THz近场显微镜的技术实现提供了新的途径。为实现上述技术目的，本专利技术采用的具体的技术方案为：一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，包括第一部分：第一射频种子源1、第一功分器3、第一倍频器5、定向耦合器7；第二部分：第二射频种子源2、第二功分器4、第二倍频器6、混频器8；以及抛物面镜9、压电陶瓷10、纳米级曲率探针11、样品12、射频混频器13、第三倍频器14、中频混频器15、锁相放大器16、信号发生器17、计算机18、导视激光器19、反光镜片20。第一部分中第一射频种子源1与第一功分器3的a端相连，第一功分器3的b端与射频混频器13的a端相连，第一功分器3的c端与第一倍频器5相连，第一倍频器5与定向耦合器7相连；第二部分中第二射频种子源2与第二功分器4的a端相连，第二功分器4的b端与射频混频器13的b端相连，第二功分器4的c端与第二倍频器6相连，第二倍频器6与混频器8的a端相连，混频器8的b端与定向耦合器7相连，混频器8的c端与中频混频器15相连。射频混频器13的c端与第三倍频器14相连，第三倍频器14与中频混频器15相连，中频混频器15与锁相放大器16相连，锁相放大器16与信号发生器17相连，信号发生器17与探针上的压电陶瓷10相连，纳米级曲率探针11在压电陶瓷10促动下进行高频振动，计算机18接收并处理锁相放大器16处理完毕的信号。所述射频种子源可输出频率为GHz频段的信号，可利用倍频器对其输出信号进行一次或多次倍频，以得到想要的THz频段的信号。所述功分器为功率分束器，可以将射频种子源的输出信号分为两路。所述倍频器可以将输入信号的频率进行倍频，而后输出倍频信号。所述定向耦合器可以将倍频后的信号耦合并由波导输出口发射到自由空间，随后并由此输出端口接收由自由空间发射或散射回来的信号，并将反馈回来的信号传输到第三输出端。所述混频器可以将两个输入端的信号进行混频，随后由第三端输出混频后的上变频或下变频信号。所述抛物面镜为镀金大尺寸抛物面镜，完成耦合器发射的THz光束的会聚与近场散射THz波的接收。所述压电陶瓷可以促动探针以纳米级振幅进行高频振动。所述纳米级针尖，可通过控制器精确地完成对探针的纳米级操作，通过探针的振动将携带有样品信息的近场波散射到远场进行接收。所述射频混频器为高频混频器，可以将两个射频种子源的信号进行混频。所述中频混频器可以将输入的两个中频信号进行混频。所述锁相放大器可以通过锁相计算从中频混频器输出的散射信号中提取出含有的样品信息。所述导视激光器可以发出肉眼可见的激光，通过调整使其光路与THz光传播光路相重合，可以很好地指示THz光路的搭建。所述反光镜片是特选镜片，可以透射经过镜片的绝大部分THz光，同时反射经过其表面的可见导视激光。射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜工作原理的说明如下：第一部分中第一射频种子源1发出的信号由第一功分器3分为两路，一路连接到第一倍频器5，经过其倍频后传输到定向耦合器7并经过其波导口发射出去，另一路信号传输到射频混频器13中；第二部分中第二射频种子源2发出的信号由第二功分器4分为两路，一路信号传输到射频混频器13中，另一路连接到第二倍频器6，经过其倍频后传输到混频器8中。定向耦合器7的波导口发出的THz波经离轴抛物面镜9汇聚后照射到由压电陶瓷10驱动的高频振动的纳米探针11上，然后再由离轴抛物面镜9接收含有样品信息的探针针尖的后向散射的非常弱的THz光束，并将其回射到定向耦合器7中，随后定向耦合器7将接收的回射信号传输到第二部分的混频器8中；另一方面射频混频器13的输出信号传输给第三倍频器14，并经过其倍频后送到中频混频器15中，随后该信号与中频混频器15的另一端输入做混频，然后混频后的信号送到锁相放大器16中处理并传送到计算机18中，最终就可得到所测试的样品的幅值和相位信息，即在THz波段的电磁信息。本专利技术中，发光镜片20可以在透射绝大部分的THz波的同时反射导视激光器19发出的光。导视激光器19发出的光为肉眼可见的光，通过发光镜片20的作用，可以将可见光路与THz光路调整为重合光路，起到良好的导视作用，为光路调节提供很大的方便。本专利技术通过信号发生器17的两路同步输出同时控制纳米级探针11和锁相放大器16参考信号输入，实现了信号的同步提取，能够准确地获取探针近场区域激发出的电磁波所携带的样品信息，这样就达到了THz近场信号的高效率、高质量、低操作难度探测的目的。本专利技术的有益效果:1、结构紧凑，容易装箱封装，也大大优化了近场散射信号的探测路，提高了系统探测效率；2、采用了射频电子学的THz源，大大提高了发射源功率的同时，还简化了系统装置，为其产品化提供了便利条件；3、提高了系统稳定性，相对于光学THz-SNOM里的自由空间光路，本专利技术借鉴了射频电路的闭合波导作为传播媒介，有效地隔绝了外界环境的干扰，大大提高了系统稳定性。4、本专利技术采用多种技术联用，包括射频技术、中频滤波技术、调制技术、锁相放大技术等，充分融合了各种技术的优势。通过射频混频技术提供本振信号，而后对混频器输出的中频信号进行滤波降噪，再采用锁相技术将将近场波提取出来，从而有效地得到待测样品的信息。综上,本专利技术是具有结构紧凑简单、操作简单、探测效率高、稳定性高、可操作性强等特点，能够完成近场THz弱散射信号的幅值和相位的提取工作。附图说明图1本专利技术的一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜系统图。1.第一射频种子源；2.第二射频种子源；3.第一功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，其特征在于：第一部分和第二部分；第一部分包括第一射频种子源(1)、第一功分器(3)、第一倍频器(5)和定向耦合器(7)；第二部分包括第二射频种子源(2)、第二功分器(4)、第二倍频器(6)、混频器(8)；以及抛物面镜(9)、压电陶瓷(10)、纳米级曲率探针(11)、样品(12)、射频混频器(13)、第三倍频器(14)、中频混频器(15)、锁相放大器(16)、信号发生器(17)、计算机(18)、导视激光器(19)、反光镜片(20)；第一部分中第一射频种子源(1)与第一功分器(3)的a端相连，第一功分器(3)的b端与射频混频器(13)的a端相连，第一功分器(3)的c端与第一倍频器(5)相连，第一倍频器(5)与定向耦合器(7)相连；第二部分中第二射频种子源(2)与第二功分器(4)的a端相连，第二功分器(4)的b端与射频混频器(13)的b端相连，第二功分器(4)的c端与第二倍频器(6)相连，第二倍频器(6)与混频器(8)的a端相连，混频器(8)的b端与定向耦合器(7)相连，混频器(8)的c端与中频混频器(15)相连；射频混频器(13)的c端与第三倍频器(14)相连，第三倍频器(14)与中频混频器(15)相连，中频混频器(15)与锁相放大器(16)相连，锁相放大器(16)与信号发生器(17)相连，信号发生器(17)与探针上的压电陶瓷(10)相连，纳米级曲率探针(11)在压电陶瓷(10)促动下进行高频振动，计算机(18)接收并处理锁相放大器(16)处理完毕的信号；第一部分中第一射频种子源(1)发出的信号由第一功分器(3)分为两路，一路连接到第一倍频器(5)，经过其倍频后传输到定向耦合器(7)并经过其波导口发射出去，另一路信号传输到射频混频器(13)中；第二部分中第二射频种子源(2)发出的信号由第二功分器(4)分为两路，一路信号传输到射频混频器(13)中，另一路连接到第二倍频器(6)，经过其倍频后传输到混频器(8)中；定向耦合器(7)的波导口发出的THz波经离轴抛物面镜(9)汇聚后照射到由压电陶瓷(10)驱动的高频振动的纳米探针(11)上，然后再由离轴抛物面镜(9)接收含有样品信息的探针针尖的后向散射的非常弱的THz光束，并将其回射到定向耦合器(7)中，随后定向耦合器(7)将接收的回射信号传输到第二部分的混频器(8)中；另一方面射频混频器(13)的输出信号传输给第三倍频器(14)，并经过其倍频后送到中频混频器(15)中，随后该信号与中频混频器(15)的另一端输入做混频，然后混频后的信号送到锁相放大器(16)中处理并传送到计算机(18)中，最终就可得到所测试的样品的幅值和相位信息，即在THz波段的电磁信息；本专利技术中，发光镜片(20)可以在透射绝大部分的THz波的同时反射导视激光器(19)发出的光；导视激光器(19)发出的光为肉眼可见的光，通过发光镜片(20)的作用，可以将可见光路与THz光路调整为重合光路，起到良好的导视作用，为光路调节提供很大的方便；通过信号发生器(17)的两路同步输出同时控制纳米级探针(11)和锁相放大器(16)参考信号输入，实现了信号的同步提取，能够准确地获取探针近场区域激发出的电磁波所携带的样品信息，这样就达到了THz近场信号的高效率、高质量、低操作难度探测的目的。...

【技术特征摘要】
1.一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，其特征在于：第一部分和第二部分；第一部分包括第一射频种子源(1)、第一功分器(3)、第一倍频器(5)和定向耦合器(7)；第二部分包括第二射频种子源(2)、第二功分器(4)、第二倍频器(6)、混频器(8)；以及抛物面镜(9)、压电陶瓷(10)、纳米级曲率探针(11)、样品(12)、射频混频器(13)、第三倍频器(14)、中频混频器(15)、锁相放大器(16)、信号发生器(17)、计算机(18)、导视激光器(19)、反光镜片(20)；第一部分中第一射频种子源(1)与第一功分器(3)的a端相连，第一功分器(3)的b端与射频混频器(13)的a端相连，第一功分器(3)的c端与第一倍频器(5)相连，第一倍频器(5)与定向耦合器(7)相连；第二部分中第二射频种子源(2)与第二功分器(4)的a端相连，第二功分器(4)的b端与射频混频器(13)的b端相连，第二功分器(4)的c端与第二倍频器(6)相连，第二倍频器(6)与混频器(8)的a端相连，混频器(8)的b端与定向耦合器(7)相连，混频器(8)的c端与中频混频器(15)相连；射频混频器(13)的c端与第三倍频器(14)相连，第三倍频器(14)与中频混频器(15)相连，中频混频器(15)与锁相放大器(16)相连，锁相放大器(16)与信号发生器(17)相连，信号发生器(17)与探针上的压电陶瓷(10)相连，纳米级曲率探针(11)在压电陶瓷(10)促动下进行高频振动，计算机(18)接收并处理锁相放大器(16)处理完毕的信号；第一部分中第一射频种子源(1)发出的信号由第一功分器(3)分为两路，一路连接到第一倍频器(5)，经过其倍频后传输到定向耦合器(7)并经过其波导口发射出去，另一路信号传输到射频混频器(13)中；第二部分中第二射频种子源(2)发出的信号由第二功分器(4)分为两路，一路信号传输到射频混频器(13)中，另一路连接到第二倍频器(6)，经过其倍频后传输到混频器(8)中；定向耦合器(7)的波导口发出的THz波经离轴抛物面镜(9)汇聚后照射到由压电陶瓷(10)驱动的高频振动的纳米探针(11)上，然后再由离轴抛物面镜(9)接收含有样品信息的探针针尖的后向散射的非常弱的THz光束，并将其回射到定向耦合器(7)中，随后定向耦合器(7)将接收的回射信号传输到第二部分的混频器(8)中；另一方面射频混频器(13)的输出信号传输给第三倍频器(14)，并经过其倍频后送到中频混频器(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：代广斌，
申请(专利权)人：代广斌，
类型：发明
国别省市：吉林,22