薛占強,尚麗平,2,鄧 琥,2,張前成,劉泉澄

(1.西南科技大學信息工程學院,四川 綿陽 621010；2.西南科技大學 特殊環(huán)境機器人技術四川省重點實驗室,四川 綿陽 621010)

1 引 言

太赫茲波一般是指波長在30 μm～3 mm的電磁波。由于具有的獨特性能,太赫茲波在成像技術方面有著廣闊的應用[1]。一般的太赫茲時域光譜成像系統(tǒng)是基于透鏡組的遠場探測,成像分辨率受到太赫茲衍射光斑的限制,因此傳統(tǒng)的太赫茲成像分辨率約為數(shù)百微米。

近些年,國內(nèi)外的研究機構通過近場探測[2]、孔徑局域[3]等方法,進一步提高了太赫茲成像分辨,較為典型的有波導法[4],散射體[5],探針[6]等。波導法降低了太赫茲傳輸損耗,避免了近場探測中的群色散,可實現(xiàn)λ/15成像分辨率,但是系統(tǒng)設計相對復雜；亞波長針尖探測帶有近場信息的散射信號,分辨率小于10 nm,但是分辨率受限于金屬針尖的尺寸,且散射的微信號難以提??；光導探針利用光導天線原理測量近場信息,成像分辨率約為λ/600,系統(tǒng)易于調(diào)整和操作,但是探針脆弱易損壞[7]。

利用飛秒激光成絲進行THz成像[8],系統(tǒng)設計簡單,太赫茲信號可以通過光電晶體直接探測,又能實現(xiàn)亞波長分辨率成像[9]。國內(nèi)外其他一些研究機構針對飛秒激光成絲產(chǎn)生太赫茲波過程中的等離子體傳輸波導[10],等離子體長度[11]、光譜和時間特性[12],太赫茲波的發(fā)散角[13]、光束直徑[14]等進行了廣泛研究。但目前尚缺乏截斷等離子體不同位置對產(chǎn)生太赫茲影響的相關探索。因為在利用激光成絲產(chǎn)生的太赫茲波成像時,激光經(jīng)透鏡聚焦形成的等離子體絲,其光場強度約為1014～1016W/cm2,需在樣品前端放置不易被等離子體絲擊穿的衰減片(如氧化鋁陶瓷),保護待測樣品。此時,衰減片在不同位置截斷等離子體,將會對太赫茲的產(chǎn)生具有一定影響,因此需對衰減片的插入位置做出一定的判斷。

本研究使用飛秒激光成絲產(chǎn)生太赫茲波,對金屬掩膜板掃描成像,對比分析了時域和頻域的成像效果,研究了氧化鋁陶瓷在不同位置截斷等離子體絲對產(chǎn)生太赫茲波的影響。

2 成像原理和方法

基于飛秒激光成絲的THz成像,其太赫茲源為雙色光成絲。超短雙色激光與空氣相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射,其相關機制存在多種理論,其中較為認可的是四波混頻[15],即兩個基頻光光子與一個倍頻光光子進行差頻得到一個太赫茲波光子。四波混頻的實質(zhì)是三階非線性過程,它與空氣的三階非線性極化率有直接聯(lián)系。由于空氣的三階非線性系數(shù)較小,需要利用亞毫焦及其以上能量的飛秒脈沖電離空氣,增加空氣的三階非線性系數(shù),產(chǎn)生強度高的太赫茲波[16]。四波混頻過程產(chǎn)生的太赫茲電場可如下表示:

式中,φ為基頻光和倍頻光的相位差。

飛秒激光在空氣中聚焦成絲可產(chǎn)生等離子體通道,形成空心圓柱波導,太赫茲波局域在圓柱波導內(nèi)部傳輸[9],由此得到的太赫茲光斑直徑在亞波長量級。因此采用飛秒激光成絲產(chǎn)生的太赫茲波照射掩膜板,通過移動電動平移臺對掩膜板逐點掃描,每個掃描點可得到一個太赫茲時域波形,對每個太赫茲時域波形進行特征提取,最終獲得掩膜板的亞波長分辨率圖像。

3 構建成像系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結構

飛秒激光成絲太赫茲成像系統(tǒng)如圖1所示。Ti寶石激光器(1 kHz,4 mJ/脈沖,800 nm,35 fs)發(fā)出的激光由1/2波片(HWP)、分束鏡(CBS)分成泵浦光和探測光。泵浦光經(jīng)過延遲平移臺之后,由400 mm長焦距透鏡L1在空氣中聚焦,通過BBO晶體后產(chǎn)生雙色光,在L1幾何焦點處產(chǎn)生太赫茲波。氧化鋁陶瓷插入等離子體絲,將等離子體截斷。掩膜板緊貼在氧化鋁陶瓷的背面,并將兩者固定在二維電動平移臺上,進行逐點掃描。攜帶掩膜板信息的太赫茲波經(jīng)過太赫茲透鏡L2、L3收集-準直-聚焦之后,與硅片反射的探測光共線入射到1 mm厚的ZnTe晶體,最后利用電光采樣方法檢測太赫茲波。

圖1 成像系統(tǒng)原理圖 M1～M6是反射鏡,L1是普通聚焦透鏡,L2和L3 是特殊透鏡,其在THz波長周圍具有高透射率Fig.1 Schematic diagram of the imaging system M1～M6 is reflectors,L1 is typical focusing lens,L2 and L3 are special lenses with high transmittance around THz wavelength

3.2 氧化鋁陶瓷太赫茲透過率測試

氧化鋁陶瓷的厚度直接影響太赫茲波透過率和等離子體的擊穿深度。為選取既不能被等離子體擊穿同時對太赫茲波有較高透過率的陶瓷,實驗采用Zomega(Z-3)太赫茲時域光譜儀測試五種厚度的氧化鋁陶瓷,獲得透過不同厚度氧化鋁陶瓷的太赫茲時域波形,并將其太赫茲時域波形與空氣中測得太赫茲時域波形進行對比,如圖2所示。

圖2 不同厚度氧化鋁陶瓷太赫茲透過率測試Fig.2 THz transmittance test of alumina ceramics withdifferent thickness

空氣中測得的太赫茲時域波形峰值為Aref,通過氧化鋁陶瓷測得的太赫茲時域波形峰值為Acreamic,透過率η的計算公式為:

η=Acreamic/Aref

(2)

五種厚度氧化鋁陶瓷的太赫茲波透過率如表1所示。

表1 不同氧化鋁陶瓷厚度的太赫茲透過率Tab.1 THz transmittance of different alumina ceramic thicknesses

0.28 mm、0.40 mm、0.52 mm的氧化鋁陶瓷被等離子體子明顯擊穿,0.68 mm和1 mm厚度的氧化鋁陶瓷未被等離子體擊穿下,且太赫茲透過率與其他厚度的氧化鋁陶瓷相差極小,適合等截斷離體子。氧化鋁陶瓷的厚度差異,造成圖2中透過不同厚度氧化鋁陶瓷的太赫茲波形在時間上有幾皮秒的延遲。

3.3氧化鋁陶瓷截斷等離子體絲不同位置對產(chǎn)生太赫茲波的影響

氧化鋁陶瓷是將等離子體截斷,以免掩膜板被等離子體擊穿。圖3(a)中的白色線條為CCD相機拍得飛秒激光聚焦、經(jīng)過BBO晶體之后的絲狀等離子體。(b)為移動氧化鋁陶瓷(白色擋板)在不同位置截斷等離子體絲示意圖。氧化鋁陶瓷從等離子體成絲的初始區(qū)域(ⅰ),以1 mm步長經(jīng)過等離子體絲區(qū)域(ⅱ),并延伸至等離子體絲結束區(qū)域(ⅲ),按照(b)中箭頭所方向移動25 mm,每移動1 mm,探測一次太赫茲時域波形,每個截斷位置的太赫茲時域波形幅值如圖3(c)所示。

在ⅰ區(qū)域,氧化鋁陶瓷阻擋了BBO晶體產(chǎn)生的雙色激光,破壞等離子體的形成,太赫茲無法產(chǎn)生。在ⅱ區(qū)域,伴隨氧化鋁陶瓷的移動,等離子體絲長度逐漸增加,雙色激光產(chǎn)生的太赫茲幅值變大。在ⅲ區(qū)域,等離子體絲消失,產(chǎn)生的太赫茲波幅值趨于恒定。

根據(jù)圖3(c),并考慮等離子體絲輻射太赫茲波的發(fā)散角,將氧化鋁陶瓷放置于等離子體絲A點位置。

圖3 氧化鋁陶瓷在不同位置截斷等離子體絲Fig.3 Cutting offplasma filament using ceramic in different positions

4 結 果

4.1 太赫茲波光譜

按照圖1所示的系統(tǒng),得到飛秒激光成絲產(chǎn)生的太赫茲波,其時域波形如圖4(a)所示。圖4(b)為其時域波形傅里葉變換得到的頻域光譜,頻域光譜峰值頻率為0.51 THz,對應波長約600 μm。

4.2 成像系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

為驗證成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在同等實驗環(huán)境中重復測量太赫茲時域波形,如圖5所示。圖5(a)為30次重復測量得到的太赫茲時域波形。由于飛秒激光功率的輕微波動,波形之間存在一定的差別。圖5(b)為30次重復測量得到的時域波形峰峰值。通過計算峰峰值的相對標準偏差,得到系統(tǒng)穩(wěn)定性為1.35%。

4.3 掩膜板結構

掩膜板為不銹鋼材質(zhì),其結構如圖6插圖所示,灰色為金屬柵格,白色為柵格間隙。金屬柵格寬度從左至中間位置為500 μm、400 μm、300 μm、200 μm、150 μm、125 μm、100 μm,且左右對稱,柵格間隙均為500 μm。將掩膜板貼在氧化鋁陶瓷背面,通過手動平移臺將其移動到等離子體在圖3(c)中A點對應的位置,測量透過掩膜板柵格、間隙的太赫茲波,如圖6所示。由于掩膜板邊緣部分為金屬材質(zhì),太赫茲波無法穿過,太赫茲時域波形幅值接近0；對于掩膜板的間隙,太赫茲波完全穿過,得到的太赫茲時域波形幅值與圖3(c)中A點對應的幅值一致。

圖4 飛秒激光成絲產(chǎn)生的太赫茲波Fig.4 Terahertz spectroscopy produced by femtosecond laser filament

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試Fig.5 System stability test

圖6 掩膜板結構測試(插圖為掩膜板的光學照片)Fig.6 Testfor the structureofmaskplate (the insetisthephotoimageofmaskplate)

4.4 掩膜板掃描成像

4.4.1 時域成像

根據(jù)圖1實驗系統(tǒng),沿x軸和y軸方向分別以100 μm步長移動平移臺。通過逐點掃描,得到各個掃描點的太赫茲時域波形。

定義太赫茲時域波形的波峰值和波谷值為最大值和最小值,兩者做差得出峰峰值。峰峰值、最大值和最小值成像如圖7(b)、(c)、(d)所示。這三種方法數(shù)據(jù)處理簡單,但成像結果與掩膜板有一定偏差,且不能分辨出掩膜板中心位置的柵格結構。另一種時域成像方法是積分能量成像,此方法雖然需要計算太赫茲波形所有數(shù)據(jù),但可避免實驗系統(tǒng)的隨機影響。積分能量計算方法為:

式中,F(xm,n)為太赫茲時域波形積分能量值;fi為太赫茲時域波形幅值；N為太赫茲波形采樣點。積分能量成像結果如圖7(a)所示。可以明顯看到,相比于最大值、峰峰值和最小值成像,積分能量成像結果更加穩(wěn)定,掩膜板的金屬柵格和間隙可以明顯的區(qū)分,并且能夠分辨出中心位置100 μm的柵格。

4.4.2 頻域成像

為對比時域和頻域的成像結果,本文根據(jù)T.D.Dorney和L.D.Duvillaret提出的太赫茲時域光譜技術提取被測對象光學常數(shù)的模型[17],得到頻域成像結果。

掃描掩膜板成像之前,首先在空氣中測得太赫茲時域波形,定義其為參考波形。測量透過掩膜板的太赫茲波形,定義為信號波形。對參考波形和信號波形進行快速傅里葉變換,得到參考頻譜R(ω)e-jφR(ω)和信號頻譜S(ω)e-jφS(ω)。通過公式(4)計算參考頻譜和信號頻譜:

得到φ(ω)和T(ω)。根據(jù)式(5)、(6),計算折射率和吸收系數(shù)。

式中,n為折射率；α為吸收系數(shù)；c為真空中的光速；d是掩膜板的厚度。

由于一個太赫茲時域波形對應一個掃描點,因此對太赫茲時域波形進行傅里葉變換,并計算出掩膜板各個掃描點的吸收系數(shù)和折射率,即可得到掩膜板的吸收系數(shù)和折射率成像,如圖7(e)(f)所示。

對比可知:吸收系數(shù)成像能粗略顯示掩膜板的吸收系數(shù)分布,成像較為模糊,掩膜板邊緣金屬部分和間隙的成像顏色存在明顯重疊。折射率成像能夠反映出掩膜板同種結構的折射率分布,但分辨率較低,成像結果與掩膜板偏差較大。

圖7 不同成像方式的對比結果Fig.7 The comparison results of different imaging methods

4.4.3 成像對比

圖8對比了掩膜板的光學照片(a)、積分能量成像圖(b)和積分能量值波形(c)。光學照片中的柵格-間隙分布與積分能量成像中的條紋、積分能量值波形中的波峰波谷位置保持一致。在積分能量值的波形中,可以更清楚地看出掩膜板中心100 μm柵格的位置,及其與兩側空氣間隙的明顯差異。

掩膜板的積分能量成像顏色譜縱向有輕微的差異,其原因是:電動平移臺和掩膜板在安裝固定時有一定的角度偏差,導致在移動平移臺進行掃描成像時,掩膜板掃描點與飛秒激光成絲焦點的相對位置發(fā)生變化,照射在掩膜板上的太赫茲強度發(fā)生改變,致使縱向顏色出現(xiàn)差異。

圖8 太赫茲積分能量成像分析Fig.8 Analysis of terahertz energy integral imaging

5 結 論

利用飛秒激光成絲產(chǎn)生太赫茲波,研究了氧化鋁陶瓷在不同位置截斷等離子體絲對產(chǎn)生太赫茲波的影響,結合太赫茲時域光譜技術,對掩膜板進行掃描成像,實現(xiàn)約100 μm亞波長分辨率成像(峰值頻率0.51 THz)。分析對比了時域成像中的最大值成像、最小值成像、峰峰值成像和積分能量成像,以及頻域中的吸收系數(shù)成像和折射率成像。在表征掩膜板結構分布時,時域成像優(yōu)于頻域成像,并且時域成像中的積分能量成像可以分辨出掩膜板更多的細微結構,實現(xiàn)更好的成像效果。