基于飞秒激光成丝的太赫兹成像

薛占强,尚丽平,2,邓 琥,2,张前成,刘泉澄

(1.西南科技大学信息工程学院,四川 绵阳 621010；2.西南科技大学 特殊环境机器人技术四川省重点实验室,四川 绵阳 621010)

1 引 言

太赫兹波一般是指波长在30 μm～3 mm的电磁波。由于具有的独特性能,太赫兹波在成像技术方面有着广阔的应用[1]。一般的太赫兹时域光谱成像系统是基于透镜组的远场探测,成像分辨率受到太赫兹衍射光斑的限制,因此传统的太赫兹成像分辨率约为数百微米。

近些年,国内外的研究机构通过近场探测[2]、孔径局域[3]等方法,进一步提高了太赫兹成像分辨,较为典型的有波导法[4],散射体[5],探针[6]等。波导法降低了太赫兹传输损耗,避免了近场探测中的群色散,可实现λ/15成像分辨率,但是系统设计相对复杂；亚波长针尖探测带有近场信息的散射信号,分辨率小于10 nm,但是分辨率受限于金属针尖的尺寸,且散射的微信号难以提取；光导探针利用光导天线原理测量近场信息,成像分辨率约为λ/600,系统易于调整和操作,但是探针脆弱易损坏[7]。

利用飞秒激光成丝进行THz成像[8],系统设计简单,太赫兹信号可以通过光电晶体直接探测,又能实现亚波长分辨率成像[9]。国内外其他一些研究机构针对飞秒激光成丝产生太赫兹波过程中的等离子体传输波导[10],等离子体长度[11]、光谱和时间特性[12],太赫兹波的发散角[13]、光束直径[14]等进行了广泛研究。但目前尚缺乏截断等离子体不同位置对产生太赫兹影响的相关探索。因为在利用激光成丝产生的太赫兹波成像时,激光经透镜聚焦形成的等离子体丝,其光场强度约为1014～1016W/cm2,需在样品前端放置不易被等离子体丝击穿的衰减片(如氧化铝陶瓷),保护待测样品。此时,衰减片在不同位置截断等离子体,将会对太赫兹的产生具有一定影响,因此需对衰减片的插入位置做出一定的判断。

本研究使用飞秒激光成丝产生太赫兹波,对金属掩膜板扫描成像,对比分析了时域和频域的成像效果,研究了氧化铝陶瓷在不同位置截断等离子体丝对产生太赫兹波的影响。

2 成像原理和方法

基于飞秒激光成丝的THz成像,其太赫兹源为双色光成丝。超短双色激光与空气相互作用产生太赫兹辐射,其相关机制存在多种理论,其中较为认可的是四波混频[15],即两个基频光光子与一个倍频光光子进行差频得到一个太赫兹波光子。四波混频的实质是三阶非线性过程,它与空气的三阶非线性极化率有直接联系。由于空气的三阶非线性系数较小,需要利用亚毫焦及其以上能量的飞秒脉冲电离空气,增加空气的三阶非线性系数,产生强度高的太赫兹波[16]。四波混频过程产生的太赫兹电场可如下表示:

式中,φ为基频光和倍频光的相位差。

飞秒激光在空气中聚焦成丝可产生等离子体通道,形成空心圆柱波导,太赫兹波局域在圆柱波导内部传输[9],由此得到的太赫兹光斑直径在亚波长量级。因此采用飞秒激光成丝产生的太赫兹波照射掩膜板,通过移动电动平移台对掩膜板逐点扫描,每个扫描点可得到一个太赫兹时域波形,对每个太赫兹时域波形进行特征提取,最终获得掩膜板的亚波长分辨率图像。

3 构建成像系统

3.1 系统结构

飞秒激光成丝太赫兹成像系统如图1所示。Ti宝石激光器(1 kHz,4 mJ/脉冲,800 nm,35 fs)发出的激光由1/2波片(HWP)、分束镜(CBS)分成泵浦光和探测光。泵浦光经过延迟平移台之后,由400 mm长焦距透镜L1在空气中聚焦,通过BBO晶体后产生双色光,在L1几何焦点处产生太赫兹波。氧化铝陶瓷插入等离子体丝,将等离子体截断。掩膜板紧贴在氧化铝陶瓷的背面,并将两者固定在二维电动平移台上,进行逐点扫描。携带掩膜板信息的太赫兹波经过太赫兹透镜L2、L3收集-准直-聚焦之后,与硅片反射的探测光共线入射到1 mm厚的ZnTe晶体,最后利用电光采样方法检测太赫兹波。

图1 成像系统原理图 M1～M6是反射镜,L1是普通聚焦透镜,L2和L3 是特殊透镜,其在THz波长周围具有高透射率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 氧化铝陶瓷太赫兹透过率测试

氧化铝陶瓷的厚度直接影响太赫兹波透过率和等离子体的击穿深度。为选取既不能被等离子体击穿同时对太赫兹波有较高透过率的陶瓷,实验采用Zomega(Z-3)太赫兹时域光谱仪测试五种厚度的氧化铝陶瓷,获得透过不同厚度氧化铝陶瓷的太赫兹时域波形,并将其太赫兹时域波形与空气中测得太赫兹时域波形进行对比,如图2所示。

图2 不同厚度氧化铝陶瓷太赫兹透过率测试Fig.2 THz transmittance test of alumina ceramics withdifferent thickness

空气中测得的太赫兹时域波形峰值为Aref,通过氧化铝陶瓷测得的太赫兹时域波形峰值为Acreamic,透过率η的计算公式为:

η=Acreamic/Aref

(2)

五种厚度氧化铝陶瓷的太赫兹波透过率如表1所示。

表1 不同氧化铝陶瓷厚度的太赫兹透过率Tab.1 THz transmittance of different alumina ceramic thicknesses

0.28 mm、0.40 mm、0.52 mm的氧化铝陶瓷被等离子体子明显击穿,0.68 mm和1 mm厚度的氧化铝陶瓷未被等离子体击穿下,且太赫兹透过率与其他厚度的氧化铝陶瓷相差极小,适合等截断离体子。氧化铝陶瓷的厚度差异,造成图2中透过不同厚度氧化铝陶瓷的太赫兹波形在时间上有几皮秒的延迟。

3.3氧化铝陶瓷截断等离子体丝不同位置对产生太赫兹波的影响

氧化铝陶瓷是将等离子体截断,以免掩膜板被等离子体击穿。图3(a)中的白色线条为CCD相机拍得飞秒激光聚焦、经过BBO晶体之后的丝状等离子体。(b)为移动氧化铝陶瓷(白色挡板)在不同位置截断等离子体丝示意图。氧化铝陶瓷从等离子体成丝的初始区域(ⅰ),以1 mm步长经过等离子体丝区域(ⅱ),并延伸至等离子体丝结束区域(ⅲ),按照(b)中箭头所方向移动25 mm,每移动1 mm,探测一次太赫兹时域波形,每个截断位置的太赫兹时域波形幅值如图3(c)所示。

在ⅰ区域,氧化铝陶瓷阻挡了BBO晶体产生的双色激光,破坏等离子体的形成,太赫兹无法产生。在ⅱ区域,伴随氧化铝陶瓷的移动,等离子体丝长度逐渐增加,双色激光产生的太赫兹幅值变大。在ⅲ区域,等离子体丝消失,产生的太赫兹波幅值趋于恒定。

根据图3(c),并考虑等离子体丝辐射太赫兹波的发散角,将氧化铝陶瓷放置于等离子体丝A点位置。

图3 氧化铝陶瓷在不同位置截断等离子体丝Fig.3 Cutting offplasma filament using ceramic in different positions

4 结 果

4.1 太赫兹波光谱

按照图1所示的系统,得到飞秒激光成丝产生的太赫兹波,其时域波形如图4(a)所示。图4(b)为其时域波形傅里叶变换得到的频域光谱,频域光谱峰值频率为0.51 THz,对应波长约600 μm。

4.2 成像系统稳定性测试

为验证成像系统的稳定性,在同等实验环境中重复测量太赫兹时域波形,如图5所示。图5(a)为30次重复测量得到的太赫兹时域波形。由于飞秒激光功率的轻微波动,波形之间存在一定的差别。图5(b)为30次重复测量得到的时域波形峰峰值。通过计算峰峰值的相对标准偏差,得到系统稳定性为1.35%。

4.3 掩膜板结构

掩膜板为不锈钢材质,其结构如图6插图所示,灰色为金属栅格,白色为栅格间隙。金属栅格宽度从左至中间位置为500 μm、400 μm、300 μm、200 μm、150 μm、125 μm、100 μm,且左右对称,栅格间隙均为500 μm。将掩膜板贴在氧化铝陶瓷背面,通过手动平移台将其移动到等离子体在图3(c)中A点对应的位置,测量透过掩膜板栅格、间隙的太赫兹波,如图6所示。由于掩膜板边缘部分为金属材质,太赫兹波无法穿过,太赫兹时域波形幅值接近0；对于掩膜板的间隙,太赫兹波完全穿过,得到的太赫兹时域波形幅值与图3(c)中A点对应的幅值一致。

图4 飞秒激光成丝产生的太赫兹波Fig.4 Terahertz spectroscopy produced by femtosecond laser filament

图5 系统稳定性测试Fig.5 System stability test

图6 掩膜板结构测试(插图为掩膜板的光学照片)Fig.6 Testfor the structureofmaskplate (the insetisthephotoimageofmaskplate)

4.4 掩膜板扫描成像

4.4.1 时域成像

根据图1实验系统,沿x轴和y轴方向分别以100 μm步长移动平移台。通过逐点扫描,得到各个扫描点的太赫兹时域波形。

定义太赫兹时域波形的波峰值和波谷值为最大值和最小值,两者做差得出峰峰值。峰峰值、最大值和最小值成像如图7(b)、(c)、(d)所示。这三种方法数据处理简单,但成像结果与掩膜板有一定偏差,且不能分辨出掩膜板中心位置的栅格结构。另一种时域成像方法是积分能量成像,此方法虽然需要计算太赫兹波形所有数据,但可避免实验系统的随机影响。积分能量计算方法为:

式中,F(xm,n)为太赫兹时域波形积分能量值;fi为太赫兹时域波形幅值；N为太赫兹波形采样点。积分能量成像结果如图7(a)所示。可以明显看到,相比于最大值、峰峰值和最小值成像,积分能量成像结果更加稳定,掩膜板的金属栅格和间隙可以明显的区分,并且能够分辨出中心位置100 μm的栅格。

4.4.2 频域成像

为对比时域和频域的成像结果,本文根据T.D.Dorney和L.D.Duvillaret提出的太赫兹时域光谱技术提取被测对象光学常数的模型[17],得到频域成像结果。

扫描掩膜板成像之前,首先在空气中测得太赫兹时域波形,定义其为参考波形。测量透过掩膜板的太赫兹波形,定义为信号波形。对参考波形和信号波形进行快速傅里叶变换,得到参考频谱R(ω)e-jφR(ω)和信号频谱S(ω)e-jφS(ω)。通过公式(4)计算参考频谱和信号频谱:

得到φ(ω)和T(ω)。根据式(5)、(6),计算折射率和吸收系数。

式中,n为折射率；α为吸收系数；c为真空中的光速；d是掩膜板的厚度。

由于一个太赫兹时域波形对应一个扫描点,因此对太赫兹时域波形进行傅里叶变换,并计算出掩膜板各个扫描点的吸收系数和折射率,即可得到掩膜板的吸收系数和折射率成像,如图7(e)(f)所示。

对比可知:吸收系数成像能粗略显示掩膜板的吸收系数分布,成像较为模糊,掩膜板边缘金属部分和间隙的成像颜色存在明显重叠。折射率成像能够反映出掩膜板同种结构的折射率分布,但分辨率较低,成像结果与掩膜板偏差较大。

图7 不同成像方式的对比结果Fig.7 The comparison results of different imaging methods

4.4.3 成像对比

图8对比了掩膜板的光学照片(a)、积分能量成像图(b)和积分能量值波形(c)。光学照片中的栅格-间隙分布与积分能量成像中的条纹、积分能量值波形中的波峰波谷位置保持一致。在积分能量值的波形中,可以更清楚地看出掩膜板中心100 μm栅格的位置,及其与两侧空气间隙的明显差异。

掩膜板的积分能量成像颜色谱纵向有轻微的差异,其原因是:电动平移台和掩膜板在安装固定时有一定的角度偏差,导致在移动平移台进行扫描成像时,掩膜板扫描点与飞秒激光成丝焦点的相对位置发生变化,照射在掩膜板上的太赫兹强度发生改变,致使纵向颜色出现差异。

图8 太赫兹积分能量成像分析Fig.8 Analysis of terahertz energy integral imaging

5 结 论

利用飞秒激光成丝产生太赫兹波,研究了氧化铝陶瓷在不同位置截断等离子体丝对产生太赫兹波的影响,结合太赫兹时域光谱技术,对掩膜板进行扫描成像,实现约100 μm亚波长分辨率成像(峰值频率0.51 THz)。分析对比了时域成像中的最大值成像、最小值成像、峰峰值成像和积分能量成像,以及频域中的吸收系数成像和折射率成像。在表征掩膜板结构分布时,时域成像优于频域成像,并且时域成像中的积分能量成像可以分辨出掩膜板更多的细微结构,实现更好的成像效果。