偏振和复振幅调控的太赫兹波超分辨共焦显微探测方法及其应用研究

Aerospace and ultra-large-scale integrated circuit are important fields of science and technology development in our country, in which the small-scale defects or the change of microstructure in the material, structure and devices directly determine the reliability, security and stability of the final system. Therefore, the detection of micro-defects with high resolution, accuracy and three-dimensional tomography is a key scientific and technical problem to be solved. Due to the advantage of THz spectrum with high penetrability and nondestructive flaw detection, we proposed the new method of combining super diffraction tightly focusing and confocal microscopy in the THz range based on the polarization and complex amplitude modulation technology. The generation method of THz vector field is firstly studied and the THz radial polarization field is obtained. Secondly, optical-controlled spatial light modulator of THz wave is studied based on the computer-generated hologram, which is used to dynamically modulate the distribution of complex amplitude of THz wave. After tightly focusing by a high numerical aperture lens, the THz wave is collected by confocal microscopy to further improve the contrast and signal to noise ratio. The complex amplitude modulation on THz wave is used to suppress the side lobe of focus. The confocal microscopic system ensures the accurate imaging of material defect in specific depth and has the function of three-dimensional tomography.

航空航天和超大规模集成电路是我国科技发展的代表性领域，其中材料、结构、器件中存在的微小缺陷或微观结构的变化，直接影响了最终系统的可靠性、安全性和稳定性；因此对微小缺陷的高分辨、准确、三维层析的检测是亟待解决的关键科学技术问题。本项目基于太赫兹光谱高穿透性和无损探伤的优势，首次提出基于太赫兹波段偏振和复振幅综合调控技术的超衍射聚焦和共焦显微相结合的新方法。首先研究太赫兹矢量光场的产生方法，获得太赫兹径向矢量光场。其次研制基于计算全息的太赫兹波段的全光控空间调制器，利用该空间调制器加载光瞳滤波器来动态调节太赫兹波的复振幅分布，并通过高数值孔径透镜紧聚焦到样品上。含有样品信息的太赫兹波经共焦显微系统进一步提高对比度和信噪比后被探测器所采集。其中光瞳滤波器用于抑制聚焦旁瓣，而共焦显微系统保证了对焦平面的准确成像，可实现对特定深度的材料缺陷的检测，具有三维层析的功能。

通过对太赫兹波超分辨理论的深入分析，提出并研究了偏振和复振幅综合调控技术的太赫兹波段超衍射极限聚焦方法和共焦显微系统相结合的新方法。围绕这一主题，项目开展了偏振和复振幅联合调控的太赫兹波段光场调控技术研究、基于人工表面等离激元的太赫兹紧聚焦产生方法和聚焦特性的研究和实验表征、太赫兹共焦显微系统的研究、太赫兹光场调控器件的研究、太赫兹宽场高分辨快速成像技术的研究和太赫兹压缩感知技术的研究。通过本项目的研究，在理论分析和计算的基础上设计并加工了偏振和相位编码的太赫兹波段调控器件，搭建了基于多维光场调控的太赫兹波共焦显微系统，分别建立透射式和反射式的太赫兹高分辨成像系统，搭建了大景深太赫兹无损探测系统，并掌握了高分辨率、高信噪比、具有层析功能和快速检测的太赫兹检测方法。针对点压缩感知和分块压缩感知所存在的不足，提出了基于线探测的太赫兹压缩感知方法，降低了编码的数据量并同时减少了实验系统对测量误差的影响。实验结果表明，所搭建的太赫兹共焦显微系统在横向分辨率上小于所使用波长的二分之一，在纵向分辨率上约为一个波长。利用所搭建的太赫兹成像系统，分别对材料内部的微小缺陷、包装内的隐匿物品等金属和介电材料目标进行了太赫兹波成像和检测，分别获得了高分辨、高质量、大景深的太赫兹检测图像。在该项目的资助下，目前发表论文21篇，申请专利4项。通过该项目所产生的研究成果除了应用于集成电路和航天材料领域的微小缺陷检测以外，因其具有大景深和快速成像的优点还可以应用于太赫兹无损探测和人体安检等重要的应用领域。此外，因其高分辨率和无损探伤的特点，在临床病理组织诊断方面也具有独特的应用优势，可应用于肿瘤病理组织的无标记非染色甄别、皮肤创面的无损检测等，是医学诊断的先进手段。