超分辨太赫兹近场光学显微术

It is put forth to break through sub-diffraction resolution of THz near-field coding spectral imaging, to use dielectric surface with the implicit period structure of the metal film or an independent metal foil instead of probe system, by which pitch control between the probe and the target is eliminated, and the upper space can be free for the other detection device combined. This is applicable in many fields such as biology, medicine and material semi-conductor etc. Resolution is generally a code plate two adjacent holes spacing, which is limited by modern micro-nano manufacturing level, application of new micro-nano manufacturing level provides further possibility to improve resolution. This project is to focus on, in order to make the metal film on the sub-wavelength holes arrays based, using membrane surface plasmon enhanced light transmission power of Hadamard transform optical imaging and spectroscopy of the code plate design, manufacturing and application problem. The key is, metal film or foil on the independent pores structure, hidden periodic hole arrays in fabrication and performance study. They are closely integrated to each other, in essence, near field theory, surface plasmons and Hadamard transform optical combination. Theoretical and experimental progresses show that suitable irregular hole array can make better use of the advantages of the surface Plasmon sub-wavelength optical, which possesses certain or more transparent effect, thus to greatly promote realization of the terahertz region of super-resolution microscopy.

提出突破衍射限的超分辨太赫兹波近场编码光谱成像术，用介质表面的有隐周期结构的金属膜或者独立的金属箔代替探针系统，免去了探针到目标间距的控制，还可以空出上部空间供其他探测装置联用。适用于生物、医学、材料半导体等多个领域。分辨率一般为码板上两相邻码元间距，被现代微纳制造水平决定，共享微纳制造成果给再提高分辨率以可能。本项目着重研究以做在金属膜上的亚波长小孔阵列为基础的，利用膜上表面等离激元增强透光能力的阿达玛变换光学成像与光谱的编码板的设计、制造、试验及应用问题。关键是：金属膜/小孔结构/隐周期小孔阵列的研究，三者紧密关联且本质地将近场理论、表面等离激元、阿达玛变换光学结合，核心是小孔结构及小孔构成的隐周期阵列。理论与实验进展表明，合适的异型小孔阵列能更好地利用表面等离激元亚波长光学的优点，具有一或者更大的透光效率，能更大促成太赫兹波段超分辨显微镜的实现。

近几年，太赫兹科技在国内外都处于快速发展中，主要表现在太赫兹波段的表面等离激元效应及其利用、超材料研究等等，本项目正是在这种背景下提出的。期望通过利用表面等离激元效应增强太赫兹波段的亚波长小孔阵列的透射能力结合阿达玛变换光学原理实现近场超分辨成像解决多通道高通量的太赫兹超分辨成像方法。主要研究内容是研究适合于太赫兹波段的编码码元及其编码板的构成、性能和用于成像的方法。主要指标是50微米的分辨率。重要结果是：平行细缝构成的方形金、硅、空气三明治结构的码元具有较好的太赫兹透过性能，其峰值透过处于1太赫兹附近。关键结构数据为，高阻硅为衬底、厚度为270微米左右；金膜层150纳米，细小狭缝5条等分方形结构；方形边长12~15微米左右；使编码板的编码码元构成循环S矩阵（码元为循环S矩阵的1），以1023阶循环S矩阵为比较好的编码结构。解码方法有阿达玛变换成像解码方法和我们研究找到的压缩感知重构解码方法，理论模拟研究表明后者具有更好的信噪比改善。比较传统的阿达玛变换光学成像解码方法在峰值信噪比上，压缩感知方法要高7倍。实验研究表明，取我们研制的1023阶超分辨太赫兹成像用的编码板的任意一个编码矩阵，在太赫兹波谱仪上测量得到了很好的透射谱。其主透过峰为1.15T, 峰宽达到0.26T此时的透过效率均在百分之十以上。基于循环S矩阵的本征特性，任意一个编码矩阵的通孔数量都相同，因此，这个实验结果已经证明该编码板具有超衍射限的太赫兹近场成像能力，其分辨率完全能够达到50微米的指标。这种太赫兹超分辨成像方法特别是太赫兹超分辨成像光谱方法在生物医学和材料科学及柔性电子器件的研究中具有很好的应用前景。