原創 長光所Light中心 中國光學
推廣位（非商務）
撰稿 | 陳思潮
01
導讀
近日，來自中國工程物理研究院的朱禮國研究員、譚為副研究員聯合團隊與國內外多個研究小組合作在國際頂尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 發表論文，他們利用一種新穎的高效薄膜太赫茲源——自旋太赫茲源（Spintronicterahertz emitter, 簡稱STE），結合計算鬼成像技術，設計並驗證了一種超衍射分辨的太赫茲顯微儀（GHOSTEAM），可以對近場目標實現微米量級的太赫茲波空間分辨。
GHOSTEAM在解決傳統太赫茲成像空間解析度不足的同時，可以方便地獲得偏振融合的太赫茲圖像，消除偏振在超分辨成像時的影響；此外，還可以結合飛行時間技術（TOF），實現對三維目標的層析太赫茲成像。利用STE的相關特性，在未來，該技術有望在實時超分辨成像和超寬帶太赫茲成像等方面發揮重要作用。
02
背景介紹
太赫茲波指頻率介於0.1—10 THz（1 THz = 1012Hz）之間的電磁輻射，處於該頻段的電磁波具有諸如高透性、指紋譜性、非電離的光子能量等特性，在諸如無損檢測、生物探測、腫瘤成像等領域有著巨大的應用價值。然而由於太赫茲波波長較長（1 THz~300 μm），受限於衍射極限，傳統太赫茲遠場成像的空間解析度難以突破波長量級，這大大限制了其在微觀領域的應用。
採用近場成像的方法，通過感知與目標作用後的倏逝場，可以打破衍射極限的限制，獲得優于波長數個量級的空間解析度。利用探針式（包括AFM探針、STM探針和微天線探針等）或小孔式太赫茲探測器，在太赫茲波段已經實現了微米級甚至原子尺度的空間解析度。但是上述技術要求探測器緊貼成像目標，然後對目標表面進行逐像素機械掃描，因此存在信噪比（SNR）低（能量利用率低）、對目標存在侵入式影響（金屬緊貼目標）等缺點。
最近的實驗已經證明了，與掃描的方法相比，計算鬼成像技術（Walsh-Hadamard編碼）可以將圖像SNR提高N^1/2倍（N是數字圖像的像素個數）。在鬼成像方案中，被空間編碼的太赫茲圖像在近場與目標發生關聯作用，隨後其總強度（場強度或光強度）被遠場的單像素探測器探測，通過對探測到的一系列強度信號進行關聯計算，最終可重構出目標的太赫茲超分辨圖像。實現太赫茲圖像空間編碼的常規方法是利用光激發空間太赫茲波調製器生成可重構的掩膜。然而根據Bethe小孔衍射理論，在這種空間調製方案中，透過亞波長尺度小孔的太赫茲場強需服從1/a3的規律（a表示掩膜的像素尺寸），使得該方案難以實現精細的超分辨成像。
此外，近年也有研究人員提出可以在電光晶體（比如ZnTe）中編碼飛秒雷射脈衝以直接探測或者產生編碼的太赫茲波，由此突破上述原理限制。但是由於電光晶體厚度在毫米量級，亞波長尺度的空間信息隨著太赫茲波在晶體中傳播會快速地衰減而使最終的圖像解析度被限制在幾十微米的量級。
03
創新研究
在計算鬼成像方案中，圖像解析度直接決定於編碼太赫茲波與成像目標發生關聯作用時的空間精度。如圖1a所示，當結構太赫茲波的編碼單元在亞波長尺度時，隨著傳播距離的增加，編碼精度是顯著降低的。
如前文所述，當將電光晶體作為結構太赫茲波發射源時，由於傳統電光晶體厚度在毫米量級，太赫茲波在產生的同時也會發生明顯的衍射效應，在出射端的結構太赫茲波編碼精度會顯著下降，如圖1b所示。
而自旋太赫茲源（STE）是一種新型納米薄膜材料，它基於鐵磁/非磁（FM/NM）異質結中的自旋效應實現太赫茲脈衝發射，作為實現GHOSTEAM的關鍵，其太赫茲發射效率與傳統毫米級厚度的電光晶體相當，可以提供足夠強的太赫茲信號以保證圖像的動態範圍。而更為重要的是，STE厚度僅在數納米到百納米量級（其中有源區厚度通常小於6納米），可以保證足夠近的近場以獲得微米量級的空間解析度，如圖1c所示。
此外，自旋太赫茲源還具有偏振可調、固態穩定、製備簡單等優點，更重要的是其頻譜寬度可達30THz，性能相比商用電光晶體具有顯著優勢。
圖1 a微米級精度的結構太赫茲波（0.5 THz）在不同傳播距離z的場分布仿真結果。b,c空間編碼的飛秒雷射分別激發電光晶體（b）和自旋太赫茲波發射器STE（c）發射結構太赫茲波示意圖。其中電光晶體厚度約在1 mm量級，太赫茲波在產生的同時會發生明顯的衍射效應，空間精度下降；而STE厚度約在10—100 nm量級，太赫茲波在產生過程中的衍射效應可忽略，其空間精度能達到飛秒雷射的衍射極限。
在本工作中，研究人員提出將STE作為結構太赫茲波發射源，在空間編碼的飛秒雷射激發下發射高空間精度（微米量級）的結構太赫茲脈衝以輻照近場目標（如圖2a所示），再結合計算鬼成像技術，最終實現對目標的超分辨太赫茲顯微鬼成像，實驗獲得的圖像解析度到達6.5 μm（~λ0/100，中心波長λ0= 600 μm，如圖2b所示），較傳統衍射極限提高了兩個數量級，相比採用商用ZnTe晶體源的同類方法提高近一個量級。
另一方面，在太赫茲波超分辨成像時，其偏振態對圖像存在嚴重的影響，而由於STE所輻射的太赫茲電場方向總是與外加磁場垂直，即ETHz⊥B（逆自旋霍爾效應），研究人員通過旋轉外加磁場可以方便地獲得具有正交偏振特性的太赫茲圖像，如圖2c所示，再通過後處理算法便可以消除圖像中的偏振影響，融合後的圖像的在不同方向上的空間信息更加均勻，更能反映目標的形態學特徵，如圖2d所示。
此外，由於GHOSTEAM發射的太赫茲脈衝是相干的，結合飛行時間技術（TOF），他們獲得三維目標在不同深度的圖像信息，實現準近場的太赫茲層析成像。
圖2 a GHOSTEAM的系統示意圖。將STE置於外加磁場中，當空間編碼的飛秒雷射激發STE時可以直接發射線偏振的結構太赫茲脈衝，其偏振方向與外加磁場方向垂直ETHz⊥B（反自旋霍爾效應）。b對太赫茲超分辨圖像的定量分析，解析度達到6.5 μm。c太赫茲波偏振態對超分辨圖像的影響。d偏振融合的圖像。
04
展望
在本工作中，驅動GHOSTEAM採用的是放大級雷射脈衝（1 kHz重頻），其脈衝能量穩定性不足，因而成像時間較長（64 ×64圖像需花費4.5 h）。幸運的是，已有工作證明了STE在高重頻（100 MHz量級）振蕩級雷射的激發下，其頻譜動態範圍可達>60 dB，滿足成像需求。相比之下，振蕩級的脈衝能量穩定性大大優於放大級雷射器，且重頻高出5個量級，經過合理估算，利用振蕩級驅動GHOSTEAM，其成像速度能提高2—3 個數量級。此外，STE在0.1—30 THz頻譜範圍內不存在聲子吸收，因此STE是一種超寬帶的太赫茲源，所輻射的太赫茲脈衝已被證明可覆蓋整個太赫茲頻段，這對推動寬帶太赫茲成像應用具有重要意義。
文章信息：
相關成果以「 Ghost spintronic THz-emitter-array microscope 」為題發表在Light:Science & Applications 。
Si-Chao Chen, Zheng Feng, Jiang Li, Wei Tan, Liang-Hui Du,Jianwang Cai, Yuncan Ma, Kang He, Haifeng Ding, Zhao-Hui Zhai, Ze-Ren Li, Cheng-Wei Qiu, Xi-Cheng Zhang & Li-Guo Zhu*, Light: Science & Applications 9, 99 (2020).
工作得到了國家重點研發計劃、科學挑戰專題、四川省傑出青年科技人才計劃、國家自然科學基金、中物院院長基金支持。
論文通訊作者為中國工程物理研究院朱禮國研究員；第一作者為中國工程物理研究院/中國科學技術大學培養博士生陳思潮，中國工程物理研究院馮正副研究員、李江助理研究員、譚為副研究員為共同第一作者。合作單位分別是中國工程物理研究院流體物理研究所、中國科學技術大學、中國工程物理研究院微系統與太赫茲研究中心、中國科學院物理研究所、南京大學、新加坡國立大學、美國羅徹斯特大學。合作者包括中國科學院物理研究所蔡建旺研究員、南京大學丁海峰教授團隊、新加坡國立大學仇成偉教授、美國羅徹斯特大學張希成教授。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41377-020-0338-4
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原標題：《自旋太赫茲源近場超分辨鬼成像顯微術》
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