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自旋太赫兹源近场超分辨鬼成像显微术
发布时间:2020-06-28 19:13:49 阅读:63

来源:澎湃新闻

    01导读

    近日,来自中国工程物理研究院的朱礼国研究员、谭为副研究员联合团队与国内外多个研究小组合作在国际顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 发表论文,他们利用一种新颖的高效薄膜太赫兹源——自旋太赫兹源(Spintronicterahertz emitter, 简称STE),结合计算鬼成像技术,设计并验证了一种超衍射分辨的太赫兹显微仪(GHOSTEAM),可以对近场目标实现微米量级的太赫兹波空间分辨。

    GHOSTEAM在解决传统太赫兹成像空间分辨率不足的同时,可以方便地获得偏振融合的太赫兹图像,消除偏振在超分辨成像时的影响;此外,还可以结合飞行时间技术(TOF),实现对三维目标的层析太赫兹成像。利用STE的相关特性,在未来,该技术有望在实时超分辨成像和超宽带太赫兹成像等方面发挥重要作用。

    02背景介绍

    太赫兹波指频率介于0.1-10 THz(1 THz = 1012Hz)之间的电磁辐射,处于该频段的电磁波具有诸如高透性、指纹谱性、非电离的光子能量等特性,在诸如无损检测、生物探测、肿瘤成像等领域有着巨大的应用价值。然而由于太赫兹波波长较长(1 THz~300 μm),受限于衍射极限,传统太赫兹远场成像的空间分辨率难以突破波长量级,这大大限制了其在微观领域的应用。

    采用近场成像的方法,通过感知与目标作用后的倏逝场,可以打破衍射极限的限制,获得优于波长数个量级的空间分辨率。利用探针式(包括AFM探针、STM探针和微天线探针等)或小孔式太赫兹探测器,在太赫兹波段已经实现了微米级甚至原子尺度的空间分辨率。但是上述技术要求探测器紧贴成像目标,然后对目标表面进行逐像素机械扫描,因此存在信噪比(SNR)低(能量利用率低)、对目标存在侵入式影响(金属紧贴目标)等缺点。

    最近的实验已经证明了,与扫描的方法相比,计算鬼成像技术(Walsh-Hadamard编码)可以将图像SNR提高N^1/2倍(N是数字图像的像素个数)。在鬼成像方案中,被空间编码的太赫兹图像在近场与目标发生关联作用,随后其总强度(场强度或光强度)被远场的单像素探测器探测,通过对探测到的一系列强度信号进行关联计算,最终可重构出目标的太赫兹超分辨图像。实现太赫兹图像空间编码的常规方法是利用光激发空间太赫兹波调制器生成可重构的掩膜。然而根据Bethe小孔衍射理论,在这种空间调制方案中,透过亚波长尺度小孔的太赫兹场强需服从1/a3的规律(a表示掩膜的像素尺寸),使得该方案难以实现精细的超分辨成像。

    此外,近年也有研究人员提出可以在电光晶体(比如ZnTe)中编码飞秒激光脉冲以直接探测或者产生编码的太赫兹波,由此突破上述原理限制。但是由于电光晶体厚度在毫米量级,亚波长尺度的空间信息随着太赫兹波在晶体中传播会快速地衰减而使最终的图像分辨率被限制在几十微米的量级。

    03创新研究

    在计算鬼成像方案中,图像分辨率直接决定于编码太赫兹波与成像目标发生关联作用时的空间精度。如图1a所示,当结构太赫兹波的编码单元在亚波长尺度时,随着传播距离的增加,编码精度是显著降低的。

    如前文所述,当将电光晶体作为结构太赫兹波发射源时,由于传统电光晶体厚度在毫米量级,太赫兹波在产生的同时也会发生明显的衍射效应,在出射端的结构太赫兹波编码精度会显著下降,如图1b所示。

    而自旋太赫兹源(STE)是一种新型纳米薄膜材料,它基于铁磁/非磁(FM/NM)异质结中的自旋效应实现太赫兹脉冲发射,作为实现GHOSTEAM的关键,其太赫兹发射效率与传统毫米级厚度的电光晶体相当,可以提供足够强的太赫兹信号以保证图像的动态范围。而更为重要的是,STE厚度仅在数纳米到百纳米量级(其中有源区厚度通常小于6纳米),可以保证足够近的近场以获得微米量级的空间分辨率,如图1c所示。

    此外,自旋太赫兹源还具有偏振可调、固态稳定、制备简单等优点,更重要的是其频谱宽度可达30THz,性能相比商用电光晶体具有显著优势。


图1 a微米级精度的结构太赫兹波(0.5 THz)在不同传播距离z的场分布仿真结果。b,c空间编码的飞秒激光分别激发电光晶体(b)和自旋太赫兹波发射器STE(c)发射结构太赫兹波示意图。其中电光晶体厚度约在1 mm量级,太赫兹波在产生的同时会发生明显的衍射效应,空间精度下降;而STE厚度约在10-100 nm量级,太赫兹波在产生过程中的衍射效应可忽略,其空间精度能达到飞秒激光的衍射极限。

    在本工作中,研究人员提出将STE作为结构太赫兹波发射源,在空间编码的飞秒激光激发下发射高空间精度(微米量级)的结构太赫兹脉冲以辐照近场目标(如图2a所示),再结合计算鬼成像技术,最终实现对目标的超分辨太赫兹显微鬼成像,实验获得的图像分辨率到达6.5 μm(~λ0/100,中心波长λ0= 600 μm,如图2b所示),较传统衍射极限提高了两个数量级,相比采用商用ZnTe晶体源的同类方法提高近一个量级。

    另一方面,在太赫兹波超分辨成像时,其偏振态对图像存在严重的影响,而由于STE所辐射的太赫兹电场方向总是与外加磁场垂直,即ETHz⊥B(逆自旋霍尔效应),研究人员通过旋转外加磁场可以方便地获得具有正交偏振特性的太赫兹图像,如图2c所示,再通过后处理算法便可以消除图像中的偏振影响,融合后的图像的在不同方向上的空间信息更加均匀,更能反映目标的形态学特征,如图2d所示。

    此外,由于GHOSTEAM发射的太赫兹脉冲是相干的,结合飞行时间技术(TOF),他们获得三维目标在不同深度的图像信息,实现准近场的太赫兹层析成像。

图2 a GHOSTEAM的系统示意图。将STE置于外加磁场中,当空间编码的飞秒激光激发STE时可以直接发射线偏振的结构太赫兹脉冲,其偏振方向与外加磁场方向垂直ETHz⊥B(反自旋霍尔效应)。b对太赫兹超分辨图像的定量分析,分辨率达到6.5 μm。c太赫兹波偏振态对超分辨图像的影响。d偏振融合的图像。

    04展望

    在本工作中,驱动GHOSTEAM采用的是放大级激光脉冲(1 kHz重频),其脉冲能量稳定性不足,因而成像时间较长(64×64图像需花费4.5 h)。幸运的是,已有工作证明了STE在高重频(100 MHz量级)振荡级激光的激发下,其频谱动态范围可达>60 dB,满足成像需求。相比之下,振荡级的脉冲能量稳定性大大优于放大级激光器,且重频高出5个量级,经过合理估算,利用振荡级驱动GHOSTEAM,其成像速度能提高2-3 个数量级。此外,STE在0.1-30 THz频谱范围内不存在声子吸收,因此STE是一种超宽带的太赫兹源,所辐射的太赫兹脉冲已被证明可覆盖整个太赫兹频段,这对推动宽带太赫兹成像应用具有重要意义。

    文章信息:

    相关成果以“ Ghost spintronic THz-emitter-array microscope ”为题发表在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).

    工作得到了国家重点研发计划、科学挑战专题、四川省杰出青年科技人才计划、国家自然科学基金、中物院院长基金支持。

    论文通讯作者为中国工程物理研究院朱礼国研究员;第一作者为中国工程物理研究院/中国科学技术大学培养博士生陈思潮,中国工程物理研究院冯正副研究员、李江助理研究员、谭为副研究员为共同第一作者。合作单位分别是中国工程物理研究院流体物理研究所、中国科学技术大学、中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心、中国科学院物理研究所、南京大学、新加坡国立大学、美国罗彻斯特大学。合作者包括中国科学院物理研究所蔡建旺研究员、南京大学丁海峰教授团队、新加坡国立大学仇成伟教授、美国罗彻斯特大学张希成教授。

    论文地址:https://www.nature.com/articles/s41377-020-0338-4

    原创 长光所Light中心 中国光学
    撰稿 | 陈思潮

 
 

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