太赫兹成像技术在工艺检测中的应用

太赫兹成像系统经过过去十来年的发展业已成熟。推动其发展的一个重要驱动力是集成光学技术在通信领域的使用，实现了紧凑型、高性能时域光谱（TDS）系统。

在现代太赫兹TDS系统中，光纤耦合集成元件已经完全取代了分布式自由空间光学器件。这不仅意味着在空间需求方面具有优势，也有利于将太赫兹测量性能集成到各种类型的科学和工业应用系统中。具体来说，晶圆分析系统就可以利用太赫兹微探针来实现高分辨率近场成像。

据麦姆斯咨询报道，位于德国慕尼黑的Toptica Photonics公司TeraFlash系统是一种基于光纤结构的太赫兹TDS模块，将光学和电子元件高度集成一体。整个系统包括一个飞秒级脉冲激光器、光学延迟元件以及数据采集和控制单元，全部集成在一个19英寸大小的机架安装盒中。唯一的外部元件是两个光纤耦合光导（PC）天线，用于产生和探测由TDS模块光激发产生的太赫兹辐射。

商业整合

通过光纤/电缆连接外部太赫兹天线元件和TDS系统，得益于其较小的空间尺寸和免受射频（RF）信号干扰能力，将把太赫兹检测引入新的应用环境。

我们的太赫兹系统工作波长为1550nm，将Toptica的TDS模块与PC近场探针结合在一起，可使光纤中的信号色散最小化，并将光学采样脉冲的持续时间保持在100fs以下。所得到的太赫兹系统只需20ms就可记录完整的太赫兹时域瞬态，这对于许多需要连续太赫兹测量的应用是一个很大的优势，诸如在线质量检测、无损检测和基于光栅扫描的太赫兹（近场）成像。

与标准配置的自由空间传输测量相反（其中发射器天线产生的太赫兹辐射被准直发射并聚焦到远场探测器天线上），我们基于光纤结构的太赫兹TDS系统将TeraFlash源模块与Protemics TeraCube近场扫描系统整合在一起，其中后者包括一个用于太赫兹探测和成像的PC近场探针（Protemics TeraSpike TD-800-X-HR-WT）（见图1）。

 

图1 光学时域光谱单元（a）产生超快泵浦/探测信号，而近场扫描单元（b）包括太赫兹发射器和近场探测器元件，以及用于高分辨率测绘的平移台；被测试的样品或器件将加载到近场扫描单元中。

计算机单元控制TDS模块以及近场成像系统。在测量过程中，光栅扫描系统的运动控制单元将样本的当前位置信息连续传送给数据采集单元，将其与每个位置记录的太赫兹数据结合。具有高采样率的TDS模块可以在连续运动下（无停止和中断）进行表面扫描，实现完整的太赫兹瞬态探测。

PC近场探针由一个1μm厚的低温生长而成砷化镓（GaAs）悬臂组成，该悬臂具有一对锥形电极，在探针尖端形成PC开关。它可探测靠近样品表面的太赫兹透射场。与近场电光晶体探针相比，它具有非破坏性和高灵敏度的特点。

散射型探针只能探测样品垂直方向的z场矢量，而孔径型探针只能探测水平方向的（x，y）场矢量。相比之下，我们的PC近场探测器可对x、y或z轴方向的场矢量分量选择性敏感。

科学应用

当悬停在被测样品表面几微米处进行测试时，凭借3~10μm的最大空间分辨率， Protemics太赫兹成像仪在工业和科学领域有了新的应用可能。

例如，在科学领域，荷兰基础能源研究所（DIFFER）的研究人员发现，超材料的共振频率在远场测量的数值与近场的测量结果相差很大。在他们的研究中表明，在1μm近距离检测的频率值为0.62THz，而在远场距离（约24cm）则变为0.85THz。

审核编辑：符乾江