自旋太赫兹源近场超分辨鬼成像显微术(图文)

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。PYa安检之家

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。PYa安检之家

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。PYa安检之家

PYa安检之家

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。PYa安检之家

04展望PYa安检之家

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。PYa安检之家

PYa安检之家

文章信息：PYa安检之家

相关成果以“ Ghost spintronic THz-emitter-array microscope ”为题发表在Light:Science & Applications 。PYa安检之家

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).PYa安检之家

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。PYa安检之家

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PYa安检之家