|
利用相干干涉现象，远场成像仪沿传播方向的分辨率可小于波长。在此，来自德国塔姆施塔特技术大学的Amlan kusum Mukherjee & Sascha Preu等研究者通过评估表面结构样品的法布里-珀罗振荡，证明了使用0.375 mm和0.5 mm之间的波长(对应于0.6 THz-0.8 THz)，高度轮廓精度低至31 nm。相关论文以题为“Visualizing nanometric structures with sub-millimeter waves”发表在Nature Communications上。https://www./articles/s41467-021-27264-x 
光学表面形貌，在许多领域起着关键作用，从地球的远距离、机载或卫星成像和监测到桌面，对表面粗糙度和形状等物体的非接触式和非破坏性表征，以及检测和质量控制。对于后者，光学远场方法经历了一个稳定的发展过程，是主要的选择方法之一，特别是当高纵横比和纳米深度分辨率相结合时。在垂直于传播方向的表面平面上，远场成像仪的分辨率受到阿贝极限或瑞利准则的限制，导致空间分辨率大于成像波长。然而，沿着传播方向，利用光的干涉特性使分辨率比波长小得多。当两种波相互干涉时，就会产生干涉图案，其中一种干涉条纹指的是两种波之间一个波长的路径长度差。通过微调路径长度差来跟踪干扰最大值，可以使分辨率达到波长的一小部分。然而，它对两波之间的路径长度差可以被裁剪或测量得多精细和多精确相当有限。典型的系统架构是，例如，迈克耳孙干涉仪，物体被放置在干涉仪的一个臂上，或者替换一个臂上的镜子，同时扫描另一个臂的长度。这种装置的常见例子是白光干涉仪和光学相干层析成像(OCT)，其深度分辨率范围为0.1 m，使用的是可见光或宽带光，也就是波长量级的光。本文报道的研究完成了在太赫兹(100 GHz 10 THz)范围内，目前为止证明的最佳OCT分辨率要差得多，即43.9-220µm归因于大约1000倍的长波长。使用单色光源，可以在深度分辨率方面突破波长限制。在此，研究者演示了一个太赫兹远场系统，成像波长介于0.375 mm和0.5 mm之间，能够可视化高度精确至49 nm (λ/10000)的表面结构。在厚度为0.5 mm的硅样品上，均方根误差(即精度)最小可达31 nm (~λ/15000)，尽管采用0.2太赫兹的带宽比目前最好的厚度分辨率的太赫兹系统至少小15倍。研究者通过可视化高度仅为49 nm的结构，对应于1:7500到1:10000的真空波长，这种高度差，通常只有在这个波长范围内的近场测量技术才能获得。同时，该方法可以确定厘米范围内的厚度，超过任何近场测量系统的动态范围的数量级。测量技术结合希尔伯特变换方法，产生(光学)厚度提取相对相位没有任何非凡的波长稳定化。
图3 沉积在硅片上的纳米Si和SiCSimens星的测量。
综上所述，研究者提出了基于希尔伯特变换的零差远场成像系统，实现了两种测量模式。粗糙的测量模式评估了希尔伯特变换支持的相位剖面的斜率，在1µm范围内具有良好的几何厚度分辨率，对应于大约1/400真空波长，尽管在设置中存在严重的非期望驻波。在太赫兹领域，这种分辨率与其他任何远场方法相比都是有竞争力的。在不影响希尔伯特变换方法的情况下，利用Mach-Zehnder干涉仪臂上较小的路径长度差异，可以进一步提高分辨率，该方法可以提取单个干涉条纹的一小部分的相位。该方法也可以转移到相干电子系统，如矢量网络分析仪，甚至在可见或其他光谱领域的扫频干涉仪。先进的数据提取技术，如遗传算法辅助多层建模或神经网络，目前已在许多先进的太赫兹厚度测量系统中实现，可能会进一步提高精度。（文：水生）
|
