Development and applications of near-field imaging methods in the terahertz spectral domain

Abstract

Předkládáme výsledky studia citlivosti a rozlišení kovově-dielektrických sond určených k zobrazování v blízkém poli. Šíření elektromagnetického pole sondou bylo experimentálně studováno pomocí časově rozlišené terahertzové spektroskopie a numericky modelováno v prostředí CST MicroWave Studio 2008. V blízkosti koncové plochy sondy bylo nalezeno několik zón citlivých na lokální dielektrické vlastnosti a lokální anizotropii vzorků. Byla provedena měření citlivosti a kontrastu v několika různých uspořádáních sondy a vzorků; výsledky byly potvrzeny numerickými simulacemi. Získaná data byla analyzována metodou singulárního rozkladu, která umožnila rozlišit nezávislé fyzikální jevy v měřených datech a oddělit vnější vlivy od užitečného signálu. Byly odděleny a rozpoznány nezávislé složky odpovídající charakteristickým změnám ve výstupním terahertzovém pulzu, například při změnách vzdálenosti sondy a vzorku, a při zkoumání lokální anisotropie feroelektrického krystalu titaničitanu barnatého (BaTiO3). V zobrazení vzorku feroelektrického BaTiO3 byly rozpoznány doménové struktury s charakteristickým rozměrem 5 um, t. j. s rozměrem deset krát menším než byly charakteristické rozměry výstupní plochy sondy a čtyřicet krát menším než byla nejkratší vlnová délka použitého záření. V terahertzové spektrální oblasti jsme...

We are reporting on a study of the near-field sensitivity and resolution of a metal-dielectric probe (MDP). The propagation of the electromagnetic field across the probe was studied experimentally by means of time-domain terahertz spectroscopy and numerically simulated by CST MicroWave Studio 2008. Several localised areas at the probe end facet were distinguished and showed to be sensitive to the local dielectric properties and local anisotropy of the sample. Contrast and sensitivity measurements were conducted in several configurations of a MDP; the results were confirmed by simulations. The acquired data were analysed by using singular value decomposition that enabled separating independent physical phenomena in the measured datasets and filtering external disturbances out of the signal. Independent components corresponding to the changes in the output terahertz pulse upon varying the probe-sample distance and reflecting the local anisotropy in a ferroelectric barium titanate (BaTiO3) crystal were extracted and identified. The domain structure with characteristic dimensions of about 5 um was resolved during imaging experiments on the ferroelectric BaTiO3 sample, i.e. the resolved structures were ten times smaller than the characteristic dimensions of the end facet of the probe and forty times smaller than...