本发明属于真空电子学和太赫兹光电探测技术的交叉领域，涉及光阴极光电子发射以及光导天线的时域探测方法。
背景技术：
光阴极电子发射，与热电子发射、场致电子发射、次级电子发射一同构成了电子发射的四种基本形式；光阴极电子发射过程中，阴极材料内部的电子通过吸收外部照射的激光光子能量，产生能级跃迁而离开材料表面，最终完成电子发射，且发射周期与脉冲激光重复周期一致。
光导天线，是基于半导体(常用材料为砷化镓和蓝宝石硅片)和双金属天线所组成的太赫兹产生或探测装置。当光导天线作为探测器时，需要将飞秒激光和待测太赫兹信号一同馈入双金属电极之间，其中飞秒激光作为太赫兹信号的采集开关，通过外加时延光路改变发射端和探测端同源激励激光的相位差，即可采集到完整的太赫兹时域信号，这也是太赫兹时域光谱仪采集太赫兹时域信号的基本原理。
近场，即倏逝场，指的是被束缚在物体表面，并在离开物体表面后场强随距离呈指数衰减的电磁场，因此也被称为表面波。自由电子在掠过周期结构表面或者介质材料时可以激发近场，但它的表面束缚性质使得对其的直接检测是一个公认难题。近几年来散射型太赫兹扫描近场光学显微镜发展较快，其是基于原子力显微镜(afm)和近场散射技术发展起来的，可以实现对电磁波激励近场的探测。但是这类近场系统对于探测材料或结构表面近场存在一定的缺陷，如激发与探测都来自于探针，因此无法直接看到表面近场的空间相位；而系统的分辨率取决于探针，不但难以进一步提升，而且存在近场耦合效率与成像分辨率的矛盾。
技术实现要素：
本发明提出了一种基于自由电子激发和光电探测的相干近场检测系统，利用自由电子束作为近场激发源，利用光导天线进行近场信号探测，实现待测二维材料/金属光栅结构的近场信号的空间直接探测。本发明方法没有了针尖对近场信号的影响，同时电子投射场在物体表面的强度也远小于表面波的强度，可以实现对较为纯净近场信号的时域直接探测。这将为科学家们今后对物体表面近场特性做出更加深入的了解奠定技术基础。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于自由电子激发和光电探测的相干近场探测系统，包括飞秒激光源、光阴极、光导天线、延迟光路。
所述飞秒激光源用于产生飞秒激光，飞秒激光通过分束器分为两束；其中一束飞秒激光激励光阴极产生脉冲电子束，该脉冲电子束用于周期性激发待测材料的表面波；另一束飞秒激光用于激励光导天线的基底产生周期性超快载流子，起到采集开关的作用。
所述光导天线包括基底(一般为低温砷化镓)、以及设置于基底上的两个金属电极，若待测材料为二维材料，则将二维材料放置于两个金属电极上；若待测材料为金属光栅，则将其中相邻两金属光栅作为金属电极；所述光导天线后端依次连接电流放大器、锁相放大器。
所述延迟光路，用于改变两束飞秒激光的光程差(即相位差)，从而改变表面波被采集时的相位，使得能够采集到完整的太赫兹时域信号。
进一步地，所述二维材料为厚度小于1um且具有不同太赫兹响应的材料(如石墨烯、硒化铋薄层等)。
进一步地，若待测二维材料导电，则在金属电极和待测二维材料之间放置薄膜绝缘层(如100nm厚的二氧化硅薄膜)，一是防止材料直接导通两金属电极，使得光导开关失去作用，二是避免表面波在离开表面后的严重衰减。
由于表面波将引发金属电极之间电势差的变化，且变化规律与表面波一致，在基底中超快载流子被飞秒激光激发时金属电极被瞬间导通，产生与电势差大小线性相关的电流信号，并由后置电流放大器以及锁相放大器提取放大，从而实现光电采样，完成对待测材料表面波的探测。
采用上述基于自由电子激发和光电探测的相干近场探测系统探测待测材料表面的近场信号的方法，包括以下步骤：
s1.同步：飞秒激光源产生的飞秒激光经分束器分为两束，分别用于激励光阴极和光导天线，其中用于激励光导天线的飞秒激光经过延迟光路，使得脉冲电子束的发射与光导天线的光电采样实现同步。
s2.激发：将飞秒激光照射在光阴极上，产生具有相同重复频率的脉冲电子束，脉冲电子束以垂直于光导天线金属电极的方向从待测材料表面掠过，在待测材料或是金属光栅结构表面产生周期性表面波；同时照射光导天线的飞秒激光在半导体基底中产生能够自由移动的载流子，实现两金属电极之间飞秒量级时间的导通。
s3.探测：移动延迟光路，改变两束飞秒激光之间的光程差，使得光导天线在表面波的不同相位处实现导通，得到与每个相位电场幅值线性相关的电流值，且通过后续电流放大器和锁相放大器提取得到该电流值，从而采集到近场的时域波形。
本发明采用飞秒激光源产生飞秒激光，经分束器分为两束，其中一束飞秒激光激励光阴极产生脉冲电子束，脉冲电子束周期性激发待测材料的表面波，在待测材料下表面放置由低温砷化镓和金属电极组成的光导天线(若待测材料为金属光栅，则将其中相邻两光栅作为金属电极)直接感应待测材料的表面波，由于该表面波电场方向与电子束运动方向一致，只要保证电子束运动方向垂直于金属电极所在方向，表面波电场方向就满足光导天线的太赫兹接收条件。另一束飞秒激光通过延时光路再注入到光导天线上，从而实现光电采样，完成对待测材料表面波的探测。
综上所述，本发明提出将真空电子学的光阴极法产生电子束激发二维材料或金属光栅结构的近场，与光电子学中光导天线探测的方法相结合，实现了对电子激发表面波的直接探测。此方法在探测过程中干扰因素较少，能够较好的反映真实近场信息，加深我们对材料或结构表面的近场特性的理解。
在国际上，将真空电子学与近场探测相结合的思想还未发现，这一方法的成功实现将开辟出一种全新的表面波探测方式，大大推动近场物理、新型材料以及其他相关应用的研究。
附图说明
图1是光导天线采样自由电子激励二维材料近场的示意图。
图2是光导天线采样自由电子激励金属光栅结构近场的示意图。
图中：1.飞秒激光源2.光阴极3.光阴极产生的电子4.低温砷化镓基底5.金属电极6.电流放大器7.待测二维材料。
具体实施方式
实施例一
本实施例如图1中所示，飞秒激光源产生具有一定重复频率(如10mhz)的飞秒激光，该飞秒激光由分束器分为两束，分别用于激发光阴极产生光电子发射和激发光导天线的低温砷化镓基底产生自由运动的载流子。其中接入光导天线的飞秒激光需要经过一个光学延迟光路(图中未画出)后从光导天线下表面汇聚在两金属电极的狭缝处，在两金属电极上放置在太赫兹频段具有特殊响应的待测二维材料。光阴极产生的脉冲电子束从光导天线表面掠过，在电子投射场经过光导天线两金属电极之间时，会在待测二维材料上下表面激发出相应的表面波，该表面波电场方向与电子运动方向一致，均为垂直于光导天线金属电极的方向，因此可以在两电极之间产生相应变化的电势差，在基底导通时产生相应的电流。通过光学延迟光路改变两束飞秒脉冲激光激发时的相位差，由电流放大器和锁相放大器将表面波时域信号采集回来即得到待测二维材料的近场信号。
实施例二
本实施例如图2所示，其原理与实施例一类似，不同点在于待测材料为金属光栅结构，因此将相邻两金属光栅作为金属电极。金属光栅结构的表面波由脉冲电子束和金属光栅互作用产生，取相邻的两金属光栅作为光导天线的电极，基底同样使用低温砷化镓，表面波的传播导致作为电极的金属光栅之间产生变化的电势差。这一方式可以探测到随着光栅参数改变所导致的不同频率的表面波。
1.一种基于自由电子激发和光电探测的相干近场探测系统，包括飞秒激光源、光阴极、光导天线、延迟光路；
所述飞秒激光源用于产生飞秒激光，飞秒激光通过分束器分为两束；其中一束飞秒激光激励光阴极产生脉冲电子束，该脉冲电子束用于周期性激发待测材料的表面波；另一束飞秒激光用于激励光导天线的基底产生周期性超快载流子，起到采集开关的作用；
所述光导天线包括基底、以及设置于基底上的两个金属电极；若待测材料为二维材料，则将二维材料放置于两个金属电极上；若待测材料为金属光栅，则将其中相邻两金属光栅作为金属电极；所述光导天线后端依次连接电流放大器、锁相放大器；
所述延迟光路，用于改变两束飞秒激光的光程差，从而改变表面波被采集时的相位，使得能够采集到完整的太赫兹时域信号。
2.如权利要求1所述一种基于自由电子激发和光电探测的相干近场探测系统，其特征在于，所述二维材料为厚度小于1um且具有不同太赫兹响应的材料。
3.如权利要求2所述一种基于自由电子激发和光电探测的相干近场探测系统，其特征在于，若二维材料导电，则在金属电极和待测二维材料之间放置薄膜绝缘层。
4.如权利要求3所述一种基于自由电子激发和光电探测的相干近场探测系统，其特征在于，所述薄膜绝缘层为100nm厚的二氧化硅薄膜。
5.如权利要求3所述一种基于自由电子激发和光电探测的相干近场探测系统，其特征在于，所述基底材料为低温砷化镓。
6.采用基于自由电子激发和光电探测的相干近场探测系统探测待测材料表面的近场信号的方法，包括以下步骤：
s1.同步：飞秒激光源产生的飞秒激光经分束器分为两束，分别用于激励光阴极和光导天线，其中用于激励光导天线的飞秒激光经过延迟光路，使得脉冲电子束的发射与光导天线的光电采样实现同步；
s2.激发：将飞秒激光照射在光阴极上，产生具有相同重复频率的脉冲电子束，脉冲电子束以垂直于光导天线金属电极的方向从待测材料表面掠过，在待测材料或是金属光栅结构表面产生周期性表面波；同时照射光导天线的飞秒激光在半导体基底中产生能够自由移动的载流子，实现两金属电极之间飞秒量级时间的导通；
s3.探测：移动延迟光路，改变两束飞秒激光之间的光程差，使得光导天线在表面波的不同相位处实现导通，得到与每个相位电场幅值线性相关的电流值，且通过后续电流放大器和锁相放大器提取得到该电流值，从而采集到近场的时域波形。
技术总结