[發明專利]納米尺度光場相位分布測量裝置

有效

• 申請號: 201410236054.8
• 申請日: 2014-05-29
• 公開（公告）號: CN104006891B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 王佳;武曉宇;孫琳;譚峭峰;白本鋒
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01J9/02
• 分類號: G01J9/02;G01J1/42;G01B11/24
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 李迪

1.一種納米尺度光場相位分布測量裝置，其特征在于，包括：掃描近場光學顯微鏡模塊，外差干涉光路模塊，顯微觀測對準模塊，信號采集與同步解調模塊，信號處理與存儲顯示模塊；

所述掃描近場光學顯微鏡模塊包括掃描臺、掃描頭、控制箱，近場光學探針；

所述掃描臺包括：一個二維電動控制掃描臺，承載掃描頭，用于樣品的快速搜索定位和大尺寸測量范圍拼接，一個壓電陶瓷三維掃描臺，用于承載樣品，可以獨立掃描，還有一個三維手動樣品臺，能夠實現樣品X,Y方向微調和面內轉動，三個掃描臺均可以獨立控制；

所述近場光學探針固定于所述掃描頭的夾持器上，掃描頭置于待測樣品的上方，能夠驅動探針進行獨立掃描；

所述控制箱包含兩個獨立的控制器，一個用于控制高精度壓電陶瓷掃描臺，另一個用于控制掃描頭以納米精度和步距掃描；

所述外差干涉光路模塊包括：照明激發光源，光束整形單元，偏振控制單元，分光鏡，聲光移頻器，光纖耦合器，傳導光纖，外差干涉采用空間光和光纖相結合的光路架構，信號采集傳輸采用光纖光路提高抗干擾性，樣品照明采用空間光路能夠實現變角度照明、隱失場耦合照明、聚焦光斑和偏振態照明激發模式；

所述顯微觀測對準模塊包括：長工作距可變倍視頻顯微鏡、CCD攝像頭、照明光源；視頻顯微鏡能夠實現三維對準和調焦，照明光源能夠切換同軸照明和傾斜入射照明；

所述信號采集與同步解調模塊，包括光電探測器，相位解調模塊，鎖相參考信號發生器；用于高速采集當前位置的光場信息，經過解調處理，輸出對應點的光場振幅和相位信息；

所述信號處理與存儲顯示模塊，用于根據輸出的光場振幅和相位信息，生成同步的空間位置拓撲形貌圖以及對應的光場振幅，相位分布圖，而且能夠實現空間任意高度截面的場分布測量和3D立體場分布測量。

2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述近場光學探針為鍍金屬膜光纖孔徑探針，或者金屬針尖、鍍金屬針尖、納米結構光學天線，或經過納米顆粒方法修飾的等離激元功能探針，其中，金屬膜層材料為金、銀、鋁；納米顆粒為金納米顆粒、銀納米顆粒。

3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述外差干涉光路模塊包括：照明激發光源，光束整形單元，偏振控制單元，分光鏡，聲光移頻器，光纖耦合器，傳導光纖，外差干涉采用空間光和光纖相結合的光路架構，信號采集傳輸采用光纖光路提高抗干擾性，樣品照明采用空間光路能夠實現的偏振態激發模式包括變角度、隱失場照明、聚焦光斑和圓偏振，旋轉偏振光、線偏振，切向偏振，徑向偏振；

所述照明激發光源發出的光經過光束整形單元后成為平行光束，再經過偏振狀態控制單元變為所需的偏振狀態，經過分光器單元后變為兩束光：參考光和信號光，兩束光經過聲光移頻單元后分別產生ω1和ω2的頻移，其中參考光路直接耦合到光纖中，測量光路照射在樣品上，利用光纖探針收集樣品表面光場信息，測量光與參考光在光纖耦合器中進行干涉，將干涉的光強信號接入光電探測器轉化為電信號。

4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述樣品照明激發光源為激光器，波長為紫外，可見光，近紅外。

5.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，光束整形單元在激發光光路方向上依次設有光隔離器、空間濾波器、光束轉折器、四分之一波片和半波片。

6.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述偏振控制單元位于所述分光器單元之前，或者位于所述分光器單元之后，入射到樣品之前；

所述偏振控制單元為波片組合，或者所述偏振控制單元為空間光調制器；可以在空間光路產生線偏振，圓偏振，旋轉偏振、徑向偏振，切向偏振光束，入射到樣品平面的光為準直的光束或者聚焦的光斑。

7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述顯微觀測對準模塊包括：長工作距可變倍顯微鏡筒、軸向調焦和二維調節機構、照明光源以及CCD攝像頭，所述軸向調焦和二維調節機構的底部固定在所述樣品臺上，其上部用于固定變倍顯微鏡筒，所述照明光源能夠切換同軸照明或傾斜入射照明，所述CCD攝像頭固定在變倍顯微鏡筒的上方并與計算機連接。