[發(fā)明專利]納米尺度光場相位分布測(cè)量裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410236054.8
• 申請(qǐng)日: 2014-05-29
• 公開（公告）號(hào): CN104006891B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王佳;武曉宇;孫琳;譚峭峰;白本鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J9/02
• 分類號(hào): G01J9/02;G01J1/42;G01B11/24
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11002
• 代理人: 李迪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米光學(xué)和納米光子學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種納米尺度光場相位分布測(cè)量裝置。

背景技術(shù)

納米光子的研究近年來已經(jīng)迅速成為國際上的前沿和熱點(diǎn)，對(duì)納米光子學(xué)器件的深入研究需要建立在對(duì)其納米光場的多種物理參數(shù)和光學(xué)特性進(jìn)行定量測(cè)量的基礎(chǔ)上。

近場光學(xué)方法和技術(shù)為此提供了強(qiáng)有力的工具。掃描近場光學(xué)顯微鏡(SNOM)出現(xiàn)后，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在納米光學(xué)研究領(lǐng)域。它具有亞波長量級(jí)的超高空間分辨率，同時(shí)能夠探測(cè)樣品的光場特性。

現(xiàn)有的近場光學(xué)顯微鏡大多能獲得樣品的形貌和光強(qiáng)分布，尚不能測(cè)量相位分布。而相位分布可以反映出更多強(qiáng)度所不能反映的信息。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實(shí)施例提供一種納米尺度光場相位分布測(cè)量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)納米光子學(xué)器件近場拓?fù)湫蚊?，光場振幅和相位分布的同步掃描成像測(cè)量。

本發(fā)明實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：

一種納米尺度光場相位分布測(cè)量裝置，包括：掃描近場光學(xué)顯微鏡模塊，外差干涉光路模塊，顯微觀測(cè)對(duì)準(zhǔn)模塊，信號(hào)采集與同步解調(diào)模塊，信號(hào)處理與存儲(chǔ)顯示模塊；

所述掃描近場光學(xué)顯微鏡模塊包括掃描臺(tái)、掃描頭、控制箱，近場光學(xué)探針；

所述掃描臺(tái)包括：一個(gè)二維電動(dòng)控制掃描臺(tái)，承載掃描頭，用于樣品的快速搜索定位和大尺寸測(cè)量范圍拼接，一個(gè)壓電陶瓷三維掃描臺(tái)，用于承載樣品，可以獨(dú)立掃描，還有一個(gè)三維手動(dòng)樣品臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品X,Y方向微調(diào)和面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)掃描臺(tái)均可以獨(dú)立控制；

所述近場光學(xué)探針固定于所述掃描頭的夾持器上，掃描頭置于待測(cè)樣品的上方，能夠驅(qū)動(dòng)探針進(jìn)行獨(dú)立掃描；

所述控制箱包含兩個(gè)獨(dú)立的控制器，一個(gè)用于控制高精度壓電陶瓷掃描臺(tái)，另一個(gè)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(fā)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(dǎo)光纖，外差干涉采用空間光和光纖相結(jié)合的特殊光路架構(gòu)，信號(hào)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?qū)崿F(xiàn)變角度照明、隱失場耦合照明、聚焦光斑和偏振態(tài)照明激發(fā)模式；

所述顯微觀測(cè)對(duì)準(zhǔn)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?qū)崿F(xiàn)三維對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦，照明光源能夠切換同軸照明和傾斜入射照明；

所述信號(hào)采集與同步解調(diào)模塊，包括光電探測(cè)器，相位解調(diào)模塊，鎖相參考信號(hào)發(fā)生器；用于高速采集當(dāng)前位置的光場信息，經(jīng)過解調(diào)處理，輸出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光場振幅和相位信息；

所述信號(hào)處理與存儲(chǔ)顯示模塊，用于根據(jù)輸出的光場振幅和相位信息，生成同步的空間位置拓?fù)湫蚊矆D以及對(duì)應(yīng)的光場振幅，相位分布圖，而且能夠?qū)崿F(xiàn)空間任意高度截面的場分布測(cè)量和3D立體場分布測(cè)量。

可選的，所述近場光學(xué)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(jié)構(gòu)光學(xué)天線，或經(jīng)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；納米顆粒為具有貴金屬核殼結(jié)構(gòu)層的納米顆粒，包括金納米顆粒、銀納米顆粒。

所述外差干涉光路模塊包括：照明激發(fā)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(dǎo)光纖，外差干涉采用空間光和光纖相結(jié)合的特殊光路架構(gòu)，信號(hào)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?qū)崿F(xiàn)的偏振態(tài)激發(fā)模式包括變角度、隱失場照明、聚焦光斑和圓偏振，旋轉(zhuǎn)偏振光、線偏振，切向偏振，徑向偏振；

所述照明激發(fā)光源發(fā)出的光經(jīng)過光束整形單元后成為平行光束，再經(jīng)過偏振狀態(tài)控制單元變?yōu)樗璧钠駹顟B(tài)，經(jīng)過分光器單元后變?yōu)閮墒猓簠⒖脊夂托盘?hào)光，兩束光經(jīng)過聲光移頻單元后分別產(chǎn)生ω₁和ω₂的頻移，其中參考光路直接耦合到光纖中，測(cè)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(cè)量光與參考光在光纖耦合器中進(jìn)行干涉，將干涉的光強(qiáng)信號(hào)接入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

可選的，所述樣品照明激發(fā)光源為激光器或激光二極管，波長為紫外，可見光，近紅外。

所述光束整形單元在激發(fā)光光路方向上依次設(shè)有光隔離器、空間濾波器、光束轉(zhuǎn)折器、四分之一波片和半波片。

可選的，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(diào)制器；可以在空間光路產(chǎn)生線偏振，圓偏振，旋轉(zhuǎn)偏振、徑向偏振，切線偏振光束，入射到樣品平面的光為準(zhǔn)直的光束或者聚焦的光斑。