[發明專利]一種基于金屬薄膜SPR色散的圖像化測量裝置和測量方法

有效

• 申請號: 201410853476.X
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104535545A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 雷欣瑞;魯擁華;王沛
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種基于金屬薄膜SPR色散的圖像化測量裝置，其特征在于：該裝置包括：溴鎢燈光源(1)、準直系統(2)、第一分束鏡(3)、固體激光器(4)、He-Ne激光器(5)、第二分束鏡(6)、擴束系統(7)、偏振片(8)、第一柱透鏡(10)、棱鏡(11)、第二柱透鏡(12)、閃耀光柵(13)、第三柱透鏡(14)和CCD(15)；其中，第一柱透鏡(10)、棱鏡(11)、第二柱透鏡(12)、閃耀光柵(13)、第三柱透鏡(14)和CCD(15)組成測量系統(9)；溴鎢燈光源(1)出射的白光經過準直系統(2)變為白光平行光，固體激光器(4)出射的光束與He-Ne激光器(5)出射的光束經過第二分束鏡(6)后合為一束光，再由擴束系統(7)擴束后經過第一分束鏡(3)，與白光平行光合為一束后經過偏振片(8)變為TM偏振光，之后經過第一柱透鏡(10)后聚焦到鍍有待測金屬膜的棱鏡(11)表面，產生一定的入射角范圍，光束經過棱鏡表面反射后經過第二柱透鏡(12)還原為平行光，第二柱透鏡(12)與第一柱透鏡(10)焦距相等；從第二柱透鏡(12)出射的光束入射到閃耀光柵(13)表面，光柵的刻線方向與偏振方向平行；光柵將不同波長的光以不同的衍射角在空間分開后經過第三柱透鏡(14)聚焦，用CCD(15)在后焦面接收圖像；最終由CCD(15)采集到一張反射光強的角度、波長依賴圖像。

2.一種如權利要求1所述的一種基于金屬薄膜SPR色散的圖像化測量裝置，其特征在于：將預先記錄的無銀膜時的色散圖像作為背景扣除，并進行定標及歸一化后得到角度—波長—光強反射率的SPR色散圖像。

3.一種如權利要求1或2所述的一種基于金屬薄膜SPR色散的圖像化測量裝置，其特征在于：該裝置利用透鏡(10)聚焦和光柵(13)分光，將角度和波長在空間以正交的方向分開，用CCD(15)探測反射光強，得到角度、波長依賴的SPR色散曲線。

4.一種如權利要求1或2所述的一種基于金屬薄膜SPR色散的圖像化測量裝置，其特征在于：利用光柵方程及位置方程，獲得波長坐標的絕對值及角度坐標的絕對值。

5.一種金屬薄膜復介電系數色散在可見光光譜范圍的一次性測量方法，該方法利用權利要求1或2所述的基于金屬薄膜SPR色散的圖像化測量裝置，其特征在于：該方法具體步驟為：

步驟(1)、溴鎢燈光源(1)出射的白光經過準直系統(2)變為平行光；

步驟(2)、固體激光器(4)出射的光束與He-Ne激光器(5)出射的光束經過分束鏡(6)后合為一束光，再由擴束系統(7)擴束后經過分束鏡(3)，與白光合為一束后經過偏振片(8)變為TM偏光，之后經過柱透鏡(10)后聚焦到鍍有待測金屬膜的棱鏡(11)表面，產生一定的入射角范圍；

步驟(3)、光束經過棱鏡表面反射后經過柱透鏡(12)還原為平行光，柱透鏡(12)與柱透鏡(10)焦距相等；

步驟(4)、從柱透鏡(12)出射的光束入射到閃耀光柵(13)表面，光柵的刻線方向與偏振方向平行；

步驟(5)、光柵將不同波長的光以不同的衍射角在空間分開后經過柱透鏡(14)聚焦，用CCD(15)在后焦面接收圖像；

步驟(6)、最終由CCD采集到一張反射光強的角度、波長依賴圖像；

步驟(7)、將預先記錄的無銀膜時的色散圖像作為背景扣除，并進行定標及歸一化后得到角度—波長—光強反射率的SPR色散圖像，然后用原子力顯微鏡(Atomic?Force?Microscope,AFM)測量金屬膜厚度。

6.一種如權利要求5所述的金屬薄膜復介電系數色散在可見光光譜范圍的一次性測量方法，其特征在于：將色散曲線中的波長逐一提取出來，得到不同波長下的ATR曲線。

7.一種如權利要求5或6所述的金屬薄膜復介電系數色散在可見光光譜范圍的一次性測量方法，其特征在于：從ATR曲線中提取共振角及反射率的最小值，由波矢匹配關系及共振角計算金屬復介電系數的實部。

8.一種如權利要求5或6所述的金屬薄膜復介電系數色散在可見光光譜范圍的一次性測量方法，其特征在于：利用金屬復介電系數的實部，虛部，反射率的最小值及膜厚度之間的函數關系求解得出金屬薄膜復介電系數的虛部。