納米尺度光場相位分布測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米尺度光場相位分布測量裝置，包括：掃描近場光學(xué)顯微鏡模塊用于實現(xiàn)納米尺度空間分辨率的掃描和信號采集，外差干涉光路模塊用于產(chǎn)生能被處理的低頻拍信號，為實現(xiàn)相位解調(diào)提供可能性。顯微觀測對準模塊用于監(jiān)測針尖掃描狀態(tài)并輔助實現(xiàn)針尖，樣品和照明光的對準。信號采集與同步解調(diào)模塊可以控制探針以納米精度和步距進行掃描，并實時對收集到的信號進行解調(diào)，輸出對應(yīng)點的光場振幅和相位信息。信號處理與存儲顯示模塊將測量的結(jié)果采集存儲，在計算機生成同步的空間位置拓撲形貌圖以及對應(yīng)的光場振幅，相位分布圖。能夠?qū)崿F(xiàn)空間任意高度截面的場分布測量和3D立體場分布測量。
【專利說明】納米尺度光場相位分布測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米光學(xué)和納米光子學(xué)測量領(lǐng)域，尤其涉及一種納米尺度光場相位分布測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]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，對納米光子學(xué)器件的深入研究需要建立在對其納米光場的多種物理參數(shù)和光學(xué)特性進行定量測量的基礎(chǔ)上。
[0003]近場光學(xué)方法和技術(shù)為此提供了強有力的工具。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。它具有亞波長量級的超高空間分辨率，同時能夠探測樣品的光場特性。
[0004]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分布，尚不能測量相位分布。而相位分布可以反映出更多強度所不能反映的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例提供一種納米尺度光場相位分布測量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)納米光子學(xué)器件近場拓撲形貌，光場振幅和相位分布的同步掃描成像測量。
[0006]本發(fā)明實施例采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種納米尺度光場相位分布測量裝置，包括:掃描近場光學(xué)顯微鏡模塊，外差干涉光路模塊，顯微觀測對準模塊，信號采集與同步解調(diào)模塊，信號處理與存儲顯示模塊；
[0008]所述掃描近場光學(xué)顯微鏡模塊包括掃描臺、掃描頭、控制箱，近場光學(xué)探針；
[0009]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?qū)崿F(xiàn)樣品X，Y方向微調(diào)和面內(nèi)轉(zhuǎn)動，三個掃描臺均可以獨立控制；
[0010]所述近場光學(xué)探針固定于所述掃描頭的夾持器上，掃描頭置于待測樣品的上方，能夠驅(qū)動探針進行獨立掃描；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]所述顯微觀測對準模塊包括:長工作距可變倍視頻顯微鏡、CXD攝像頭、照明光源；視頻顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)三維對準和調(diào)焦，照明光源能夠切換同軸照明和傾斜入射照明；
[0014]所述信號采集與同步解調(diào)模塊，包括光電探測器，相位解調(diào)模塊，鎖相參考信號發(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，輸出對應(yīng)點的光場振幅和相位信息；
[0015]所述信號處理與存儲顯示模塊，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撲形貌圖以及對應(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量和3D立體場分布測量。
[0016]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。
[0017]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；
[0018]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?參考光和信號光，兩束光經(jīng)過聲光移頻單元后分別產(chǎn)生Q1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(zhuǎn)化為電信號。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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iu ；
[0022]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直的光束或者聚焦的光斑。
[0023]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(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機構(gòu)、照明光源以及CCD攝像頭，所述軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機構(gòu)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所述計算機連接。
[0024]信號采集與同步解調(diào)模塊包括光電探測器，相位解調(diào)模塊，鎖相參考信號發(fā)生器；
[0025]所述光電探測器為光電倍增管，或者所述光電探測器為雪崩二極管；
[0026]所述相位解調(diào)模塊為商用鎖相放大器，或者所述相位解調(diào)模塊為基于鎖相放大器原理搭建的相位解調(diào)模塊。
[0027]可選的，所述鎖相參考信號發(fā)生器用于產(chǎn)生解調(diào)所需的參考信號為來源于移頻器輸出的電信號，或者來源于外差干涉儀的光外差信號。
[0028]可選的，所述相位解調(diào)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)以下至少一種解調(diào)方式:[0029]使用光外差頻率直接解調(diào)，選擇外差頻率的高次諧波解調(diào)，將探針振動頻率的高次諧波與外差頻率高次諧波混頻后作為參考信號解調(diào)。
[0030]基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明實施例的納米尺度光場相位分布測量裝置，對待測樣品以納米精度和步距進行掃描，輸出對應(yīng)點的光場振幅和相位信息，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撲形貌圖以及對應(yīng)的光場振幅，相位分布圖。從而實現(xiàn)納米光子學(xué)器件近場拓撲形貌，光場振幅和相位分布的同步掃描成像測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0032]圖1為本發(fā)明實施例的納米尺度光場相位分布測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]其中:11、照明激發(fā)光源；12、光束整形單元；13、偏振控制單元；14、分光器；15、移頻器；16、光纖稱合模塊；21、掃描頭；22、光纖孔徑探針；23、掃描顯微鏡控制箱；24、掃描臺；31、光電探測器；32、鎖相參考信號發(fā)生模塊；33、相位解調(diào)模塊；41、數(shù)據(jù)采集模塊；42、計算機；51、視頻顯微鏡筒；52、(XD。
[0034]圖2為本發(fā)明實施例的掃描臺結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]其中:241為大行程二維電動位移臺；242為高精度小量程壓電陶瓷三維掃描臺；243為手動樣品微調(diào)臺。
【具體實施方式】
[0036]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0037]本發(fā)明實施例的納米尺度光場相位分布測量裝置具體實施時，包括掃描近場光學(xué)顯微鏡模塊，外差干涉光路模塊，顯微觀測對準模塊，信號采集與同步解調(diào)模塊，信號處理與存儲顯不t旲塊。
[0038]所述掃描近場光學(xué)顯微鏡模塊用于實現(xiàn)納米尺度空間分辨率的掃描和信號采集，所述外差干涉光路模塊用于產(chǎn)生能被處理的低頻拍信號，為實現(xiàn)相位解調(diào)提供可能性。所述顯微觀測對準模塊用于監(jiān)測針尖掃描狀態(tài)并輔助實現(xiàn)針尖，樣品和照明光的對準。所述信號采集與同步解調(diào)模塊可以控制探針以納米精度和步距進行掃描，并實時對收集到的信號進行解調(diào)，輸出對應(yīng)點的光場振幅和相位信息。所述信號處理與存儲顯示模塊將測量的結(jié)果采集存儲，在計算機生成同步的空間位置拓撲形貌圖以及對應(yīng)的光場振幅，相位分布圖。
[0039]其中，所述掃描近場光學(xué)顯微鏡探測模塊包括掃描頭、掃描臺、近場光學(xué)探針、控制箱，所述掃描頭置于待測樣品的上方，所述近場光學(xué)探針與夾持在掃描頭下方并位于待測樣品上方，光纖探針連接至光纖耦合器，并由控制箱控制探針的掃描運動。所述控制箱與計算機相連。
[0040]其中，所述外差干涉光路模塊在光路方向上依次設(shè)有:照明激發(fā)光源，光束整形單元，偏振控制單元，分光器單元，聲光移頻單元，光纖耦合單元。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?參考光和信號光。兩束光經(jīng)過聲光移頻單元后分別產(chǎn)生O1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稱合器中進行干涉。參考光和測量光的電場表達式可以描述為:
[0041]
【權(quán)利要求】
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(xué)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(diào)模塊，信號處理與存儲顯示模塊； 所述掃描近場光學(xué)顯微鏡模塊包括掃描臺、掃描頭、控制箱，近場光學(xué)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?qū)崿F(xiàn)樣品X，Y方向微調(diào)和面內(nèi)轉(zhuǎn)動，三個掃描臺均可以獨立控制；所述近場光學(xué)探針固定于所述掃描頭的夾持器上，掃描頭置于待測樣品的上方，能夠驅(qū)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(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； 所述顯微觀測對準模塊包括:長工作距可變倍視頻顯微鏡、CXD攝像頭、照明光源；視頻顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)三維對準和調(diào)焦，照明光源能夠切換同軸照明和傾斜入射照明； 所述信號采集與同步解調(diào)模塊，包括光電探測器，相位解調(diào)模塊，鎖相參考信號發(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，輸出對應(yīng)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(jù)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(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量和3D立體場分布測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，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。
3.根據(jù)權(quán)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(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?參考光和信號光，兩束光經(jīng)過聲光移頻單元后分別產(chǎn)生Q1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(zhuǎn)化為電信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，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。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，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。
6.根據(jù)權(quán)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(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直的光束或者聚焦的光斑。
7.根據(jù)權(quán)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(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機構(gòu)、照明光源以及CCD攝像頭，所述軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機構(gòu)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所述計算機連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，信號采集與同步解調(diào)模塊包括光電探測器，相位解調(diào)模塊，鎖相參考信號發(fā)生器； 所述光電探測器為光電倍增管，或者所述光電探測器為雪崩二極管； 所述相位解調(diào)模塊為商用鎖相放大器，或者所述相位解調(diào)模塊為基于鎖相放大器原理搭建的相位解調(diào)模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述鎖相參考信號發(fā)生器用于產(chǎn)生解調(diào)所需的參考信號為來 源于移頻器輸出的電信號，或者來源于外差干涉儀的光外差信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述相位解調(diào)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)以下至少一種解調(diào)方式: 使用光外差頻率直接解調(diào)，選擇外差頻率的高次諧波解調(diào)，將探針振動頻率的高次諧波與外差頻率高次諧波混頻后作為參考信號解調(diào)。
【文檔編號】G01J1/42GK104006891SQ201410236054
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】王佳, 武曉宇, 孫琳, 譚峭峰, 白本鋒 申請人:清華大學(xué)