納米尺度光場相位分布測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種納米尺度光場相位分布測量裝置，包括：掃描近場光學顯微鏡模塊用于實現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生能被處理的低頻拍信號，為實現相位解調提供可能性。顯微觀測對準模塊用于監測針尖掃描狀態并輔助實現針尖，樣品和照明光的對準。信號采集與同步解調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，輸出對應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的光場振幅，相位分布圖。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。
【專利說明】納米尺度光場相位分布測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米光學和納米光子學測量領域，尤其涉及一種納米尺度光場相位分布測量裝置。
【背景技術】
[0002]納米光子的研究近年來已經迅速成為國際上的前沿和熱點，對納米光子學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和光學特性進行定量測量的基礎上。
[0003]近場光學方法和技術為此提供了強有力的工具。掃描近場光學顯微鏡(SNOM)出現后，已經被廣泛地應用在納米光學研究領域。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]現有的近場光學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。
【發明內容】
[0005]本發明實施例提供一種納米尺度光場相位分布測量裝置，能夠實現納米光子學器件近場拓撲形貌，光場振幅和相位分布的同步掃描成像測量。
[0006]本發明實施例采用如下技術方案:
[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；
[0008]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；
[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；
[0010]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；
[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特殊光路架構，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；
[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；
[0014]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；
[0015]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。
[0016]可選的，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；納米顆粒為具有貴金屬核殼結構層的納米顆粒，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特殊光路架構，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；
[0018]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化為電信號。
[0019]可選的，所述樣品照明激發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。
[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所述計算機連接。
[0024]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；
[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]所述相位解調模塊為商用鎖相放大器，或者所述相位解調模塊為基于鎖相放大器原理搭建的相位解調模塊。
[0027]可選的，所述鎖相參考信號發生器用于產生解調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，所述相位解調模塊能夠實現以下至少一種解調方式:[0029]使用光外差頻率直接解調，選擇外差頻率的高次諧波解調，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。
[0030]基于上述技術方案，本發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，輸出對應點的光場振幅和相位信息，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。從而實現納米光子學器件近場拓撲形貌，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明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0032]圖1為本發明實施例的納米尺度光場相位分布測量裝置的結構示意圖；
[0033]其中:11、照明激發光源；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、鎖相參考信號發生模塊；33、相位解調模塊；41、數據采集模塊；42、計算機；51、視頻顯微鏡筒；52、(XD。
[0034]圖2為本發明實施例的掃描臺結構示意圖。
[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為手動樣品微調臺。
【具體實施方式】
[0036]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0037]本發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，信號處理與存儲顯不t旲塊。
[0038]所述掃描近場光學顯微鏡模塊用于實現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生能被處理的低頻拍信號，為實現相位解調提供可能性。所述顯微觀測對準模塊用于監測針尖掃描狀態并輔助實現針尖，樣品和照明光的對準。所述信號采集與同步解調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，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將測量的結果采集存儲，在計算機生成同步的空間位置拓撲形貌圖以及對應的光場振幅，相位分布圖。
[0039]其中，所述掃描近場光學顯微鏡探測模塊包括掃描頭、掃描臺、近場光學探針、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有:照明激發光源，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特殊光路架構，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、CXD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；納米顆粒為具有貴金屬核殼結構層的納米顆粒，包括金納米顆粒、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特殊光路架構，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或激光二極管，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所述計算機連接。
8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，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； 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； 所述相位解調模塊為商用鎖相放大器，或者所述相位解調模塊為基于鎖相放大器原理搭建的相位解調模塊。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述鎖相參考信號發生器用于產生解調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.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述相位解調模塊能夠實現以下至少一種解調方式: 使用光外差頻率直接解調，選擇外差頻率的高次諧波解調，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。
【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 優先權日:2014年5月29日
【發明者】王佳, 武曉宇, 孫琳, 譚峭峰, 白本鋒 申請人:清華大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
