纳米尺度光场相位分布测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米尺度光场相位分布测量装置，包括：扫描近场光学显微镜模块用于实现纳米尺度空间分辨率的扫描和信号采集，外差干涉光路模块用于产生能被处理的低频拍信号，为实现相位解调提供可能性。显微观测对准模块用于监测针尖扫描状态并辅助实现针尖，样品和照明光的对准。信号采集与同步解调模块可以控制探针以纳米精度和步距进行扫描，并实时对收集到的信号进行解调，输出对应点的光场振幅和相位信息。信号处理与存储显示模块将测量的结果采集存储，在计算机生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布图。能够实现空间任意高度截面的场分布测量和3D立体场分布测量。
【专利说明】纳米尺度光场相位分布测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米光学和纳米光子学测量领域，尤其涉及一种纳米尺度光场相位分布测量装置。
【背景技术】
[0002]纳米光子的研究近年来已经迅速成为国际上的前沿和热点，对纳米光子学器件的深入研究需要建立在对其纳米光场的多种物理参数和光学特性进行定量测量的基础上。
[0003]近场光学方法和技术为此提供了强有力的工具。扫描近场光学显微镜(SNOM)出现后，已经被广泛地应用在纳米光学研究领域。它具有亚波长量级的超高空间分辨率，同时能够探测样品的光场特性。
[0004]现有的近场光学显微镜大多能获得样品的形貌和光强分布，尚不能测量相位分布。而相位分布可以反映出更多强度所不能反映的信息。

【发明内容】

[0005]本发明实施例提供一种纳米尺度光场相位分布测量装置，能够实现纳米光子学器件近场拓扑形貌，光场振幅和相位分布的同步扫描成像测量。
[0006]本发明实施例采用如下技术方案:
[0007]—种纳米尺度光场相位分布测量装置，包括:扫描近场光学显微镜模块，外差干涉光路模块，显微观测对准模块，信号采集与同步解调模块，信号处理与存储显示模块；
[0008]所述扫描近场光学显微镜模块包括扫描台、扫描头、控制箱，近场光学探针；
[0009]所述扫描台包括:一个二维电动控制扫描台，承载扫描头，用于样品的快速搜索定位和大尺寸测量范围拼接，一个压电陶瓷三维扫描台，用于承载样品，可以独立扫描，还有一个三维手动样品台，能够实现样品X，Y方向微调和面内转动，三个扫描台均可以独立控制；
[0010]所述近场光学探针固定于所述扫描头的夹持器上，扫描头置于待测样品的上方，能够驱动探针进行独立扫描；
[0011]所述控制箱包含两个独立的控制器，一个用于控制高精度压电陶瓷扫描台，另一个用于控制扫描头以纳米精度和步距扫描；
[0012]所述外差干涉光路模块包括:照明激发光源，光束整形单元，偏振控制单元，分光镜，声光移频器，光纤耦合器，传导光纤，外差干涉采用空间光和光纤相结合的特殊光路架构，信号采集传输采用光纤光路提高抗干扰性，样品照明采用空间光路能够实现变角度照明、隐失场耦合照明、聚焦光斑和偏振态照明激发模式；
[0013]所述显微观测对准模块包括:长工作距可变倍视频显微镜、CXD摄像头、照明光源；视频显微镜能够实现三维对准和调焦，照明光源能够切换同轴照明和倾斜入射照明；
[0014]所述信号采集与同步解调模块，包括光电探测器，相位解调模块，锁相参考信号发生器；用于高速采集当前位置的光场信息，经过解调处理，输出对应点的光场振幅和相位信息；
[0015]所述信号处理与存储显示模块，用于根据输出的光场振幅和相位信息，生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布图，而且能够实现空间任意高度截面的场分布测量和3D立体场分布测量。
[0016]可选的，所述近场光学探针为镀金属膜光纤孔径探针，或者金属针尖、镀金属针尖、纳米结构光学天线，或经过纳米颗粒方法修饰的等离激元功能探针，其中，金属膜层材料为金、银、铝；纳米颗粒为具有贵金属核壳结构层的纳米颗粒，包括金纳米颗粒、银纳米颗粒。
[0017]所述外差干涉光路模块包括:照明激发光源，光束整形单元，偏振控制单元，分光镜，声光移频器，光纤耦合器，传导光纤，外差干涉采用空间光和光纤相结合的特殊光路架构，信号采集传输采用光纤光路提高抗干扰性，样品照明采用空间光路能够实现的偏振态激发模式包括变角度、隐失场照明、聚焦光斑和圆偏振，旋转偏振光、线偏振，切向偏振，径向偏振；
[0018]所述照明激发光源发出的光经过光束整形单元后成为平行光束，再经过偏振状态控制单元变为所需的偏振状态，经过分光器单元后变为两束光:参考光和信号光，两束光经过声光移频单元后分别产生Q1和ω2的频移，其中参考光路直接耦合到光纤中，测量光路照射在样品上，利用光纤探针收集样品表面光场信息，测量光与参考光在光纤耦合器中进行干涉，将干涉的光强信号接入光电探测器转化为电信号。
[0019]可选的，所述样品照明激发光源为激光器或激光二极管，波长为紫外，可见光，近红外。
[0020]所述光束整形单元在激发光光路方向上依次设有光隔离器、空间滤波器、光束转折器、四分之一波片和半波片。
[0021]可选的，所述偏振控制单元位于所述分光器单元之前，或者位于所述分光器单元之后，入射到样品之iu ；
[0022]所述偏振控制单元为波片组合，或者所述偏振控制单元为空间光调制器；可以在空间光路产生线偏振，圆偏振，旋转偏振、径向偏振，切线偏振光束，入射到样品平面的光为准直的光束或者聚焦的光斑。
[0023]所述显微观测对准模块包括:长工作距可变倍显微镜筒、轴向调焦和二维调节机构、照明光源以及CCD摄像头，所述轴向调焦和二维调节机构的底部固定在所述样品台上，其上部用于固定变倍显微镜筒，所述照明光源能够切换同轴照明或倾斜入射照明，所述CCD摄像头固定在变倍显微镜筒的上方并与所述计算机连接。
[0024]信号采集与同步解调模块包括光电探测器，相位解调模块，锁相参考信号发生器；
[0025]所述光电探测器为光电倍增管，或者所述光电探测器为雪崩二极管；
[0026]所述相位解调模块为商用锁相放大器，或者所述相位解调模块为基于锁相放大器原理搭建的相位解调模块。
[0027]可选的，所述锁相参考信号发生器用于产生解调所需的参考信号为来源于移频器输出的电信号，或者来源于外差干涉仪的光外差信号。
[0028]可选的，所述相位解调模块能够实现以下至少一种解调方式:[0029]使用光外差频率直接解调，选择外差频率的高次谐波解调，将探针振动频率的高次谐波与外差频率高次谐波混频后作为参考信号解调。
[0030]基于上述技术方案，本发明实施例的纳米尺度光场相位分布测量装置，对待测样品以纳米精度和步距进行扫描，输出对应点的光场振幅和相位信息，根据输出的光场振幅和相位信息，生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布图。从而实现纳米光子学器件近场拓扑形貌，光场振幅和相位分布的同步扫描成像测量。
【专利附图】

【附图说明】
[0031]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为本发明实施例的纳米尺度光场相位分布测量装置的结构示意图；
[0033]其中:11、照明激发光源；12、光束整形单元；13、偏振控制单元；14、分光器；15、移频器；16、光纤稱合模块；21、扫描头；22、光纤孔径探针；23、扫描显微镜控制箱；24、扫描台；31、光电探测器；32、锁相参考信号发生模块；33、相位解调模块；41、数据采集模块；42、计算机；51、视频显微镜筒；52、(XD。
[0034]图2为本发明实施例的扫描台结构示意图。
[0035]其中:241为大行程二维电动位移台；242为高精度小量程压电陶瓷三维扫描台；243为手动样品微调台。
【具体实施方式】
[0036]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]本发明实施例的纳米尺度光场相位分布测量装置具体实施时，包括扫描近场光学显微镜模块，外差干涉光路模块，显微观测对准模块，信号采集与同步解调模块，信号处理与存储显不t旲块。
[0038]所述扫描近场光学显微镜模块用于实现纳米尺度空间分辨率的扫描和信号采集，所述外差干涉光路模块用于产生能被处理的低频拍信号，为实现相位解调提供可能性。所述显微观测对准模块用于监测针尖扫描状态并辅助实现针尖，样品和照明光的对准。所述信号采集与同步解调模块可以控制探针以纳米精度和步距进行扫描，并实时对收集到的信号进行解调，输出对应点的光场振幅和相位信息。所述信号处理与存储显示模块将测量的结果采集存储，在计算机生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布图。
[0039]其中，所述扫描近场光学显微镜探测模块包括扫描头、扫描台、近场光学探针、控制箱，所述扫描头置于待测样品的上方，所述近场光学探针与夹持在扫描头下方并位于待测样品上方，光纤探针连接至光纤耦合器，并由控制箱控制探针的扫描运动。所述控制箱与计算机相连。
[0040]其中，所述外差干涉光路模块在光路方向上依次设有:照明激发光源，光束整形单元，偏振控制单元，分光器单元，声光移频单元，光纤耦合单元。所述照明激发光源发出的光经过光束整形单元后成为平行光束，再经过偏振状态控制单元变为所需的偏振状态，经过分光器单元后变为两束光:参考光和信号光。两束光经过声光移频单元后分别产生O1和ω2的频移，其中参考光路直接耦合到光纤中，测量光路照射在样品上，利用光纤探针收集样品表面光场信息，测量光与参考光在光纤稱合器中进行干涉。参考光和测量光的电场表达式可以描述为:
[0041]
【权利要求】
1.一种纳米尺度光场相位分布测量装置，其特征在于，包括:扫描近场光学显微镜模块，外差干涉光路模块，显微观测对准模块，信号采集与同步解调模块，信号处理与存储显示模块； 所述扫描近场光学显微镜模块包括扫描台、扫描头、控制箱，近场光学探针； 所述扫描台包括:一个二维电动控制扫描台，承载扫描头，用于样品的快速搜索定位和大尺寸测量范围拼接，一个压电陶瓷三维扫描台，用于承载样品，可以独立扫描，还有一个三维手动样品台，能够实现样品X，Y方向微调和面内转动，三个扫描台均可以独立控制；所述近场光学探针固定于所述扫描头的夹持器上，扫描头置于待测样品的上方，能够驱动探针进行独立扫描； 所述控制箱包含两个独立的控制器，一个用于控制高精度压电陶瓷扫描台，另一个用于控制扫描头以纳米精度和步距扫描； 所述外差干涉光路模块包括:照明激发光源，光束整形单元，偏振控制单元，分光镜，声光移频器，光纤耦合器，传导光纤，外差干涉采用空间光和光纤相结合的特殊光路架构，信号采集传输采用光纤光路提高抗干扰性，样品照明采用空间光路能够实现变角度照明、隐失场耦合照明、聚焦光斑和偏振态照明激发模式； 所述显微观测对准模块包括:长工作距可变倍视频显微镜、CXD摄像头、照明光源；视频显微镜能够实现三维对准和调焦，照明光源能够切换同轴照明和倾斜入射照明； 所述信号采集与同步解调模块，包括光电探测器，相位解调模块，锁相参考信号发生器；用于高速采集当前位置的光场信息，经过解调处理，输出对应点的光场振幅和相位信息； 所述信号处理与存储显示模块，用于根据输出的光场振幅和相位信息，生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布图，而且能够实现空间任意高度截面的场分布测量和3D立体场分布测量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述近场光学探针为镀金属膜光纤孔径探针，或者金属针尖、镀金属针尖、纳米结构光学天线，或经过纳米颗粒方法修饰的等离激元功能探针，其中，金属膜层材料为金、银、铝；纳米颗粒为具有贵金属核壳结构层的纳米颗粒，包括金纳米颗粒、银纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外差干涉光路模块包括:照明激发光源，光束整形单元，偏振控制单元，分光镜，声光移频器，光纤耦合器，传导光纤，外差干涉采用空间光和光纤相结合的特殊光路架构，信号采集传输采用光纤光路提高抗干扰性，样品照明采用空间光路能够实现的偏振态激发模式包括变角度、隐失场照明、聚焦光斑和圆偏振，旋转偏振光、线偏振，切向偏振，径向偏振； 所述照明激发光源发出的光经过光束整形单元后成为平行光束，再经过偏振状态控制单元变为所需的偏振状态，经过分光器单元后变为两束光:参考光和信号光，两束光经过声光移频单元后分别产生Q1和ω2的频移，其中参考光路直接耦合到光纤中，测量光路照射在样品上，利用光纤探针收集样品表面光场信息，测量光与参考光在光纤耦合器中进行干涉，将干涉的光强信号接入光电探测器转化为电信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述样品照明激发光源为激光器或激光二极管，波长为紫外，可见光，近红外。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，光束整形单元在激发光光路方向上依次设有光隔离器、空间滤波器、光束转折器、四分之一波片和半波片。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述偏振控制单元位于所述分光器单元之前，或者位于所述分光器单元之后，入射到样品之前； 所述偏振控制单元为波片组合，或者所述偏振控制单元为空间光调制器；可以在空间光路产生线偏振，圆偏振，旋转偏振、径向偏振，切线偏振光束，入射到样品平面的光为准直的光束或者聚焦的光斑。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显微观测对准模块包括:长工作距可变倍显微镜筒、轴向调焦和二维调节机构、照明光源以及CCD摄像头，所述轴向调焦和二维调节机构的底部固定在所述样品台上，其上部用于固定变倍显微镜筒，所述照明光源能够切换同轴照明或倾斜入射照明，所述CCD摄像头固定在变倍显微镜筒的上方并与所述计算机连接。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，信号采集与同步解调模块包括光电探测器，相位解调模块，锁相参考信号发生器； 所述光电探测器为光电倍增管，或者所述光电探测器为雪崩二极管； 所述相位解调模块为商用锁相放大器，或者所述相位解调模块为基于锁相放大器原理搭建的相位解调模块。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述锁相参考信号发生器用于产生解调所需的参考信号为来 源于移频器输出的电信号，或者来源于外差干涉仪的光外差信号。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述相位解调模块能够实现以下至少一种解调方式: 使用光外差频率直接解调，选择外差频率的高次谐波解调，将探针振动频率的高次谐波与外差频率高次谐波混频后作为参考信号解调。
【文档编号】G01J1/42GK104006891SQ201410236054
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】王佳, 武晓宇, 孙琳, 谭峭峰, 白本锋 申请人:清华大学