CN102778209A - 一种自适应光斑轮廓调控及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应光斑轮廓调控及测量系统，包括光学系统（1）、扫描探测系统（2）、反馈控制系统（3）；光学系统依次包括激光器（10），空间滤波器（11）、透镜（12）、第一空间光调制器（13）、偏振调控装置（14）和聚焦物镜（15）；激光器（10）出射激光，空间滤波器（11）用于滤掉激光的杂散光和高阶光斑影响，透镜（12）对激光进行扩束，第一个空间光调制器（13）控制激光的空间相位分布，偏振调控装置（14）用于控制激光的偏振分布；反馈控制系统（3）对测量光斑大小进行比较进而对第一空间光调制器（13）及偏振调控装置（14）加以反馈控制。本发明实现对突破衍射极限光场的表征，同时引入自适应技术，结合刀边法测量来寻找光场经调制后突破衍射极限的聚焦尺度最小的光斑。

Description

一种自适应光斑轮廓调控及测量系统

技术领域

本发明涉及一种自适应光斑轮廓调控及测量系统。

背景技术

随着微纳光子学、超分辨显微光学以及太阳能应用的发展，光信息在不同尺度空间的传输与耦合已成为导波光学中的重要基本问题。例如，未来纳米光子学研究与应用，不仅取决于纳米尺度内的光场（或极化激元）传输、控制与转换行为，且依赖于它们与更大尺度空间，如自由空间或微米尺度空间的耦合行为；又如，太阳能应用中也涉及到光场能量的有效汇聚。由于受到瑞利衍射极限的限制光学显微成像系统的分辨率存在一个瓶颈，为达到更高的分辨率，也迫切要求开展突破衍射极限的纳米尺度光场产生的研究。

小尺度光场产生后需要有一定的手段对其尺度进行表征，人们随之发展了多种小尺度光斑测量的方法，主要有刀边法、扫描近场光学显微镜（SNOM）法、光刻胶曝光法、单分子法等等。但是对于SNOM法，需要利用扫描近场光学显微镜对光斑进行扫描得到测量结果，该仪器昂贵不易获得，而且扫描时会发生针尖与场的相互作用，无法得到准确的结果。光刻胶曝光法是利用光斑在光刻胶上曝光后得到的形状间接对光斑轮廓进行测量，需要进行定标得到曝光量和光刻胶厚度的关系，且曝光后还需要用原子力显微镜来扫描形貌以确定曝光强度进而计算得到光斑的轮廓。单分子法则是用于测量光斑中不同偏振分量的比例关系，并不能完成光斑轮廓的测量。在所有这些方法中，刀边法不需要借助复杂的仪器和繁琐的步骤，其实现是最为简单直接的。

刀边法利用锋利平滑的刀边在波前平面上扫描切割光斑，用光电探测器记录未被刀边遮挡住的光强分布。扫描记录的光强是光斑强度分布在扫描方向上的积分，对记录的光强求导数便可以得到光斑在该方向的轮廓。在刀边法发展的最初采用剃须刀刀片作为刀边来进行扫描，由于其厚度大及边缘整齐性不够，严重影响了最终的测量精度。随着光学的发展和测量技术要求的提高，人们发展了多种方法如湿法刻蚀、镀膜等来制作刀边以提高测量的精度，但是刀边的锐度和整齐度难以同时达到最优。另外对小尺度光场的深入研究需要得到完整的二维甚至三维光场强度分布信息，这无疑对刀边法提出了更高的要求。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种自适应光斑轮廓调控及测量系统，用刀边法实现对二维聚焦光斑轮廓的测量,实现对突破衍射极限光场的表征，同时引入自适应技术，结合刀边法测量来寻找光场经调制后突破衍射极限的聚焦尺度最小的光斑。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种自适应光斑轮廓调控及测量系统包括对入射光场进行扩束、位相和偏振调制以及紧聚焦的光学系统、对聚焦光斑进行测量的扫描探测系统、对测量光斑大小进行比较进而对空间光调制器加以控制的反馈控制系统、用于消除机械、光学等噪声影响的斩波器和锁相放大器。

光学系统为He－Ne激光经过空间滤波器，滤掉杂散光及高阶衍射，经扩束准直后经过第一个空间光调制器控制其相位分布，然后经过1/4波片+第二个空间光调制器+1/4波片来控制其偏振分布，最后经高数值孔径的100倍物镜聚焦。

扫描探测系统包括特制光电探测器和二维压电平移台，用于扫描光斑并用光电探测器记录相应的光强分布。在近场光学中用刻刀在载玻片表面产生一条划痕，并使其沿划痕方向断开，在划痕延伸方向上可以得到曲率半径为1-5nm的断裂面。在几个方向继续进行相同的操作并保证不碰到断裂面，在划痕延伸方向的交汇处可以得到分辨率为1-10nm的近场探针。我们将该方法引入到刀边的制作中来，制备了厚度为110um的直角双刀边硅片，并将其固定在光电探测器表面，尽量接近探测器光敏面。光斑经刀边扫描后的光强信息经光电探测器记录并转换为电信号，输出信号最终由高精度的数据采集卡传递到计算机。光电探测器固定在高精度二维压电扫描平台上，压电平台控制特制光电探测器进行二维扫描。在扫描的一维方向上用示波器可以实时观测单方向扫描一次探测器记录的光功率分布以及噪声情况。

反馈控制系统是对数据采集卡传输到计算机的信息进行分析，计算得到聚焦光斑的半高宽，并比较后续测量光斑尺度的大小，根据比较结果反馈控制加在光学系统中的两个空间光调制器上的电压进而对光场的位相和偏振产生调制，即进行自适应优化。当得到光斑尺度最小的时候，由计算机对光斑轮廓进行计算输出，并记录两个空间光调制器施加在每个像素上的电压值从而得到此时空间光场的分布。

高分辨率的测量对信噪比的要求很高，现有的刀边法测量中由于各种噪声的影响使得最终必须对测量数据进行拟合，从而得到的最终结果不够精确。为减弱噪声的影响，我们采用锁相放大器。

附图说明

图1为本发明的自适应光斑轮廓调控及测量系统的框架图；

图2为本发明的自适应光斑轮廓调控及测量系统光路；

图3为测量得到的二维光斑轮廓；

图4为测量光斑轮廓的原理图；

图5a 为光电探测器侧面结构图,图5b为正面结构图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明进行详细的描述。

如图1至图5所示，本自适应光斑轮廓调控及测量系统，包括对激光进行滤波、扩束准直并聚焦的光学系统1，对聚焦光斑进行测量的扫描探测系统2，对测量光斑大小进行比较进而对空间光调制器加以控制的反馈控制系统3，用于消除机械、光学等噪声影响的斩波器4和锁相放大器5。

光学系统包括激光器10，空间滤波器11、透镜12、第一空间光调制器13、偏振调控装置14和聚焦物镜15。激光器10出射的激光经过空间滤波器11后被滤掉杂散光和高阶光斑影响，同时经过透镜12后被扩束。扩束后的激光经过第一个空间光调制器控制其相位分布，然后经过偏振调控装置14来控制其偏振分布。所述偏振调控装置14依次包括第一四分之一玻片、第二空间光调制器及第二四分之一玻片。

这里的空间光调制器13为纯相位型，仅对激光相位产生调制，对激光强度和偏振分布不造成影响，且空间光调制器13调制度大于一个波长相位，即>=2pi 。通过计算机控制加在空间光调制器13上的电压来改变其每个像素的调制度。变化步长0.1v，所加电压0-5v，以保证对激光相位产生足够的调制范围。

偏振调控装置14中的空间光调制器与空间光调制器13相同，所加电压的范围及变化步长也与13相同。光经过1/4波片+空间光调制器+1/4波片可以得到任意非均匀偏振分布的光场。任意偏振方向的线偏振光可以分成两个左右旋圆偏振光的叠加，两个圆偏振光的相位差决定了叠加后线偏振光的偏振方向。线偏振光分成左右旋圆偏振光后进入第一个四分之一波片，分别变成与快轴或慢轴成45°的线偏振，偏振方向与后面空间光调制器中液晶分子的快（慢）轴方向一致，经过偏振调控装置14中的空间光调制器后仍是线偏振，但是两线偏振相位差改变了；再经过第二个四分之一玻片后形成相位差改变了的左旋和右旋圆偏振，叠加后形成偏振方向改变了的线偏振。在空间光调制器不同的像素（液晶分子）上面加不同的电压，就可以得到任意偏振分布的光场。

经调制后的光通过半波片后被Olympus的100倍高数值孔径物镜15聚焦，进而经过扫描探测系统2进行光斑轮廓的测量。

扫描探测系统2包括二维压电扫描平台21、光电探测器22和数据采集卡23。

光电探测器22上放置一个硅刀片，硅刀片有两个呈直角的锋利刀边，刀边是通过刻刀划刻硅片表面并使其沿划痕方向断裂形成。在两个正交方向上重复上述操作，并保证不碰到两条划痕延伸方向形成的直角。硅刀片表面抛光，可同时用作反射型刀边和透射型刀边。

这里的光电探测器是“特制光电探测器”，将光电探测器上表面窗口打磨抛光，使其厚度达到几十微米或更小，再将硅刀片固定在探测器表面，硅刀片尽量贴近探测器的光敏面。硅刀片用来遮挡（或反射）光斑，未被遮住的光斑部分，其总功率被光电探测器记录，通过连续的扫描硅刀片，就可以用探测器记录相应的光斑功率数据，经过一定处理便可以得到光斑的强度轮廓，图4。探测器整体侧面和正面结构图如图5a、5b。

这里特制的光电探测器22制作如下：首先采用近场光学中制备近场探针的方法制备了厚度为110um的二维扫描硅片，由于硅片表面平滑，可以同时用作反射和透射型刀片，硅片边缘的曲率半径在1-5nm。再将光电探测器表面打磨抛光，把扫描硅片固定在光电探测器的表面，尽量贴近探测器的光敏面。特制光电探测器调整到物镜的焦平面上，用高精度的二维压电扫描平台在x、y方向进行扫描，扫描最小分辨率为0.2nm。

光电探测器22记录的数据经数据采集卡传输到计算机，计算得到光斑轮廓，最初的光斑轮廓是空间光调制器13和偏振调控装置14中的空间光调制器加随机调制的结果。由反馈控制系统3通过自适应模拟退火算法不断计算出新的光场分布并反馈控制空间光调制器13和偏振调控装置14中的空间光调制器，每一次光场分布加到两个调制器上时，都重复上述测量光斑轮廓的操作，并将测量结果与上次记录的光斑大小进行比较，如果得到更小尺度（面积）的光斑，就保留相应数据。当得到光斑尺度最小的时候，由计算机对光斑轮廓进行计算输出，并记录此时空间光场的分布。

 以上对本发明所提供的自适应光斑轮廓调控及测量系统进行了详细介绍。本发明已经在实验上完成了大部分工作，已经成功制备了直角双刀边，并用双刀边法实现了对聚焦光斑二维轮廓的高分辨率测量。只要在相关部分技术上进行改善，便可以得到更加理想的结果。

Claims (7)

1.一种自适应光斑轮廓调控及测量系统，包括光学系统（1）、扫描探测系统（2）、反馈控制系统（3）；

光学系统依次包括激光器（10），空间滤波器（11）、透镜（12）、第一空间光调制器（13）、偏振调控装置（14）和聚焦物镜（15）；

激光器（10）出射激光，空间滤波器（11）用于滤掉激光的杂散光和高阶光斑影响，透镜（12）对激光进行扩束，第一个空间光调制器（13）控制激光的空间相位分布，偏振调控装置（14）用于控制激光的偏振分布；

反馈控制系统（3）对测量光斑大小进行比较进而对第一空间光调制器（13）及偏振调控装置（14）加以反馈控制。

2.根据权利要求1所述的自适应光斑轮廓调控及测量系统，其特征在于，所述偏振调控装置（14）依次包括第一四分之一玻片、第二空间光调制器及第二四分之一玻片。

3.根据权利要求1或2所述的自适应光斑轮廓调控及测量系统，其特征在于，第一和第二空间光调制器调制度大于一个波长相位，通过计算机控制加在第一和第二空间光调制器上的电压来改变其每个像素的调制度，变化步长0.1v，所加电压0-5v。

4.根据权利要求1所述的自适应光斑轮廓调控及测量系统，其特征在于，经偏振分布调制后的光被物镜（15）聚焦，进而经过扫描探测系统（2）进行光斑轮廓的测量。

5.根据权利要求1所述的自适应光斑轮廓调控及测量系统，其特征在于，扫描探测系统（2）包括二维压电扫描平台（21）、光电探测器（22）和数据采集卡（23）；光电探测器（22）记录的数据经数据采集卡传输到计算机，计算得到光斑轮廓。

6.根据权利要求5所述的自适应光斑轮廓调控及测量系统，其特征在于，光电探测器（22）上放置一个硅刀片，硅刀片有两个呈直角的锋利刀边，刀边是通过刻刀划刻硅片表面并沿使其沿划痕方向断裂得到。

7.根据权利要求1所述的自适应光斑轮廓调控及测量系统，其特征在于，还包括用于消除机械、光学噪声影响的斩波器（4）和锁相放大器（5），以及对探测器记录的一维扫描方向上的光功率分布进行实时显示的示波器（6）。

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