CN102829961B - 一种纳米光子学多参数测量平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米光学技术领域，本发明公开一种纳米光子学多参数测量平台，其包括多参数可变激发系统、样品位置方向微调单元、显微观测对准系统、扫描近场光学显微镜探测系统和计算机，所述样品位置方向微调单元用于安装待测样品，所述多参数可变激发系统为待测样品提供照明激发光源信号，所述显微观测对准系统调节待测样品的成像区域并采集待测样品的图像信息发送给计算机进行显示，所述扫描近场光学显微镜探测系统采集待测样品的光学近场信息并发送给计算机，所述计算机将光学近场信息进行处理后显示。本发明结构紧凑、可实现多自由度调节，能够实现对纳米光子学器件的给定激发区域进行激发波长可变、入射角度连续可调、偏振状态可控的光激励。
Description
技术领域
本发明涉及纳米光学技术领域，特别是涉及一种基于近场光学显微镜的纳米光学材料和纳米光子学器件的多参数测量平台。
背景技术
纳米光子学的研究近年来已经迅速成为国际上的前沿和热点，其目标是在纳米尺度上操纵和控制光子，实现对光波和光场的调控，发展体积更小、速度更快、效率更高、信号更强的光学器件，实现集成光子回路，为下一代信息技术提供更为强大的物理理论基础和制作技术基础。纳米光子学器件利用光学近场作为信号载体，通过纳米尺度的材料和结构与光学近场之间的局域电磁相互作用实现各种功能，具有传统电子学器件所无法比拟的优势和特点。在纳米光子学器件中，光子晶体、表面等离激元器件、光学超颖材料(Metamaterial)器件和光学负折射率材料等研究是最为活跃的几个领域。深刻理解和透彻认识这些器件和材料中的纳米光场尤其是光学隐失场(evanescent field)的特性及其与物质相互作用的物理机制，是推动这些领域研究进展的关键。
对纳米光子学器件的研究需要建立在对其纳米光场的多种物理参数进行定量测量的基础上。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(Scanning Near-field Optical Microscope,SNOM)是近场光学研究的典型设备，能够探测到束缚在物体表面的携带高于2/λ空间频率的非辐射场分量，即隐失场分量，并通过扫描获得超衍射极限分辨率的光学成像，其空间分辨率能达到几十纳米甚至更高的水平。扫描近场光学显微镜现已成为微纳尺度下光学研究的重要技术手段，现在已经有较为成熟的商业产品(如以色列Nanonics、俄罗斯NT-MDT、德国Witec等)。然而目前的商用SNOM系统所配备的激发光路普遍存在灵活性不够、可调参数尤其是入射角度极其有限的问题，而所配备的样品台也往往体积较大、开放性小、样品调节自由度少。激发光路和样品调节的单一性极大地限制了纳米光子学器件和材料的光学激发和光学特性测量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种纳米光子学多参数测量平台，以实现在纳米光子学器件的指定区域内激发波长可变、入射角度可调、偏振状态可控的光激励。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种纳米光子学多参数测量平台，包括多参数可变激发系统、样品位置方向微调单元、显微观测对准系统、扫描近场光学显微镜探测系统和计算机，所述样品位置方向微调单元用于安装待测样品，所述多参数可变激发系统为待测样品提供照明激发光源信号，所述显微观测对准系统调节待测样品的成像区域并采集待测样品的图像信息发送给计算机进行显示，所述扫描近场光学显微镜探测系统采集待测样品的光学近场信息并发送给计算机，所述计算机将光学近场信息进行处理后显示。
其中，所述多参数可变照明激发系统在激发光光路方向上依次设有：照明激发光源、光源整形单元、偏振状态控制单元和入射角控制单元，所述照明激发光源发出的光首先经光源整形单元后成为准直平行光束，再经过偏振状态控制单元成为具有特定偏振状态的平行光束，继而经过入射角控制单元，以特定的入射角度入射到待测样品上。
其中，所述照明激发光源为白光光源、激光二极管或激光器。
其中，所述光源整形单元在激发光光路方向上依次设有光束扩束器、光束准直器、空间滤波器和光束转折器。
其中，所述入射角控制单元包括反射镜、一维电动平移台和电动旋转台，所述反射镜固定在电动旋转台上，所述电动旋转台通过支架固定在一维电动平移台上。
其中，所述样品位置方向微调单元包括样品台、样品微动平移台和样品微动转台，所述样品微动平移台嵌入样品台的中部，所述样品微动转台固定在样品微动平移台上，将待测样品固定在样品微动转台上。
其中，所述样品位置方向微调单元还包括隐失场耦合激发单元，所述隐失场耦合激发单元安装在所述样品微动平移台上。
其中，所述隐失场耦合激发单元包括棱镜、棱镜固定架和折射率匹配油，所述棱镜固定架安装在所述样品微动平移台上，所述棱镜安装在棱镜固定架中，制备有待测样品的基底并置于所述棱镜的表面，并在所述基底和棱镜二者之间滴入折射率匹配油。
其中，所述显微观测对准系统包括可调反射镜、变倍显微镜筒、轴向调焦和二维调节机构以及CCD摄像头，所述轴向调焦和二维调节机构的底部固定在样品台上，其上部用于固定变倍显微镜筒，所述可调反射镜安装在样品台上并位于变倍显微镜筒的下方，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。
其中，所述扫描近场光学显微镜探测系统包括扫描头、近场光学探针、控制箱和探测器，所述扫描头置于待测样品的上方，所述近场光学探针与扫描头的底部连接并位于待测样品的上方，所述探测器的两端分别与扫描头和控制箱连接，所述扫描头和控制箱连接，所述控制箱与计算机连接。
(三)有益效果
上述技术方案提供的一种纳米光子学多参数测量平台，包括多参数可变激发系统、样品位置方向微调单元、显微观测对准系统、扫描近场光学显微镜探测系统和计算机，多参数可变激发系统为待测样品提供照明激发光源信号，显微观测对准系统调节待测样品的成像区域并采集待测样品的图像信息发送给计算机进行显示，扫描近场光学显微镜探测系统采集待测样品的光学近场信息并发送给计算机，计算机将光学近场信息进行处理后显示，其结构紧凑、操作灵活、可实现多自由度调节，便于研究纳米光子学器件的各种光学特性，既能够实现对纳米光子学器件的给定激发区域进行激发波长可变、入射角度连续可调、偏振状态可控的光激励，又能够对不同激发条件下的纳米光子学器件进行超分辨的光学测量和表征；样品位置方向微调单元还包括隐失场耦合激发单元，能够实现隐失场耦合以及激发光方向和样品取向的精确对准；该测量平台与外差干涉系统、光谱探测系统等多种测量系统相结合还能够实现对纳米材料和器件的微观形貌、光学特性、纳米光谱、光场矢量、微观物质分布成分、分子结构和振动、纳米光子学器件的功能进行多参数综合测量和表征；。
附图说明
图1是本发明一种纳米光子学多参数测量平台的结构示意图；
图2是本发明的入射角控制单元结构示意图；
图3是本发明采用隐失场耦合激发的测量平台结构示意图；
图4是本发明实施例一的金属纳米小孔结构与激发光电场方向对准示意图；
图5是本发明实施例一的金属纳米小孔的近场光强分布曲线；
图6是本发明实施例二的光滑金膜在隐失场耦合激发下的近场强度随入射角变化曲线；
图7是本发明实施例三的近场光强散射型探测系统示意图；
图8是本发明实施例三的光滑金膜在线偏振激发和径向偏振激发下的近场光强曲线分布图。
其中：1、信号传输方向；2、激发光入射光路；3、样品成像光路；4、光学信息收集光路；5、照明激发光源；6、光源整形单元；7、偏振状态控制单元；8、入射角控制单元；9、待测样品；10、样品微动转台；11、样品微动平移台；12、样品台；13、可调反射镜；14、变倍显微镜筒；15、轴向调焦和二维调节机构；16、CCD摄像头；17、计算机；18、近场光学探针；19、探测器；20、扫描头；21、控制箱；22、反射镜；23、和电动旋转台；24、一维电动平移台；25、棱镜；26、棱镜固定架；27、折射率匹配油；28、激发光的电场方向；29、Bowtie孔径；30、分光镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1，图中1为信号传输方向，2为激发光入射光路，3为样品成像光路，4为光学信息收集光路，本发明的一种纳米光子学多参数测量平台，包括多参数可变激发系统、样品位置方向微调单元、显微观测对准系统、扫描近场光学显微镜探测系统和计算机，样品位置方向微调单元用于安装待测样品9，多参数可变激发系统为待测样品9提供照明激发光源信号，显微观测对准系统调节待测样品的成像区域并采集待测样品的图像信息发送给计算机17进行显示，扫描近场光学显微镜探测系统采集待测样品的光学近场信息并发送给计算机17，计算机17将光学近场信息进行处理后显示。样品位置方向微调单元和显微观测对准系统的结合可实现照明激发光和样品待测区域的精确对准。
多参数可变照明激发系统在激发光光路方向上依次设有：照明激发光源5、光源整形单元6、偏振状态控制单元7和入射角控制单元8，照明激发光源5发出的光首先经光源整形单元6后成为准直平行光束，再经过偏振状态控制单元7成为具有特定偏振状态的平行光束，继而经过入射角控制单元8，以特定的入射角度入射到待测样品9上。其中，照明激发光源5可以是白光光源，也可以是激光二极管和激光器。其中，光源整形单元6在激发光光路方向上依次设有光束扩束器、光束准直器、空间滤波器和光束转折器，其中，光束扩束器和光束准直器由透镜组构成，空间滤波器由狭缝或针孔构成，光束转折器由反射镜组构成。其中，偏振状态控制单元7在激发光光路方向上依次设有偏振片、波片和偏振转换器件；要改变激发光的偏振状态，调节偏振片即可获得线偏振光束，调节波片即可实现线偏振方向的旋转，而调节偏振转换器件则可获得柱对称光束，如：切向、径向偏振光束。
如图2，入射角控制单元8包括反射镜22、一维电动平移台24和电动旋转台23，反射镜22固定在电动旋转台23上，电动旋转台23通过支架固定在一维电动平移台24上。要改变激发光的入射角，反射镜22用于改变激发光的入射角度，以将入射光反射到待测样品9上，电动旋转台23用于控制反射镜22的倾角，而一维电动平移台24则用来控制反射镜22的水平位置，从而控制光斑照射到待测样品9表面给定的位置。反射镜22在不同的位置、以不同的倾角置于光路中时，可将激发光束以给定的角度照射到样品表面，从而实现入射角度定量和连续的变化，其角度调节范围可达±60°，图2中中间为调节角度为0°，其左侧为正角调节，其右侧为负角调节。精确控制反射镜22的倾角和位置，一方面能够实现激发光入射角度的精确调节，另一方面能够保证照明激发光斑始终处于样品上的同一位置并具有一定的定位精度，照明定位精度可达0.1-0.5mm。
样品位置方向微调单元包括样品台12、样品微动平移台11和样品微动转台10，样品微动平移台11嵌入样品台12的中部，样品微动转台10固定在样品微动平移台11上，将待测样品9固定在样品微动转台10上。通过调节样品微动转台10可使待测样品9在水平面内旋转，以确定待测样品9结构的取向；通过调节样品微动平移台11可进行待测样品9水平位置的精确调节；样品微动转台10和样品微动平移台11既可以通过手动进行大范围调节，也可以通过步进电机或压电陶瓷驱动器进行高精度自动调节。
如图3，为了要对样品进行隐失场耦合激发，可在样品位置方向微调单元上设有隐失场耦合激发单元。该隐失场耦合激发单元包括棱镜25、棱镜固定架26和折射率匹配油27，棱镜固定架26安装在样品微动平移台11上，棱镜25安装在棱镜固定架26中，制备有待测样品9的基底置于棱镜25的表面，并在基底和棱镜25二者之间滴入折射率匹配油27，该折射率匹配油27的折射率与棱镜25和基底的折射率相匹配。要对待测样品9进行隐失场耦合激发，则需要取下样品微动转台10，安装隐失场耦合激发单元。通过入射角调节单元将入射角度调节至大于棱镜25全内反射临界角的角度，即可使激发光发生全内反射，实现待测样品9的隐失场激发，再微调入射角度以满足特定的激发角度(如表面等离激元谐振角)的需求。
显微观测对准系统包括可调反射镜13、变倍显微镜筒14、轴向调焦和二维调节机构15以及CCD摄像头16，轴向调焦和二维调节机构15的底部固定在样品台12上，其上部用于固定变倍显微镜筒14，可调反射镜13安装在样品台12上并位于变倍显微镜筒14的下方，CCD摄像头16固定在变倍显微镜筒14的上方，CCD摄像头16与计算机17连接。待测样品9通过可调反射镜13和变倍显微镜筒14成像到CCD摄像头16上，再通过计算机17显示；变倍显微镜筒14由轴向调焦和二维调节机构15控制其灵活移动，以调节待测样品9的成像倍率和成像区域。
扫描近场光学显微镜探测系统包括扫描头20、近场光学探针18、控制箱21和探测器19，扫描头20置于待测样品9的上方，近场光学探针18与扫描头20的底部连接并位于待测样品9的上方，探测器19的两端分别与扫描头20和控制箱21连接，扫描头20和控制箱21连接，控制箱21与计算机17连接。控制箱21一方面控制扫描头20操纵近场光学探针18接近待测样品9的表面，并控制近场光学探针18在竖直方向上与待测样品9表面之间的距离保持恒定；另一方面驱动扫描头20带动近场光学探针18在水平方向上实现二维扫描，以收集待测样品9的近场光学信息。探测器19通过光纤或相关光路与近场光纤探针18相连接，以实现近场光学测量。待测样品9表面的光学近场信息由近场光学探针18收集，再通过光纤或相关光路传递至探测器19。当近场光学探针18进入到待测样品9表面的光学近场区域时，通过控制箱21驱动扫描头20带动近场光学探针18在样品表面扫描，同时探测器19探测近场光学探针18收集到待测样品9各点的光信号，即可获得待测样品9表面的近场光学信息的图像，最终经过计算机17处理和显示出来。
优选地，扫描头20可以是采用剪切力反馈控制的近场光学显微镜扫描头，也可以是采用原子力反馈控制的原子力显微镜扫描头，还可以是采用隧道电流反馈控制的扫描隧道显微镜扫描头。
优选地，近场光学探针18可以是孔径探针，也可以是无孔径探针；其中孔径探针和无孔径探针可以是裸探针，也可以是镀金属膜探针，还可以是金属探针，并在探针顶端附着金属纳米颗粒使得该近场光学探针18成为功能化探针。该近场光学探针18还可以是其他等离激元功能探针。其中，金属膜层材料可以是金、银、铝或其它金属；纳米颗粒可以是金纳米颗粒、银纳米颗粒或具有贵金属核壳结构层的纳米颗粒。
优选地，探测器可以是光电探测器、光功率计、CCD摄像头、光谱分析仪、外差干涉仪、示波器中的一种或几种。其中光电探测器可以是光电倍增管、雪崩光电探测器也可以是红外或者可见光探测器。光谱分析仪可以是拉曼光谱分析仪或瑞利光谱分析仪。外差干涉仪可以是迈克尔逊干涉仪、马赫-陈德干涉仪或泰曼干涉仪。
上述技术方案所提供的一种纳米光子学多参数测量平台具有如下优点：既能够实现对纳米光子学器件的给定激发区域进行激发波长可变、入射角度连续可调、偏振状态可控的光激励，以及能够实现隐失场耦合以及激发光方向和样品取向的精确对准，又能够对不同激发条件下的纳米光子学器件进行超分辨的光学测量和表征；其结构紧凑、操作灵活、可实现多自由度调节，便于研究纳米光子学器件的各种光学特性，与外差干涉系统、光谱探测系统等多种测量系统相结合还能够实现对纳米材料和器件的微观形貌、光学特性、纳米光谱、光场矢量、微观物质分布成分、分子结构和振动、纳米光子学器件的功能进行多参数综合测量和表征。
以下列举几个具体实施例以说明本发明：
实施例一：金属纳米小孔近场光强分布特性的测量
金属纳米小孔能够在光学近场区域形成纳米尺度的光斑，是纳米光子学领域重要的金属纳米结构之一，其中蝴蝶结(Bowtie)孔由于具有天线效应而得到广泛关注，因此对其近场光学信息的测量十分必要。Bowtie孔径29是一种各向异性的结构，其光场分布与激发光偏振状态密切相关，为得到质量更好的出射光斑，需要将Bowtie孔径的底边方向调节至与激发光电场方向平行，其调节示意图如图4所示，其中28为激发光的电场方向，29为Bowtie孔径，实线为孔径结构与激发光电场方向已经调平行的情况，虚线和点划线为二者未能平行的情况，点划线测得的出射光斑尺寸会显著增大。测量Bowtie孔径29近场光强分布的具体操作步骤如下：
S1、在玻璃基底上镀一层金属薄膜，金属材料可以为金、铝或铬，薄膜厚度以能够遮挡激发光即可；再通过微纳加工技术在薄膜表面加工纳米尺度的Bowtie小孔，其底边长度为200nm；最后在距离小孔底边1μm处加工一条平行于小孔底边的、长度>10μm的直线孔，作为样品位置和取向对准的标记，从而完成待测样品的制作；
S2、将加工有待测样品的玻璃基底置于近场光学多参数测量平台的样品位置方向微调单元中；
S3、激发光源采用波长为650nm的激光二极管，经光源整型单元的滤波去噪和准直形成高质量的平行光束；
S4、调节偏振状态控制单元的半波片，形成电场方向平行或垂直于入射面的线偏振激发光；
S5、调节入射角控制单元8，使激发光垂直入射到待测样品9上；
S6、通过显微观测对准系统找到待测样品所在区域的标记，调节样品微动平移台11，将标记指示的样品区域移到激发光斑中心；再调节样品微动转台10，使标记线与激发光电场方向平行；
S7、采用近场光学显微镜扫描头、镀铝膜孔径光纤探针进行近场光学探测，结合显微观测对准系统的实时观察，通过控制箱21将光纤探针逼近到待测样品9表面的光学近场范围内，并通过扫描头的二维调节旋钮实现探针与Bowtie孔径的精确对准；光学信号通过光纤探针的尾纤输出到光电探测器，其结果由计算机17显示。测得的Bowtie孔径的光学近场像如图5中的实曲线所示，可以明显看到此时Bowtie孔径的出射光场呈现出一个尺度为200nm的光斑；
S8、调节样品微动转台10，使Bowtie孔径的底边与激发光电场方向垂直，再测量其光学近场像，如图5所示；可见此时Bowtie孔径的出射光场已经扩散为两个峰，其峰值强度也明显下降。
这一实施例验证了该测量平台具备照明激发光方向和样品取向精确对准的能力，以确保能够最有效地激发局域光场，从而提供了一种更精确测量和表征纳米光子学器件的工具。
实施例二：光滑金膜在隐失场耦合激发下表面等离子谐振特性的测量
表面等离激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一种在金属-介质界面上激发的耦合了电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，在纳米光子学的研究中扮演着重要角色。通常情况下，SPPs的波矢和光波矢不匹配，因此只有在特殊配置下，SPPs才能由光激发，其中常用的一种配置是利用棱镜全内反射产生的隐失场耦合激发SPPs。在这一配置下，一方面要求激发光入射角度满足等离子谐振角，该角度大于全内反射的临界角；另一方面要求激发光必须为p偏振光，即电场方向平行于入射面。当这两个条件满足时，SPPs被激发出来，形成表面等离子谐振(surface polaritonresonance,SPR)，此时激发光的电磁场能量转化为SPR的能量，其光学近场的电磁场强度显著增强。测量这一谐振特性的具体步骤如下：
S1、在玻璃基底上镀一层金属薄膜，金属材料可以为金或银，薄膜厚度约为50nm，以便隐失场能够从样品下方穿过金属薄膜，并在样品上表面激发SPR；
S2、光学多参数测量平台如图3所示，采用隐失场耦合激发单元，将加工有金属薄膜样品的玻璃基片置于棱镜上表面，二者之间滴入折射率匹配油，其中棱镜和折射率匹配油的折射率均为1.512；
S3、激发光源采用波长为633nm的He-Ne激光器，经光源整形单元形成高质量的准直平行光束；
S4、调节偏振状态控制单元的半波片，形成电场方向平行于入射面的线偏振激发光，使得全内反射隐失场的电场方向垂直于样品表面，以满足SPPs的激发条件；
S5、调节入射角控制单元，使激发光以大于全内反射临界角θc的角度入射到样品上；
S6、采用近场光学显微镜扫描头、裸孔径光纤探针进行近场光学探测。结合显微观测对准系统的实时观察，通过控制箱将光纤探针逼近到样品表面的光学近场范围内，并通过扫描头的二维调节旋钮实现探针与激发光斑中心的精确对准。光学信号通过光纤探针的尾纤输出到光电探测器，其结果由计算机显示；
S7、通过入射角控制单元改变激发光的入射角，使其在θc～60°范围内变化，同时测量每个角度下的近场光强，其结果如图6所示，可以看到在入射角约为43.6°时，近场光强显著增大，表明此时发生了SPR谐振。
这一实施例验证了该测量平台具备测量隐失场耦合激发和不同入射角度激发下的光学近场的能力。
实施例三：测量光滑金膜在线偏振和径向偏振激发下的近场光学特性。
径向偏振光是贝塞尔光束的一种特殊形态。径向偏振光在一个圆柱对称的光场横截面上呈现出柱对称特性，其各点的偏振方向都沿着半径方向。这种光场分布可以最有效的汇聚光束能量。本实施例对比了线偏振光和径向偏振光激发光滑金膜的结果。具体步骤如下：
S1、在玻璃基底上镀一层金膜，该薄膜厚度小于100nm以确保透光率；
S2、将加工有样品的玻璃基底置于光学多参数测量平台的样品位置方向微调单元中；
S3、激发光源采用波长为532nm的半导体激光器，经光源整型单元形成高质量的准直平行光束；
S4、偏振状态控制单元中，采用半波片获得线偏振光，采用偏振转换器件获得径向偏振光；
S5、调节入射角控制单元，使激发光垂直入射到样品上；
S6、采用原子力显微镜扫描头、镀金膜无孔径硅探针进行近场光学探测。结合显微观察对准系统的实时观察，通过控制箱21将镀金膜硅探针逼近到待测样品9表面的光学近场范围内，并通过扫描头20的二维调节旋钮实现探针与激发光斑中心的精确对准。光学信号经镀金膜的硅针尖散射，经过样品基底传播出来，并通过分光镜30反射到光电探测器上。其系统示意图如图7所示，分光镜30，用于将探针散射的光学信号提取出来；
S7、分别测量线偏振激发和径向偏振激发下的光滑金膜表面的光学近场强度分布，结果如图8所示，其中实线为线偏振激发的结果，虚线为径向偏振激发的结果，可以看到径向偏振激发形成的光场能量大部分集中在中心，而线偏振激发的光场则扩散为两个强度较弱的旁瓣。
这一实施例验证了该测量平台具备测量不同偏振方向光束激发所产生的光学近场分布的能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种纳米光子学多参数测量平台，其特征在于，包括多参数可变激发系统、样品位置方向微调单元、显微观测对准系统、扫描近场光学显微镜探测系统和计算机；
所述样品位置方向微调单元用于安装待测样品，所述样品位置方向微调单元包括样品台、样品微动平移台、样品微动转台和隐失场耦合激发单元，所述样品微动平移台嵌入样品台的中部，所述样品微动转台固定在样品微动平移台上，将待测样品固定在样品微动转台上，所述隐失场耦合激发单元安装在所述样品微动平移台上；
所述隐失场耦合激发单元包括棱镜、棱镜固定架和折射率匹配油，所述棱镜固定架安装在所述样品微动平移台上，所述棱镜安装在所述棱镜固定架中，制备有待测样品的基底并置于所述棱镜的表面，并在所述基底和棱镜二者之间滴入折射率匹配油；
所述多参数可变激发系统为待测样品提供照明激发光源信号，所述多参数可变激发系统在激发光光路方向上依次设有：照明激发光源、光源整形单元、偏振状态控制单元和入射角控制单元，所述照明激发光源发出的光首先经光源整形单元后成为准直平行光束，再经过偏振状态控制单元成为具有特定偏振状态的平行光束，继而经过入射角控制单元，以特定的入射角度入射到待测样品上；所述入射角控制单元包括反射镜、一维电动平移台和电动旋转台，所述反射镜固定在电动旋转台上，所述电动旋转台通过支架固定在一维电动平移台上；
所述显微观测对准系统调节待测样品的成像区域并采集待测样品的图像信息发送给计算机进行显示，所述扫描近场光学显微镜探测系统采集待测样品的光学近场信息并发送给计算机，所述计算机将光学近场信息进行处理后显示。
2.如权利要求1所述的纳米光子学多参数测量平台，其特征在于，所述照明激发光源为白光光源、激光二极管或激光器。
3.如权利要求1所述的纳米光子学多参数测量平台，其特征在于，所述光源整形单元在激发光光路方向上依次设有光束扩束器、光束准直器、空间滤波器和光束转折器。
4.如权利要求1所述的纳米光子学多参数测量平台，其特征在于，所述显微观测对准系统包括可调反射镜、变倍显微镜筒、轴向调焦和二维调节机构以及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，所述可调反射镜安装在样品台上并位于变倍显微镜筒的下方，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。
5.如权利要求1所述的纳米光子学多参数测量平台，其特征在于，所述扫描近场光学显微镜探测系统包括扫描头、近场光学探针、控制箱和探测器，所述扫描头置于待测样品的上方，所述近场光学探针与扫描头的底部连接并位于待测样品的上方，所述探测器的两端分别与扫描头和控制箱连接，所述扫描头和控制箱连接，所述控制箱与计算机连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN103529006B (zh) * | 2013-10-18 | 2016-08-17 | 大连海事大学 | 一种基于微流控芯片的便携式荧光检测装置 |
| CN103983580B (zh) * | 2014-04-30 | 2017-07-18 | 张家港江南粉末涂料有限公司 | 一种用于金属粉末涂料粘合度的检测方法 |
| CN105092585B (zh) * | 2014-05-05 | 2018-01-05 | 南京理工大学 | 基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置及方法 |
| CN104006891B (zh) * | 2014-05-29 | 2017-06-16 | 清华大学 | 纳米尺度光场相位分布测量装置 |
| CN105181652B (zh) * | 2015-07-16 | 2019-01-18 | 深圳市深光谷科技有限公司 | 基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统 |
| TWI548273B (zh) * | 2015-11-24 | 2016-09-01 | Metal Ind Res & Dev Ct | Light field acquisition device |
| CN105973942B (zh) * | 2016-05-10 | 2019-01-25 | 国家纳米科学中心 | 一种同步电学调控与材料瞬态吸收谱测量的装置及方法 |
| CN107621552B (zh) * | 2016-07-15 | 2020-10-02 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置 |
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| CN106970047A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-07-21 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 反射率分布测量系统及方法 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6426491B2 (en) * | 1997-09-26 | 2002-07-30 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Micro-aperture probe evaluating apparatus having a display and a collimating optical system |
| CN2861962Y (zh) * | 2005-11-23 | 2007-01-24 | 佛山市吉茂工业自动化技术有限公司 | 一种电动影像测量仪 |
| CN101173885A (zh) * | 2006-10-30 | 2008-05-07 | 中国科学院化学研究所 | 微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统 |
| CN101718621A (zh) * | 2009-11-26 | 2010-06-02 | 北京航空航天大学 | 声光可调谐滤波器参数定标系统 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07333234A (ja) * | 1994-06-07 | 1995-12-22 | Olympus Optical Co Ltd | 蛍光走査型プローブ顕微鏡 |
| JPH1038547A (ja) * | 1996-07-22 | 1998-02-13 | Shimadzu Corp | 表面検査装置 |
| JP2002310852A (ja) * | 2001-04-16 | 2002-10-23 | Ricoh Co Ltd | 走査光学系の光学特性測定装置および光学特性測定方法 |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6426491B2 (en) * | 1997-09-26 | 2002-07-30 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Micro-aperture probe evaluating apparatus having a display and a collimating optical system |
| CN2861962Y (zh) * | 2005-11-23 | 2007-01-24 | 佛山市吉茂工业自动化技术有限公司 | 一种电动影像测量仪 |
| CN101173885A (zh) * | 2006-10-30 | 2008-05-07 | 中国科学院化学研究所 | 微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统 |
| CN101718621A (zh) * | 2009-11-26 | 2010-06-02 | 北京航空航天大学 | 声光可调谐滤波器参数定标系统 |
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