CN104006891B - 纳米尺度光场相位分布测量装置 - Google Patents

Abstract

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。

Description

纳米尺度光场相位分布测量装置

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明实施例采用如下技术方案：

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，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、CCD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。

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。

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ω₁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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

附图说明

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。

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；

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、光纤耦合模块；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、CCD。

图2为本发明实施例的扫描台结构示意图。

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

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。

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，信号处理与存储显示模块。

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。

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。

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ω₁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。参考光和测量光的电场表达式可以描述为：

x，y是样品平面的坐标。测量光中包含了要测量光场的空间振幅和相位信息。两束光干涉后的光强可以描述为：

I(x，y，t)∝|E_obj(x，y，t)+E_ref(t)|²

其中，Δω＝ω₂-ω₁,将此光强信号接入光电探测器转化为电信号。

其中，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(可以是商用的锁相放大器)，锁相参考信号发生器等。光电探测器可以将参考光和测量光干涉得到的光信号转变为电信号输入给锁相放大器的测量端，利用锁相参考信号发生器产生外差频率Δω，并将其作为相位解调的参考信号输入锁相放大器的参考端。解调后输出的信号即为所求的振幅和相位信号。

其中，信号处理与存储显示模块包括数据采集卡和计算机，可以将探针在空间每点探测得到的振幅、相位拓扑形貌同步对应采集存储，并在计算机上生成扫描图像。

其中，所述显微观测对准模块包括变倍显微镜筒、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。

下面对本发明实施例的作进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明范围。

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，图1中箭头为信号传输方向，照明激发光源11产生所需要的照明光，经过光束整形单元12和偏振控制单元13，变为光束质量较好的所需要的偏振态。再经过分光器14，分为两束光：测量光路和参考光路，两路光分别经过移频器15产生ω₁和ω₂的频移，其中参考光路直接耦合到光纤中，传递至光纤耦合模块16。测量光路照射在样品上，利用光纤探针22收集样品表面光场信息，再通过光纤或相关光路传递至光纤耦合模块16。测量光与参考光在光纤耦合模块16中进行干涉。干涉光强利用光电探测器31转化为电信号，送入相位解调模块33，相位解调模块可以是商用的锁相放大器，另外还需要锁相参考信号发生模块32产生一个频率为ω₂-ω₁的解调参考信号输入相位解调模块33。解调后输出的振幅、相位信号利用数据采集卡41同步采集，输入计算机42存储、处理、显示。

由于探针在某一时刻只能测空间一点的形貌、光场信息，要想得到全场的分布图需要扫描显微镜控制箱23发出指令，控制扫描头21带动光纤探针22在空间进行扫描。也可以扫描头21静止，控制箱23控制压电陶瓷扫描台进行扫描。每一个空间位置计算机42都会同步记录当前测量得到的光场信息。实现所有信号的同步采集、处理、显示。

为了方便地实现微纳尺度下照明光源，探针针尖和被测样品区的对准，以及实时观测针尖扫描状态，引入显微观测对准模块。显微观测对准模块利用长工作距的视频显微镜筒51和CCD52实时监测针尖和样品状态，并将图像传送给计算机42进行显示。

其中，照明激发光源11可以是激光，激光二极管，大功率单色LED或者其他满足要求的光源。

其中，扫描探针22可以是镀金属膜光纤孔径探针，也可以是针尖或结构经过修饰的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。

其中，光电探测器31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。

扫描时，一个大行程二维电动控制扫描台241，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。一个高精度小量程的压电陶瓷三维扫描台242，用于承载样品，可以独立扫描。还有一个三维手动样品台243，可以实现样品X,Y方向微调和面内转动。三个扫描台均可以独立控制。

近场光学探针22固定于所述扫描头21的夹持器上。扫描头置于待测样品的上方，可以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。

以下结合实例详细说明本发明实施例。

实例一、表面等离激元器件对面内光场的调控

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，因此只有在特定的入射角度和偏振状态下，SPPs才能被激发。

本实例介绍了一种面内聚焦圆弧结构，利用SPP相位干涉原理设计，可以实现对左右旋圆偏振光的定向激发和聚焦。

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SPP；

S2、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；

S3、调节偏振状态控制单元的半波片和四分之一波片，分别产生左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，垂直于样品表面入射，激发SPPs以后，分别记录两种情况下光场的分布，通过相位的分布规律可以揭露光场在面内的传播和干涉情况。

这一实施例验证了该测量装置具备照明激发光方向和样品取向精确对准的能力，确保能以各种需要的入射偏振态进行激发，并从相位分布的角度提供了一种更精确、更直观判断器件性能的物理场分布。

实例二、微纳光波导中光场分布特性和传播模式的研究

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；在金膜上生长500nm光刻胶，经过曝光腐蚀，在表面固化一个3微米宽的光波导；

S2、激发光源采用波长为532nm的半导体激光器，经过光束整形和聚焦等环节，以直径20微米左右的光斑照射在样品平面的波导位置处；

S3、在表面激发的SPP传播时，当遇到波导结构时会有光耦合到波导中继续传播；当改变入射的角度时，可以在波导中激发不同的光场模式。

S4、结合波导内相位分布和振幅分布的规律，可以研究波导的传播模式和光场分布特性；包括波导弯曲，或者缺陷引起的模式变化和损耗。

这一实施例验证了该测量装置具有对受约束的传播光场的探测能力。

实例三、金属纳米天线阵列对光场的相位调制研究

当光束通过规则排列的纳米金属阵列时，由于电场与金属中自由电子的耦合和相互作用，透射光束的相位会发生不同程度的延迟。延迟量的大小取决于纳米棒的尺寸，形状和排布规律。掌握了这一规律后，就可以人工地对纳米天线阵列进行排布，用来调制入射平面光束的相位，使其产生需要的波前分布。

S1、在玻璃基底利用EBL和lift-off方式制作金纳米棒阵列；

S2、阵列中金纳米棒的排布方向按照调制需要规律性变化。棒宽50nm，长200nm，高40nm，相邻两个棒之间间距为400nm。

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、照明光束经过偏振控制单元产生左旋或右旋圆偏振光垂直入射到样品平面；

S5、利用本测量装置可以测量从近场到远离表面任意空间高度界面的光场分布，研究纳米棒对平面波的相位调制作用和调制结果。

这一实施例验证了该测量装置具备测量空间不同截面传播光场分布的能力。

本发明实施例，能够在纳米尺度实现超衍射分辨的拓扑形貌，光场振幅、相位的同步扫描成像，为纳米光子学研究提供重要的物理量测量。相比已有的基于原子力显微镜散射型探针的相位测量，本发明实施例在相位解调方面更加简单方便快捷，实时性更强。本发明实施例可以实现空间任意位置的光场分布测量，不局限于样品表面。本发明实施例不仅可以研究纳米局域场的相位，也可以研究空间传播场的相位。本发明实施例具有更加开放的照明光路，可以自由选择线偏振、圆偏振、径向偏振、切向偏振等入射条件。本发明实施例采用光纤光路和空间光路相结合的方式，照明光路采用空间光，可以更好地获得所需要的要入射条件，信号收集、传输采用光纤光路具有更好的抗干扰性。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

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、CCD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ω1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，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，切向偏振光束，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。