CN105223163A - 一种基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，通过设计迈克尔逊干涉仪的一路光（即参考光束）为平面光，一路光（即泵浦光束）为聚焦光，根据古依相移，两者的相位相差正好为π，相互会合干涉时信号相干相消为背景基底。背景信号采集完后，再将待测样品固定在三维电机上，调节三维电机上下左右在第二聚焦透镜焦平面范围内移动待测样品的位置，利用不同精细结构导致返回光的相位不同来调节最后两路光相互干涉的结果。根据测得的两维光波信号强度推算，得出待测样品表面或者内部的精细结构。该装置简单易操作，成本低，应用范围广。

Description

一种基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置

技术领域

本发明涉及一种信号强度检测技术，特别涉及一种基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置。

背景技术

随着近几十年科学和技术的迅速发展，微纳结构以其在各个领域广泛的应用前景，已成为国际上物理领域的一个重要研究课题。在光电子产业中，微纳结构结合大规模集成电路工艺技术可以加工出新型的光栅；在高端光学研究领域中，微纳结构结合色彩控制和数字化编码可以实现高端光学防伪；在光显示中，利用微纳结构和宽带偏振效应，可以大幅度的提高光能利用效率。微纳结构在各个领域中的应用日益增加，而对它的检测也日趋重要。原子力显微镜（即AtomicForceMicroscope，简称为AFM）、扫描电子显微镜(即ScanningElectronMicroscope,简称为SEM)、各类光学显微镜等都可以用来检测微纳结构，但是这些检测设备成本高昂、价格昂贵、操作繁琐。

1883年，美国物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊发现同一入射光分为的两束光反射回来之后能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。这就是著名的迈克尔逊干涉仪。这一发现在各个的领域中都有着重要的应用，如在近代物理和近代计量技术中，光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验都应用到了迈克尔逊干涉仪。

1890年，法国物理学家LouisGeorgesGouy发现通过焦点的电磁波将获得一个额外的轴向正负180°相移。古依相移大大减少了聚焦光束谐波畸变的概率、解释了不同横向模式下的共振频率差异、通过假定菲涅耳惠更斯小波来自一个主前波解释了二次相位超前，这一相位变化的发现，对整个电磁波谱有着重要的影响。

发明内容

本发明是针对目前检测物体精细结构的仪器如AFM、SEM、各类光学显微镜等成本高昂、调节繁琐的问题，提出了一种基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，通过设计迈克尔逊干涉仪的一路光（即参考光束）为平面光，一路光（即泵浦光束）为聚焦光，根据古依相移，两者的相位相差正好为π，相互会合干涉时信号相干相消为背景基底。背景信号采集完后，再将待测样品固定在三维电机上，调节三维电机上下左右在第二聚焦透镜焦平面范围内移动待测样品的位置，利用不同精细结构导致返回光的相位不同来调节最后两路光相互干涉的结果。根据测得的两维光波信号强度推算，得出待测样品表面或者内部的精细结构。该装置简单易操作，成本低，应用范围广。

本发明的技术方案为：一种基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，包括光源、第一聚焦透镜、光隔离器、分束片、第一反射镜、一维电机、第二聚焦透镜、待测样品、第二反射镜、三维电机、第三聚焦透镜和探测系统；

光源发出的光脉冲经过第一聚焦透镜准直后，经过光隔离器，到达分束片，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为泵浦光束；

参考光束到达固定在一维电机的第一反射镜后，返回再次通过分束片，分束片将部分参考光束反射进入第三聚焦透镜后聚焦到探测系统，光隔离器用于阻挡参考光束的透射光束再返回光源；

泵浦光束经过第二聚焦透镜聚焦到达固定在三维电机上的第二反射镜，经第二反射镜反射后再次经过第二聚焦透镜然后到达分束片，并通过分束片将部分泵浦光束透射进入第三聚焦透镜后聚焦到探测系统，光隔离器用于阻挡泵浦光束的反射光束再返回光源；

参考光束和泵浦光束到达探测系统后的相位相差为π，将两束光相互会合干涉时信号相干相消作为背景基底，完成初始背景信号采集；

将固定在三维电机上的第二反射镜换成反射式待测样品，或将透射式待测样品紧贴在第二反射镜前面，调节三维电机上下左右在第二聚焦透镜焦平面范围内移动待测样品的位置，利用待测样品表面不同精细结构所反射的光通过的光程不同，导致其返回光与参考光相互干涉的结果不同，根据测得的两维光波信号强度推算，得出待测样品表面或者内部的精细结构。

所述第一反射镜所固定的一维电机的位置可连续移动，用于调节光学延迟。

所述光源的选择取决于待测样品的表面或者内部精细结构特性。

所述第一反射镜和第二反射镜为与光源中心波长相对应的高效反射镜。

所述三个聚焦透镜、光隔离器、分束片和探测系统与所选光源匹配。

本发明的有益效果在于：本发明基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，装置简单易操作，成本低，应用范围广。在实际操作过程中，只需要将待测样品固定在三维电机上，调节三维电机上下左右在第二聚焦透镜焦平面范围内移动待测样品的位置，根据测得的两维光波信号强度推算，得出待测样品表面或者内部的精细结构。

附图说明

图1为本发明实现基于古依相移π反转检测物体精细结构的反射式装置结构示意图；

图2为本发明实现基于古依相移π反转检测物体精细结构的透射式装置结构示意图；

图3为实现基于古依相移π反转检测物体精细结构反射式装置的结构模型图；

图4为实现基于古依相移π反转检测物体精细结构透射式装置的结构模型图。

具体实施方式

如图1为本发明实现基于古依相移π反转检测物体精细结构的反射式装置结构示意图，即待测样品表面可以直接反射光从而实现检测功能的装置示意图，包括光源1，第一聚焦透镜2，光隔离器3,分束片4，第一反射镜5，一维电机6，第二聚焦透镜7，反射式待测样品8，第二反射镜9，三维电机10，第三聚焦透镜11和探测系统12。光源1发出的光脉冲经过第一聚焦透镜2准直后，经过光隔离器3，到达分束片4，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为泵浦光束。参考光束到达固定在一维电机6的第一反射镜5后，返回再次通过分束片4，分束片4将部分参考光束反射进入第三聚焦透镜11后聚焦到探测系统12，光隔离器3用于阻挡参考光束的透射光束再返回进入光源1；泵浦光束经过第二聚焦透镜7聚焦到达固定在三维电机10上的第二反射镜9，经第二反射镜9反射后再次经过第二聚焦透镜7到达分束片4，并通过分束片4将部分泵浦光束透射进入第三聚焦透镜11后聚焦到探测系统12，光隔离器3用于阻挡泵浦光束的反射光束再返回进入光源1。由于参考光束为平面光，泵浦光束为聚焦光，根据古依相移，两者的相位相差正好为π，相互会合干涉时信号相干相消，以此为背景基底信号。在泵浦光束中，第二反射镜9固定在三维电机10上，位于第二聚焦透镜7的焦平面位置处，用于初始背景信号的采集。当初始背景信号采集完后，需要将固定在三维电机10上的第二反射镜9换成反射式待测样品8，调节三维电机10上下左右在第二聚焦透镜7焦平面范围内移动反射式待测样品8的位置，利用反射式待测样品8表面不同精细结构所反射的光通过的光程不同，导致其返回光与参考光相互干涉的结果不同。根据测得的两维光波信号强度推算，就能很精确、直观地检测出反射式待测样品8表面的精细结构。不同的反射式待测样品8有不同的特性，该实验可以根据反射式待测样品8的特性选择光源1、第一聚焦透镜2、光隔离器3、分束片4、第一反射镜5、第二聚焦透镜7、第二反射镜9、第三聚焦透镜11和探测系统12。

如图2为本发明实现基于古依相移π反转检测物体精细结构的透射式装置结构示意图，即待测样品表面无法直接反射光但能被透射并需要借助反射镜来实现检测功能的装置示意图，包括光源1，第一聚焦透镜2，光隔离器3，分束片4，第一反射镜5，一维电机6，第二聚焦透镜7，第二反射镜9，三维电机10，第三聚焦透镜11，探测系统12和透射式待测样品13。光源1发出的光脉冲经过第一聚焦透镜2准直后，经过光隔离器3，到达分束片4，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为泵浦光束。参考光束到达固定在一维电机6的第一反射镜5后，返回再次通过分束片4，分束片4将部分参考光束反射进入第三聚焦透镜11后聚焦到探测系统12，光隔离器3用于阻挡参考光束的透射光束再返回进入光源1；泵浦光束经过第二聚焦透镜7聚焦到达固定在三维电机10上的第二反射镜9，经第二反射镜9反射后再次经过第二聚焦透镜7到达分束片4，并通过分束片4将部分泵浦光束透射进入第三聚焦透镜11后聚焦到探测系统12，光隔离器3用于阻挡泵浦光束的反射光束再返回进入光源1。由于参考光束为平面光，泵浦光束为聚焦光，根据古依相移，两者的相位相差正好为π，相互会合干涉时信号相干相消，以此为背景基底。在泵浦光束中，第二反射镜9固定在三维电机10上，位于第二聚焦透镜7的焦平面位置处，用于初始背景信号的采集。当初始背景信号采集完后，需要将透射式待测样品13紧贴在第二反射镜9前面，并使透射式待测样品13和第二反射镜9一起固定在三维电机10上，调节三维电机10上下左右在第二聚焦透镜7焦平面范围内移动透射式待测样品13的位置，利用透过透射式待测样品13内部不同精细结构到达第二反射镜9后所反射的光通过的光程不同，导致其返回光与参考光相互干涉的结果不同。根据测得的两维光波信号强度推算，就能很精确、直观地检测出透射式待测样品13内部的精细结构。不同的透射式待测样品13有不同的特性，该实验可以根据透射式待测样品13的特性选择光源1、第一聚焦透镜2、光隔离器3、分束片4、第一反射镜5、第二聚焦透镜7、第二反射镜9、第三聚焦透镜11和探测系统12。

第一反射镜所固定的一维电机的位置可连续移动，用于调节光学延迟。

待测样品固定在三维电机上，前后移动（z方向）可更改待测样品相对于聚焦光斑的位置，上下左右移动（x,y方向）可以调节待测样品在第二聚焦透镜焦平面范围内的位置。

第一反射镜5和第二反射镜9为与光源1中心波长相对应的高效反射镜，所用聚焦透镜（2、7、11）、光隔离器3、分束片4和探测系统12也与所选光源1匹配，光源1的选择取决于待测样品的特性。

在下面的反射式实施例中，以输出中心波长为632.8nm的激光器、待测样品为表面不平整的微纳结构硅表面（硅表面能够反射太赫兹，如图3所示）为例，其他样品与该检测的实施方法一致。

激光器输出光中心波长为632.8nm、待测样品为表面不平整的微纳结构硅表面，以检测物体表面精细结构反射式结构装置（如图1所示）为例，具体实现检测物体表面精细结构的过程如下：如图1所示，由激光器1，第一聚焦透镜2（f=152.4mm），光隔离器3，分束片4（分束片T:R=1：1），第一反射镜5，一维电机6，第二聚焦透镜7（f=152.4mm），待测样品为表面不平整的微纳结构硅表面8，第二反射镜9，三维电机10，第三聚焦透镜11(f=152.4mm)和探测系统12组成。激光器1发出的激光脉冲经过第一聚焦透镜2准直后，经过光隔离器3，到达分束片4，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为泵浦光束。参考光束到达固定在一维电机6的第一反射镜5后，返回再次通过分束片4，分束片4将部分参考光束反射进入第三聚焦透镜11后聚焦到探测系统12，光隔离器3用于阻挡参考光束的透射光束进入激光器1；泵浦光束经过第二聚焦透镜7聚焦到达固定在三维电机10上的第二反射镜9上，经第二反射镜9反射后再次经过第二聚焦透镜7到达分束片4，并通过分束片4将部分泵浦光束透射进入第三聚焦透镜11聚焦到探测系统12，光隔离器3用于阻挡泵浦光束的反射光束进入激光器1。在泵浦光束中，第二反射镜9固定在三维电机10上，位于第二聚焦透镜7的焦平面位置处，用于初始背景信号的采集。当初始背景信号采集完后，需要将固定在三维电机10上的第二反射镜9换成待测样品硅8，调节三维电机10上下左右在第二聚焦透镜7焦平面范围内移动待测样品硅8的位置，利用待测样品硅8表面不同精细结构所反射的光通过的光程不同，导致其返回光与参考光相互干涉的结果不同。以参考光束和泵浦光束相互会合干涉时信号相干相消为背景基底，当泵浦光束照射到待测样品硅8（如图3所示）平整的位置时，从待测样品硅8表面反射的泵浦光束和参考光束相位相差正好为π；当泵浦光束照射到待测样品硅8（如图3所示）不平整的位置时，光线返回或散射了，导致泵浦光束和参考光束没有有效的相干相消即两束光束相位相差介于0和π之间，从而得知待测样品硅8表面不平整。利用待测样品硅8表面不同精细结构所反射的光通过的光程不同，导致其返回光与参考光相互干涉的结果不同，并根据测得的两维光波信号强度推算，就能很精确、直观地检测出反射式待测样品硅8表面的精细结构。

在下面的透射式实施例中，以输出太赫兹频率从0．1THz到10THz、波长介于毫米波与红外线（即0.03mm到3mm）的太赫兹光源、待测样品为内部有空缺陷的特氟龙（即聚四氟乙烯，太赫兹能透过特氟龙，如图4所示）为例，其他样品与该检测的实施方法一致。

太赫兹光源输出太赫兹的频率从0．1THz到10THz、波长介于毫米波与红外线（即0.03mm到3mm）且待测样品为内部有空缺陷的特氟龙，以检测物体精细结构透射式结构装置（如图2所示）为例，具体实现检测物体内部精细结构的过程如下：如图2所示，由太赫兹光源1，第一太赫兹聚焦透镜2（f=152.4mm），太赫兹隔离器3，太赫兹分束片4（分束片T:R=1：1），第一太赫兹反射镜5，一维电机6，第二太赫兹聚焦透镜7（f=152.4mm），第二太赫兹反射镜9，三维电机10，第三太赫兹聚焦透镜11(f=152.4mm)，太赫兹探测系统12和待测样品为内部有空缺陷的特氟龙13组成。太赫兹光源1发出的太赫兹脉冲经过第一太赫兹聚焦透镜2准直后，经过太赫兹隔离器3，到达太赫兹分束片4，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为泵浦光束。参考光束到达固定在一维电机6的第一太赫兹反射镜5后，返回再次通过太赫兹分束片4，太赫兹分束片4将部分参考光束反射进入第三太赫兹聚焦透镜11后聚焦到太赫兹探测系统12，光隔离器3用于阻挡参考光束的透射光束进入太赫兹光源1；泵浦光束经过第二太赫兹聚焦透镜7聚焦到达固定在三维电机10的第二太赫兹反射镜9，经第二太赫兹反射镜9反射后再次经过第二太赫兹聚焦透镜7到达太赫兹分束片4，并通过太赫兹分束片4将部分泵浦光束透射进入第三太赫兹聚焦透镜11后聚焦到太赫兹探测系统12，光隔离器3用于阻挡泵浦光束的反射光束进入太赫兹光源1。在泵浦光束中，第二太赫兹反射镜9固定在三维电机10上，位于第二太赫兹聚焦透镜7的焦平面位置处，用于初始背景信号的采集。当初始背景信号采集完后，需要将待测样品特氟龙13紧贴在第二太赫兹反射镜9前面，并使待测样品特氟龙8和第二太赫兹反射镜9一起固定在三维电机10上，调节三维电机10上下左右在第二太赫兹聚焦透镜7焦平面范围内移动待测样品特氟龙13的位置，利用透过待测样品特氟龙13内部不同精细结构到达第二太赫兹反射镜9后所反射的光通过的光程不同，导致其返回光与参考光相互干涉的结果不同。以参考光束和泵浦光束相互会合干涉时信号相干相消为背景基底，当泵浦光束透过待测样品特氟龙13部分无空缺的位置时，从第二反射镜9反射的泵浦光束和参考光束相位相差正好为π；当泵浦光束到达待测样品特氟龙13（如图4所示）部分有空缺陷的位置时，光线返回或被吸收了，导致泵浦光束和参考光束没有有效的相干相消即两束光束相位相差介于0和π之间，从而得知待测样品特氟龙13内部有缺陷。利用透过待测样品特氟龙13内部不同精细结构到达第二太赫兹反射镜9后所反射的光通过的光程不同，导致其返回光与参考光相互干涉的结果不同，并根据测得的两维光波信号强度推算，就能很精确、直观地检测出待测样品特氟龙13内部的精细结构。

Claims (5)

1.一种基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，其特征在于，包括光源、第一聚焦透镜、光隔离器、分束片、第一反射镜、一维电机、第二聚焦透镜、待测样品、第二反射镜、三维电机、第三聚焦透镜和探测系统；

光源发出的光脉冲经过第一聚焦透镜准直后，经过光隔离器，到达分束片，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为泵浦光束；

参考光束到达固定在一维电机的第一反射镜后，返回再次通过分束片，分束片将部分参考光束反射进入第三聚焦透镜后聚焦到探测系统，光隔离器用于阻挡参考光束的透射光束再返回光源；

泵浦光束经过第二聚焦透镜聚焦到达固定在三维电机上的第二反射镜，经第二反射镜反射后再次经过第二聚焦透镜然后到达分束片，并通过分束片将部分泵浦光束透射进入第三聚焦透镜后聚焦到探测系统，光隔离器用于阻挡泵浦光束的反射光束再返回光源；

参考光束和泵浦光束到达探测系统后的相位相差为π，将两束光相互会合干涉时信号相干相消作为背景基底，完成初始背景信号采集；

将固定在三维电机上的第二反射镜换成反射式待测样品，或将透射式待测样品紧贴在第二反射镜前面，调节三维电机上下左右在第二聚焦透镜焦平面范围内移动待测样品的位置，利用待测样品表面不同精细结构所反射的光通过的光程不同，导致其返回光与参考光相互干涉的结果不同，根据测得的两维光波信号强度推算，得出待测样品表面或者内部的精细结构。

2.根据权利要求1所述基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，其特征在于，所述第一反射镜所固定的一维电机的位置可连续移动，用于调节光学延迟。

3.根据权利要求1所述基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，其特征在于，所述光源的选择取决于待测样品的表面或者内部精细结构特性。

4.根据权利要求3所述基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜为与光源中心波长相对应的高效反射镜。

5.根据权利要求4所述基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置，其特征在于，所述三个聚焦透镜、光隔离器、分束片和探测系统与所选光源匹配。