CN107515047A - 检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置及方法。角向偏振的激光束经过纯相位空间光调制器调制后可以在焦平面产生多个偏振取向不同的光斑。将金膜表面的周期性狭缝微结构放置在焦平面上，当光斑的偏振方向与狭缝的取向相互垂直时，入射光斑可以最有效地耦合成表面等离激元。当光斑的偏振方向与狭缝的取向相互平行时，入射光斑几乎不能激发表面等离激元。当光斑的偏振方向与狭缝的取向形成一个小于九十度夹角时，其耦合效率正比于该夹角的余弦的平方。通过泄漏辐射显微成像系统可以观察多个光斑所在位置的表面等离激元强度，从而实现每个光斑偏振取向的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置，还涉及一种检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的方法。
背景技术
激光束通过高数值孔径的物镜进行聚焦可以产生亚波长尺寸的光斑。对入射激光进行特殊的相位调制，振幅调制和偏振调制可以产生各种特殊形状的光斑，例如针状光斑，环形光斑，球状光斑，纵向偏振光斑，螺旋状光斑，二维阵列光斑，三维阵列光斑，链状光斑等。这些特殊光斑可以在光学数据存储，激光微粒操控，原子波导，荧光超分辨成像，激光微纳加工等众多领域得到应用。
光斑的偏振方向是光场的一个重要特征。具有特定偏振的光斑在与微纳结构相互作用，以及与具有偶极矩的分子，纳米线，纳米棒相互作用中，其作用强度取决于光斑的偏振方向。目前，对入射物镜的角向偏振光束进行相位调制可以在物镜焦平面上产生位置和偏振都可以独立调节的多焦点光斑。在聚焦物镜的数值孔径比较大时，光斑的横向尺寸就会非常小，通常其半高全宽度可以小于入射激光波长的一半。小于波长尺寸的光斑可以被称为亚波长光斑，其大小约为几百纳米。目前，对于尺寸比较大的光束或光斑的偏振方向检测可以用线偏振检偏振器进行检测。但是对于处在高数值孔径显微物镜视场范围内的尺寸只有几百纳米，相距只有几微米的亚波长多焦点光斑的偏振方向检测目前还没有直观有效的方法。
发明内容
为了克服具有独立偏振方向的紧聚焦亚波长多焦点光斑的偏振检测困难，本发明提出一种检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置及方法，利用光斑在贵金属微结构表面激发的表面等离激元强度依赖于激发光的偏振方向这一特点来检测亚波长多焦点光斑的偏振方向。
本发明技术方案如下：
检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置，包括周期性直线状狭缝微结构元件和泄漏辐射显微镜；
所述周期性直线状狭缝微结构元件用于接收多焦点光斑，所述多焦点光斑在周期性直线状狭缝微结构元件上激发和耦合出表面等离激元；
所述泄漏辐射显微镜用于观察周期性直线状狭缝微结构元件上的表面等离激元强度，根据强度的大小判断入射光斑的偏振方向。
所述周期性直线状狭缝微结构元件具有刻蚀在金膜上的周期性直线状狭缝。
所述狭缝宽度为表面等离激元波长的六分之一到七分之一,占空比为百分之五十，所述周期性直线状狭缝微结构元件尺寸大于用于产生多焦点光斑的物镜视场。
所述泄漏辐射显微镜包括成像物镜、第二傅里叶变换成像系统、第一聚焦透镜、第一电荷耦合成像器件和第一计算机；
所述周期性直线状狭缝微结构元件位于成像物镜焦平面上，成像物镜收集周期性直线状狭缝微结构元件表面的等离激元高频泄漏辐射，再通过第二傅里叶变换成像系统，然后由第一聚焦透镜聚焦到第一电荷耦合成像器件，所述第一计算机与第一电荷耦合成像器件相连接以显示成像。
所述泄漏辐射显微镜还包括位于第二傅里叶变换成像系统与第一聚焦透镜之间的环形高通空间滤波器，所述环形高通空间滤波器的环形通光部分的内半径小于成像物镜的出射光曈半径。
所述泄漏辐射显微镜还包括位于成像物镜与第二傅里叶变换成像系统之间的反射镜。
基于所述的检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置的检测方法：根据每个光斑对应位置的表面等离激元强度判断每个光斑的偏振方向，对应表面等离激元最强的光斑的偏振方向与周期性直线状狭缝的方向相垂直，对应表面等离激元最弱的光斑的偏振方向与周期性直线状狭缝的方向相平行，其它偏振取向的光斑所激发的表面等离激元强度与其偏振方向和狭缝之间夹角的余弦平方成正比。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：可以同时检测尺寸为纳米量级的亚波长多焦点光斑的偏振方向，检测结果直观。
附图说明
图1为本发明中产生环形分布的具有各自独立偏振取向的亚波长多焦点光斑并用于激发周期性直线状狭缝结构表面等离激元,根据泄漏辐射显微镜观察对应表面等离激元强度从而判断光斑偏振方向的实验图。
图2为本发明产生的每个焦点偏振沿径向分布的24焦点强度图。
图3为本发明产生的每个焦点偏振沿径向分布的24焦点偏振图。
图4为本发明使用的周期性狭缝微结构图。
图5为本发明周期性狭缝微结构取向为90度，12个偏振径向分布的光斑激发微结构时，观察到的表面等离激元泄漏辐射强度分布。
图6为本发明周期性狭缝微结构取向为180度，12个偏振径向分布的光斑激发微结构时，观察到的表面等离激元泄漏辐射强度分布。
图7为本发明周期性狭缝微结构取向为45度，12个偏振径向分布的光斑激发微结构时，观察到的表面等离激元泄漏辐射强度分布。
图8为本发明周期性狭缝微结构取向为135度，12个偏振径向分布的光斑激发微结构时，观察到的表面等离激元泄漏辐射强度分布。
图1中，1.激光器；2.扩束准直系统；3.线偏振器；4.第一分束器；5.反射型空间光调制器；6.第一傅里叶变换成像系统；7.角向偏振转换器；8.第二分束器；9.聚焦物镜；10.周期性直线状狭缝微结构元件；11.成像物镜；12.反射镜；13.第二傅里叶变换成像系统；14.环形高通空间滤波器；15.第一聚焦透镜；16.第一电荷耦合成像器件；17.第一计算机；18.第二聚焦透镜；19.第二电荷耦合成像器件；20.第二计算机；21.第三计算机。
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，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。
如图1，532纳米波长激光器1经过扩束准直系统2后，变成平行光束，再经过线偏振器3变成线偏振光。扩束准直的线偏振光入射第一分束器4后再垂直入射到反射型空间光调制器5（型号Holoeye Pluto，分辨率1080x1920）。第三计算机21将产生偏振独立可调的多焦点光斑的相位调制图加载到反射型空间光调制器5。光束经调制后透过第一分束器4进入第一傅里叶变换成像系统6，其焦距为30cm，然后再经过角向偏振转换器7转换成角向偏振光。该角向偏振光经过第二分束器8入射聚焦物镜9（奥林巴斯x100，1.45），从而在焦平面产生位于圆周上的12个偏振独立可控的亚波长多焦点光斑，并照射位于聚焦物镜9焦平面的周期性直线状狭缝微结构元件10，激发和耦合出表面等离激元光强。入射光斑的偏振取向决定了表面等离激元的耦合效率和强度。
检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置部分，包括上述周期性直线状狭缝微结构元件10，还包括泄漏辐射显微镜，所述泄漏辐射显微镜用于观察周期性直线状狭缝微结构元件10上的表面等离激元强度，根据强度的大小判断入射光斑的偏振方向。
所述泄漏辐射显微镜包括成像物镜11、反射镜12、第二傅里叶变换成像系统13、环形高通空间滤波器14、第一聚焦透镜15、第一电荷耦合成像器件16和第一计算机17。
成像物镜11收集周期性直线状狭缝微结构元件10表面的等离激元高频泄漏辐射，经反射镜12反射到第二傅里叶变换成像系统13，其焦距5cm，然后通过环形高通空间滤波器14，所述环形高通空间滤波器14的环形通光部分的内半径小于成像物镜11的出射光曈半径，再由第一聚焦透镜15聚焦到第一电荷耦合成像器件16，所述第一计算机17与第一电荷耦合成像器件16相连接以显示成像。
亚波长多焦点光斑可以在周期性直线状狭缝微结构10的表面反射回来，由聚焦物镜9收集，经过第二分束器8反射，再经过第二聚焦透镜18，第二电荷耦合成像器件19、成像在第二计算机20显示屏上。
根据每个光斑对应位置的表面等离激元强度判断每个光斑的偏振方向，对应表面等离激元最强的光斑的偏振方向与周期性直线状狭缝的方向相垂直，对应表面等离激元最弱的光斑的偏振方向与周期性直线状狭缝的方向相平行，其它偏振取向的光斑所激发的表面等离激元强度与其偏振方向和狭缝之间夹角的余弦平方成正比。
转动周期性直线状狭缝微结构元件10，可以在第一计算机17显示屏上看到不同强度分布的表面等离激元分布，如图5、图6、图7和图8所示。从而根据表面等离激元强度分布判断每个光斑的偏振取向。
所述周期性直线状狭缝微结构元件10具有刻蚀在金膜上的周期性直线状狭缝，所述狭缝宽度为表面等离激元波长的六分之一到七分之一，占空比为百分之五十，所述周期性直线状狭缝微结构元件10尺寸大于用于产生多焦点光斑的物镜视场。制作方法为：将直径25.4毫米的石英基底通过电子束蒸发镀膜在其上镀一层厚度约50纳米金膜，并用聚焦离子束刻蚀周期性直线状狭缝微结构。微结构尺寸为100微米x100微米。狭缝宽度为100纳米，单个周期占空比为50%。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置，其特征在于：包括周期性直线状狭缝微结构元件（10）和泄漏辐射显微镜；
所述周期性直线状狭缝微结构元件（10）用于接收多焦点光斑，所述多焦点光斑在周期性直线状狭缝微结构元件（10）上激发和耦合出表面等离激元；
所述泄漏辐射显微镜用于观察周期性直线状狭缝微结构元件（10）上的表面等离激元强度，根据强度的大小判断入射光斑的偏振方向。
2.如权利要求1所述的检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置，其特征在于：所述周期性直线状狭缝微结构元件（10）具有刻蚀在金膜上的周期性直线状狭缝。
3.如权利要求2所述的检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置，其特征在于：所述狭缝宽度为表面等离激元波长的六分之一到七分之一,占空比为百分之五十，所述周期性直线状狭缝微结构元件（10）尺寸大于用于产生多焦点光斑的物镜视场。
4.如权利要求1所述的检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置，其特征在于：所述泄漏辐射显微镜包括成像物镜（11）、第二傅里叶变换成像系统（13）、第一聚焦透镜（15）、第一电荷耦合成像器件（16）和第一计算机（17）；
所述周期性直线状狭缝微结构元件（10）位于成像物镜（11）焦平面上，成像物镜（11）收集周期性直线状狭缝微结构元件（10）表面的等离激元高频泄漏辐射，再通过第二傅里叶变换成像系统（13），然后由第一聚焦透镜（15）聚焦到第一电荷耦合成像器件（16），所述第一计算机（17）与第一电荷耦合成像器件（16）相连接以显示成像。
5.如权利要求4所述的检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置，其特征在于：所述泄漏辐射显微镜还包括位于第二傅里叶变换成像系统（13）与第一聚焦透镜（15）之间的环形高通空间滤波器（14），所述环形高通空间滤波器（14）的环形通光部分的内半径小于成像物镜（11）的出射光曈半径。
6.如权利要求4或5所述的检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置，其特征在于：所述泄漏辐射显微镜还包括位于成像物镜（11）与第二傅里叶变换成像系统（13）之间的反射镜（12）。
7.基于如权利要求1所述的检测亚波长尺度多焦点光斑偏振取向的装置的检测方法，其特征在于：根据每个光斑对应位置的表面等离激元强度判断每个光斑的偏振方向，对应表面等离激元最强的光斑的偏振方向与周期性直线状狭缝的方向相垂直，对应表面等离激元最弱的光斑的偏振方向与周期性直线状狭缝的方向相平行，其它偏振取向的光斑所激发的表面等离激元强度与其偏振方向和狭缝之间夹角的余弦平方成正比。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Device and method for detecting polarization orientation of sub wavelength scale multifocal light spot Effective date of registration: 20211216 Granted publication date: 20190830 Pledgee: Yantai financing guarantee Group Co.,Ltd. Pledgor: LUDONG University Registration number: Y2021980015152 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220317 Granted publication date: 20190830 Pledgee: Yantai financing guarantee Group Co.,Ltd. Pledgor: LUDONG University Registration number: Y2021980015152 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190830 |