CN108458788A - 一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法，所述系统包括：照明模块，用于向等离激元等样品发射不同偏振态的入射光，所述入射光激发等离激元等样品生成纳米尺度光场；扫描近场光学显微镜装置，所述扫描近场光学显微镜装置用于对所述纳米尺度光场进行近场逐点扫描，将纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；偏振调制模块，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号；偏振检测及解调模块，用于解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
Description
技术领域
本发明涉及近场光学和纳米光学技术领域，更具体地，涉及一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法。
背景技术
在纳米光学和近场光学领域中，矢量分布或电场的偏振是非常重要的物理量。首先，纳米光学器件与入射光作用后产生的光场分布是三维矢量场，掌握这个光场的矢量分布信息，可以更充分的理解纳米尺度上光与物质相互作用的机理；其次，根据纳米光场的矢量分布信息，可以设计偏振相关的对比度机制，进一步提升扫描近场光学显微镜系统成像的光学分辨率；最后，纳米光场矢量场测量可以为求解近场光学中的逆问题提供更详实的数据参考，进而促进对纳米光学器件的形貌与构成的反演、以及扫描近场光学显微镜成像机制等研究的发展。
纳米光场的矢量分布具有非横波性、非同质性、纳米局域性等特点。纳米光场矢量场的纵向电场分量不能忽略，在表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,简称SPP)等应用中，纵向电场分量甚至起主导作用，同时，在局域等离激元(Localized SurfacePlasmon，简称LSP)等研究中也不具有确定的能流方向，所以纳米光场将不再能用横波和纵波来简单区分。其次，由于与光场发生相互作用的结构处于亚波长纳米尺度，光与纳米结构相互作用后的纳米光场分布将呈现出纳米尺度的非同质特性，即纳米光场不同位置处的振幅、相位和偏振可能会存在显著的差异，且这种差异对应的空间尺度是纳米量级。
纳米光场矢量分布的上述特点，决定了矢量场测量方法的技术特征必须以能实现超衍射光学分辨率为前提，同时还需要对电磁场的纵向分量敏感。扫描近场光学显微镜系统具有光学超衍射极限的成像性能，所以可采用扫描探针将近场光场散射至远场、再进行偏振测量的方法来实现对纳米尺度光场的矢量场偏振测量。
目前，主要有两种基于扫描近场光学显微镜系统实现近场矢量场偏振测量的方式。第一种方式是采用基于外差或伪外差干涉仪的相位分辨型扫描近场光学显微镜系统，分别测量包含纵向分量在内的两个正交分量的复振幅后，再经过探针标定、软件拟合等技术逐点合成出纳米光场的矢量场偏振，此方法可以得到近场偏振的斯托克斯参数，但是仪器系统及算法复杂，无法快速实时地进行近场偏振测量。第二种方式是采用普通的扫描近场光学显微镜系统，然后在远场采用离散旋转检偏器的方式逐点合成出纳米光场的的矢量场偏振，此方法简便易行、对系统的要求低，可以得到近场偏振的方向、大小和椭偏度信息，但是无法确定偏振的旋性，且同样无法快速实时地进行近场偏振测量。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法，解决了现有技术中无法确定偏振的旋性，无法快速实时地进行近场偏振测量的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，包括：
照明模块，用于向等离激元样品发射不同偏振态的入射光，所述入射光激发等离激元样品生成纳米尺度光场；
扫描近场光学显微镜装置，所述扫描近场光学显微镜装置用于对所述纳米尺度光场进行近场逐点扫描，将纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；
偏振调制模块，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号；
偏振检测及解调模块，用于解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；基于偶数阶倍频解调方法获取所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
作为优选的，所述照明模块包括激光器，所述激光器输出激光的传输光路上依次设置有扩束准直透镜、四分之一波片、二分之一波片、起偏器、偏振控制器。
作为优选的，所述扫描近场光学显微镜装置包括扫描台、扫描头和控制器；
所述扫描台用于放置等离激元样品，且所述扫描台上开设有用于传输所述入射光的通光孔；
所述扫描头可移动设于所述扫描台上方，所述扫描头上设有扫描功能探针，所述扫描功能探针用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数，得到远场光束；
所述控制器连接所述扫描头和扫描台，用于同步控制所述扫描头和扫描台，使所述扫描头对准等离激元样品。
作为优选的，所述扫描功能探针包括近场探针，所述近场探针的针尖部粘附有对电场敏感的金属纳米微粒或对光频磁场敏感的高折射率介质纳米微粒，所述纳米微粒用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数。
作为优选的，还包括光学成像及选择模块；所述光学成像及选择模块设于所述偏振调制模块与所述扫描头间；所述光学成像与选择模块包括依次设置的长工作距物镜及场镜、可调光阑与狭缝和准直镜；
所述长工作距物镜及场镜用于收集所述远场光束，并对所述扫描功能探针及所述等离激元样品成像；
所述可调光阑与狭缝，用于选择成像视场，并降低所述近场探针侧壁以及等离激元样品非测量区域的背景散射噪声；
所述准直镜的前焦点与所述可调光阑或狭缝的中心位置重合，用于将所述成像视场内的远场光束准直为平行光束。
作为优选的，所述偏振调制模块包括依次设置的旋转四分之一波片、检偏器；所述旋转四分之一波片连接有驱动控制器；
所述驱动控制器用于驱动所述旋转四分之一波片转动连续改变所述旋转四分之一波片的快轴方向；
所述检偏器的偏振透光方向为水平方向，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号。
作为优选的，所述旋转四分之一波片包括四分之一波片、中空旋转台；所述四分之一波片装载于所述中空旋转台上，所述中空旋转台内部设有无刷直流电机，所述无刷直流电机用于驱动所述中空旋转台旋转，所述无刷直流电机连接所述驱动控制器；
或者，所述旋转四分之一波片还可以包括偏振调制器、四分之一波片组；所述偏振调制器置于四分之一波片之间；所述偏振调制器可以是液晶相位延迟器或光弹调制器，通过周期性调节所述偏振调制器产生的相位延迟实现所述旋转四分之一波片的功能。
作为优选的，所述偏振检测及解调模块包括聚焦场镜、光电探测器和锁相放大器；
所述聚焦场镜用于对所述偏振调制信号进行聚焦；
所述光电探测器用于接收聚焦后的偏振调制信号，并输出调制电信号；
所述锁相放大器连接所述光电探测器，所述锁相放大器用于对所述偏振电信号进行锁相和解调，并输出至所述扫描近场光学显微镜装置的控制器。
一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测方法，包括：
S1、通过激光激发等离激元等样品生成纳米尺度光场，通过各向同性的球形纳米微粒为近场传感单元，将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；
S2、对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，输出偏振调制信号；依次通过快轴方向匀速改变的旋转四分之一波片和静置的水平检偏器对偏振实现高速调制，快轴的旋转频率为系统的基频；
S3、解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；
基于偶数阶倍频解调方法标定所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
作为优选的，所述步骤S3具体包括：
通过二倍频正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波处理，得到所述偏振调制信号的二倍频解调信号；通过四倍频正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波处理，得到所述偏振调制信号的四倍频解调信号；
基于偶数阶倍频解调方法，采用标准水平线偏振光入射至偏振检测及解调模块，标定所述四倍频解调信号的第一系统参数；采用标准左旋圆偏振光入射至偏振检测及解调模块，标定所述二倍频解调信号的第二系统参数；
通过所述第一系统参数、所述第二系统参数、所述二倍频解调信号、所述四倍频解调信号求解出所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
本发明提出一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法，采用扫描功能探针将近场电磁场分量转换为远场传播场，并利用偏振调制方法与偶数阶倍频解调方法快速、实时地对纳米尺度光场进行近场逐点扫描测量，同步得到形貌像、光强像及斯托克斯参数，通过近场斯托克斯参数可以确定矢量场偏振的大小、方向、椭偏度及旋性等矢量场偏振信息。
附图说明
图1为根据本发明实施例的纳米尺度光场矢量场偏振分布测量系统结构框图；
图2为根据本发明实施例的纳米尺度光场矢量场偏振分布测量系统具体结构示意图；
图3为根据本发明实施例的近场功能探针控制模式及构成示意图；
图4为根据本发明实施例的对SPP双缝样品的近场电矢量场偏振分布测量结构示意图；
图5为根据本发明实施例的隐失驻波场的近场磁矢量场偏振分布测量结构示意图；
图6为根据本发明实施例的偏振调制器与四分之一波片组构成示意图。
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所示，图中示出了一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，包括：
照明模块100，用于向等离激元等样品发射不同偏振态的入射光，所述入射光激发等离激元等样品生成纳米尺度光场；
扫描近场光学显微镜装置200，所述扫描近场光学显微镜装置200用于对所述纳米尺度光场进行近场逐点扫描，将纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；
光学成像及选择模块300，收集所述远场光束，并对准所述等离激元等样品和选择成像视场；
偏振调制模块400，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号；
偏振检测及解调模块500，用于解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；基于偶数阶倍频解调方法标定所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
具体的，所述照明模块100根据应用实现不同偏振态的入射光及照明模式。所述入射光激发等离激元等样品生成纳米尺度光场，由所述扫描近场光学显微镜装置200将所述纳米尺度光场的电场或磁场分量散射为远场光束。所述光学成像及选择模块300收集所述远场光束，并对准所述样品和选择成像视场。所述远场光束经由所述光学成像及选择模块300准直为平行光场，所述偏振调制模块400对所述平行光场实现快速偏振调制，输出调制光场。所述偏振检测及解调模块500接收和解调所述调制光场，输出偶数阶倍频解调信号，用于测量和分析所述纳米尺度光场的矢量场偏振分布。
在本实施例中，所述等离激元等样品包括表面等离激元样品、局域等离激元样品或用于全内反射产生隐矢驻波场的棱镜样品等。
在本实施例中，所述照明模块100包括激光器，所述激光器输出激光的传输光路上依次设置有扩束准直透镜、四分之一波片、二分之一波片、起偏器、偏振控制器。
在本实施例中，所述照明模块100能够产生多种偏振态光束，包括：线偏振光束、圆偏振光束、径向或切向偏振光束等；能够产生多种照明模式，包括：正入射照明、变入射角度照明、弱聚焦照明、棱镜耦合照明等。
如图2所示，在本实施例中，所述扫描近场光学显微镜装置200包括扫描台210、扫描头220和控制器240；
所述扫描台210用于放置等离激元等样品，且所述扫描台210上开设有用于传输所述入射光的通光孔；
所述扫描头220可移动设于所述扫描台210上方，所述扫描头220上设有扫描功能探针230，所述扫描功能探针230用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数，得到远场光束；所述扫描功能探针230，与所述扫描头220联动设置。所述扫描功能探针230将所述纳米尺度光场散射为远场光束，传播至所述光学成像及选择模块300。
所述控制器240连接所述扫描头220和扫描台210，用于同步控制所述扫描头220和扫描台210，使所述扫描头220对准等离激元等样品。同步控制所述扫描台210及所述扫描头220实现微米级及纳米级精度三维位移、位置对准、近场进针和纳米精度的扫描。
在本实施例中，如图3所示，所述扫描功能探针230包括近场探针231，所述近场探针231的针尖部粘附有对电场敏感的纳米微粒232，所述纳米微粒232用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数。
所述近场探针231装载于所述扫描头220底部，用于近场三维空间定位。所述纳米微粒232粘附于所述近场探针231的针尖，用于将所述纳米尺度光场散射至远场。
所述近场探针231可以是用于剪切力模式的光纤探针，也可以是用于轻敲模式的原子力显微镜探针。所述纳米微粒232可以是金、银、铝等金属纳米微粒232，也可以是硅、二氧化钛等高折射率介质纳米微粒232。
在本实施例中，所述光学成像及选择模块300设于所述偏振调制模块400与所述扫描头220间；所述光学成像与选择模块包括依次设置的长工作距物镜及场镜310、可调光阑与狭缝320和准直镜330；
所述长工作距物镜及场镜310用于收集所述远场光束，并对所述扫描功能探针230及所述等离激元等样品成像；收集经所述纳米微粒232散射后的所述远场光束，并对所述扫描功能探针230及所述样品成像。
所述可调光阑与狭缝320用于选择成像视场，并降低所述近场探针231侧壁以及等离激元等样品非测量区域的背景散射噪声；可调光阑与狭缝置于所述长工作距物镜及场镜310的像面位置，通过调节所述可调光阑与狭缝的位置及大小选择成像视场、降低所述近场探针231侧壁以及所述等离激元等样品的非测量区域的背景散射噪声。
所述准直镜330的前焦点与所述可调光阑或狭缝320的中心位置重合，用于将所述成像视场内的远场光束准直为平行光束。
在本实施例中，所述偏振调制模块400包括依次设置的旋转四分之一波片410、检偏器420；所述旋转四分之一波片410电连接有驱动控制器430；
所述检偏器420的偏振透光方向为水平方向，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号。准直镜330输出的平行光束依次经过所述旋转四分之一波片410及所述检偏器420，输出偏振调制光束。所述驱动控制器430，与所述旋转四分之一波片410电连接，用于驱动所述旋转四分之一波片410实现快轴方向快速、匀速转动。
具体的，在本实施例中，所述旋转四分之一波片410包括四分之一波片411、中空旋转台412；所述四分之一波片411装载于所述中空旋转台412上，所述中空旋转台412内部设有无刷直流电机，所述无刷直流电机用于驱动所述中空旋转台412旋转，所述无刷直流电机连接所述驱动控制器430。所述旋转四分之一波片410的偏振调制频率在10Hz至100Hz量级。
在本实施例中，所述旋转四分之一波片410还可以替换为偏振调制器与四分之一波片组440，所述偏振调制器可以为液晶相位延迟器或光弹调制器，通过周期性调节所述偏振调制器产生的相位延迟实现所述旋转四分之一波片410，所述四分之一波片的偏振调制频率在100Hz至1kHz量级。
依次采用快轴方向匀速旋转的四分之一波片410和静止的检偏器420对所述远场斯托克斯参数进行高速偏振调制。与传统方法不同，采用高速匀速旋转快轴方向实现连续动态的偏振调制，可显著提升矢量场偏振测量速度以及测量信噪比。
在本实施例中，所述偏振检测及解调模块包括聚焦场镜510、光电探测器520和锁相放大器530；
所述聚焦场镜510用于对所述偏振调制信号进行聚焦；
所述光电探测器520用于接收聚焦后的偏振调制信号，并输出调制电信号；
所述锁相放大器530连接所述光电探测器520，所述锁相放大器530用于对所述偏振电信号进行锁相和解调，并输出至所述扫描近场光学显微镜装置的控制器240。
所述聚焦场镜510对所述偏振调制光束进行聚焦。所述光电探测器520，与所述聚焦场镜510的后焦点重合，输出调制电信号。
所述锁相放大器530，与所述光电探测器520电连接，所述锁相放大器530对所述调制电信号进行锁相和解调输出至所述控制器240。
所述光电探测器520可以是高增益的光电倍增管，也可以是高频响的雪崩二极管。所述锁相放大器530可以是数字型锁相放大器、模拟型锁相放大器，以及其他基于锁相环的相位解调模块。
在本实施例中，还提供了一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测方法，包括：
S1、通过激光激发等离激元等样品生成纳米尺度光场，通过各向同性的球形纳米微粒为近场传感单元，将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数。其中，采用电场敏感的金属纳米微粒实现近场电场分量的近场-远场转换；采用光频磁场敏感的高折射率介质纳米微粒实现近场光频磁场分量的近场-远场转换。
S2、对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，输出偏振调制信号；
具体的，在本实施例中，所述偏振调制方法为：
依次采用快轴方向匀速旋转的四分之一波片410和静止的检偏器420对所述远场斯托克斯参数进行高速偏振调制。设快轴方向旋转角速度为ω，且所述远场斯托克斯参数为[S0,S1,S2,S3]，则输出的偏振调制信号的光强为：
S3、解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；其中，以快轴的旋转频率为基频，则所述远场斯托克斯参数中的圆偏振信息产生二倍频偏振调制信号、线偏振信息产生四倍频偏振调制信号。
基于偶数阶倍频解调方法标定所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
作为优选的，所述步骤S3具体包括：
通过二倍频正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波处理，得到所述偏振调制信号的二倍频解调信号；通过四倍频正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波处理，得到所述偏振调制信号的四倍频解调信号；
基于偶数阶倍频解调方法，采用标准水平线偏振光入射至偏振检测及解调模块，标定所述四倍频解调信号的第一系统参数；采用标准左旋圆偏振光入射至偏振检测及解调模块，标定所述二倍频解调信号的第二系统参数；
通过所述第一系统参数、所述第二系统参数、所述二倍频解调信号、所述四倍频解调信号求解出所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
具体的，以所述偏振调制方法中的快轴旋转频率为基频，所述锁相放大器530锁定基频后内部生成二倍频及四倍频的标准正余弦信号，可表述为：
其中，相位φ0为所述偏振检测及解调模块500的第一系统参数，Δφ为所述偏振检测及解调模块500的第二系统参数。所述锁相放大器530利用所述偶数阶倍频的标准正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波操作，输出的二倍频解调信号及四倍频解调信号为：
采用标准水平线偏振平面波入射至所述偏振检测及解调模块500，此时远场斯托克斯参数为[1,1,0,0]，利用所述偶数阶倍频解调方法得到四倍频解调信号及四倍频解调相位参数为则第一系统参数
采用标准左旋圆偏振平面波入射至所述偏振检测及解调模块500，此时远场斯托克斯参数为[1,0,0,-1]，利用所述偶数阶倍频解调方法得到二倍频解调信号及二倍频解调相位参数为则第二系统参数
其中，所述四倍频或二倍频解调相位参数(θ4,θ2)与所述四倍频或二倍频解调信号(x4ω,y4ω；x2ω,y2ω)间满足关系为：
以所述偏振调制方法中的快轴旋转频率为基频，利用所述偶数阶倍频解调方法得到偶数阶倍频解调信号(x4ω,y4ω；x2ω,y2ω)；利用所述第一系统参数φ0或所述第二系统参数Δφ或及所述偶数阶倍频解调信号(x4ω,y4ω；x2ω,y2ω)求解出所述远场斯托克斯参数，所述远场光束的斯托克斯参数为：
若所述纳米微粒为电场敏感的球状金属纳米微粒，则表征纳米尺度光场的电场矢量场偏振的近场斯托克斯参数为[S0,S1,S2,S3]；若所述纳米微粒为光频磁场敏感的球状高折射率介质纳米微粒，则表征纳米尺度光场的光频磁场矢量场偏振的近场斯托克斯参数为[S0,S2,-S1,S3]。
本实施例中，还提供了一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测方法的具体实施方式，在本实施例中，通过表面等离激元器件实现近场电矢量场偏振分布测量。
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电荷密度起伏的电磁振荡模式，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，在纳米光学和近场光学的研究中扮演着重要角色。
表面等离激元样品的近场电矢量场偏振分布的测量采用了本发明的系统和方法。本实例介绍了一种对SPP双缝样品的近场电矢量场偏振分布测量的应用，测量系统如图4所示。下面结合图4，说明所述纳米尺度光场矢量场偏振分布测量系统和方法的具体配置和工作过程：
S1、对聚焦场镜510、光电探测器520、锁相放大器530构成的所述偏振检测及解调模块500进行系统标定。标定前，将检偏器420的偏振透射方向调整至水平方向，利用驱动控制器430控制中空旋转台412以角速度ω匀速稳定转动。标定时，依次采用水平线偏振光和左旋圆偏振光沿系统光轴方向正入射至四分之一波片411，依次利用锁相放大器530的四倍频解调信号(x4ω,y4ω)和二倍频解调信号(x2ω,y2ω)标定出系统参数(θ4,θ2)。
S2、设计和加工SPP双缝样品。在石英衬底上镀约5nm厚铬膜，再采用蒸镀方式生长约200nm厚金膜。利用聚焦离子束刻蚀工艺刻蚀出双缝结构，缝宽60nm，缝长5μm，双缝间距10μm。
S3、照明激发SPP干涉驻波场。所述照明模块100采用相干性好的633nm激光正入射SPP双缝样品，双向传播的SPP表面波在双缝中间区域产生SPP干涉驻波场。入射激光需采用空间滤波器提升光束质量，其线偏振方向垂直于缝的长边方向。
S4、电矢量场偏振测量用的扫描功能探针230。本实例采用APTES等硅烷偶联剂将直径约100nm的球形金纳米微粒233粘附在近场探针231尖端，利用所述扫描功能探针230实现近场电矢量场偏振测量功能。球形金纳米微粒233为各向同性的近场电场传感单元，近场探针231可控制金纳米微粒233实现近场三维纳米级精度位移。
S5、矢量场偏振分布测量系统10的调整过程。此过程需要调整由长工作距物镜及场镜310、可调光阑或狭缝320及准直镜330构成的光学成像及选择模块300的空间位置及成像区域。首先，调整扫描台210的位置，使样品进入长工作距物镜及场镜310的视场中心；其次，扫描头220控制近场探针231移动至距样品表面几纳米至几十纳米的位置，并使其与样品待测区域对准；再次，微调可调光阑或狭缝320的空间位置，使可调光阑或狭缝320处于长工作距物镜及场镜310的像面上，并使其中心与视场中的金纳米微粒233重合；最后，缩小可调光阑或狭缝320的通光孔径或狭缝宽度，降低近场探针231侧壁散射的背景噪声。
S6、利用矢量场偏振分布测量系统10进行近场测量。首先，启动偏振调制模块400和偏振检测及解调模块500至稳定工作状态，偏振调制频率由中空旋转台412的角频率ω决定；其次，设置锁相放大器530的积分时间为10π/ωs，近场探针231扫描范围为2μm(横向)×0.5μm(纵向)，空间分辨率为50nm，单点测量时间为20π/ωs；最后，在近场逐点测量过程中，基于所述数据处理方法，利用系统参数及锁相放大器530的输出信号(x4ω,y4ω；x2ω,y2ω)可实时计算出近场斯托克斯参数。于是，可以直接地、实时地同步获得近场形貌像、光强像、椭偏度分布、偏振方向分布以及旋性分布。
S7、所述偏振调制方法的关键是实现可连续旋转的四分之一波片功能，本实施例采用机械转动方式实现这一功能，将四分之一波片411装载于中空旋转台412，所述中空旋转台412中的无刷直流电机驱动所述四分之一波片411实现高速匀速转动。此机械转动方式可以实现频率在10Hz至100Hz量级的偏振调制。
本实施例验证了所述纳米尺度光场矢量场偏振分布测量系统和方法具备近场三维测量纳米尺度光场电场偏振的能力，为表征SPP器件的电矢量场调控性能提供更精确、更直观的物理量分布。
本实施例中，还提供了一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测方法的具体实施方式，在本实施例中，实现对隐失驻波场的近场磁矢量场偏振分布测量。
介质界面处发生的全内反射同样会在介质-空气表面上激发出具有近场增强、表面受限及短波长等特性的隐失场模式，此隐失场模式在超分辨成像及暗场成像等研究中扮演着重要角色。
对介质-空气界面处的隐失驻波场的近场磁矢量场偏振分布的测量采用了本发明的系统和方法。本实例介绍了一种对棱镜全内反射产生的隐失驻波场的光频磁场偏振分布测量的应用，测量系统如图5所示。下面结合图5，说明所述纳米尺度光场矢量场偏振分布测量系统和方法的具体配置和工作过程：
S1、对聚焦场镜510、光电探测器520、锁相放大器530构成的所述偏振检测及解调模块500进行系统标定。标定前，将检偏器420的偏振透射方向调整至水平方向，利用驱动控制器430控制中空旋转台412以角速度ω匀速稳定转动。标定时，依次采用水平线偏振光和左旋圆偏振光沿系统光轴方向正入射至四分之一波片411，依次利用锁相放大器530的四倍频解调信号(x4ω,y4ω)和二倍频解调信号(x2ω,y2ω)标定出系统参数
S2、照明激发TE模式的隐失驻波场。所述照明模块100采用相干性好的633nm激光垂直入射直角棱镜110的右侧面，经石英-空气界面产生全内反射隐失场，继续传播至直角棱镜110的左侧面时被反射镜120反射，进而在石英-空气界面干涉形成隐失驻波场。入射激光需采用空间滤波器提升光束质量，其线偏振为垂直于入射面的s偏振。
S3、光频磁场偏振测量用的扫描功能探针230。本实例采用APTES等硅烷偶联剂将直径约165nm的球形硅纳米微粒234粘附在近场探针231尖端，利用所述扫描功能探针230实现近场光频磁场偏振测量功能。球形硅纳米微粒234为各向同性的近场光频磁场传感单元，近场探针231可控制硅纳米微粒234实现近场三维纳米级精度位移。
S4、矢量场偏振分布测量系统10的调整过程。此过程需要调整由长工作距物镜及场镜310、可调光阑或狭缝320及准直镜330构成的光学成像及选择模块300的空间位置及成像区域。首先，调整扫描台210的位置，使样品进入长工作距物镜及场镜310的视场中心；其次，扫描头220控制近场探针231移动至距样品表面几纳米至几十纳米的位置，并使其与样品待测区域对准；再次，微调可调光阑或狭缝320的空间位置，使可调光阑或狭缝320处于长工作距物镜及场镜310的像面上，并使其中心与视场中的金纳米微粒233重合；最后，缩小可调光阑或狭缝320的通光孔径或狭缝宽度，降低近场探针231侧壁散射的背景噪声。
S5、利用矢量场偏振分布测量系统10进行近场测量。首先，启动偏振调制模块400和偏振检测及解调模块500至稳定工作状态，偏振调制频率由中空旋转台412的角频率ω决定；其次，设置锁相放大器530的积分时间为10π/ωs，近场探针231扫描范围为2μm(横向)×0.5μm(纵向)，空间分辨率为50nm，单点测量时间为20π/ωs；最后，在近场逐点测量过程中，基于所述数据处理方法，利用系统参数及锁相放大器530的输出信号(x4ω,y4ω；x2ω,y2ω)可实时计算出近场斯托克斯参数。于是，可以直接地、实时地同步获得近场形貌像、光强像、椭偏度分布、偏振方向分布以及旋性分布。
S6、所述偏振调制方法的关键是实现可连续旋转的四分之一波片功能，可旋转四分之一波片410的偏振变换矩阵可以表示为：
M＝Mrot(θ)Mretard(90°)Mrot(-θ)
所以可旋转四分之一波片410的功能有两种实现方式，分别是旋转四分之一波片410而不旋转入射和出射光的偏振坐标系，以及旋转入射和出射光的偏振坐标系而不旋转四分之一波片410。本实例利用偏振调制器与四分之一片组440来实现旋转偏振坐标系的偏振调制方式，所述偏振调制器与四分之一波片组440的配置图参见图6，图6中各器件名称括号中的数字表示器件快轴相对于水平方向的角度。振调制器与四分之一波片组440的七个器件构成了三个模块，左右两个点划线方框都是由-45°放置的四分之一波片、0°放置的偏振调制器和+45°放置的四分之一波片三个个器件构成，区别在于第一偏振调制器442是由正相电压驱动，而第二偏振调制器446是由反相电压驱动。其中，由第一(-45°)四分之一波片441、第一偏振调制器442和第一(+45°)四分之一波片443构成的模块的偏振转换矩阵可表示为：
所以，通过在两个正交放置的四分之一波片内置入偏振调制器的方式可以实现旋转偏振坐标系的功能。进而，当偏振调制器可以提供0至4π的相位差时，偏振调制器与四分之一波片组440的偏振控制矩阵表示为：
M＝Msys(2θ)Mretard(90°)Msys(-2θ)
＝Mrot(θ)Mretard(90°)Mrot(-θ)
因此，当驱动控制器430提供周期性的锯齿波信号时，本实例采用旋转偏振坐标系的方式同样可实现旋转四分之一波片410的功能。相较于机械转动的方式，旋转偏振坐标系的方式无机械转动，可以避免机械振动引起的噪声；同时，偏振调制器可以是液晶相位延迟器或光弹调制器，可实现频率在100Hz至1kHz量级的高速偏振调制，有效缩短近场测量时间。避免振动噪声以及提高测量速度对于近场扫描测量来说具有显著的优势，所以本实施例的偏振调制方式具有重大应用潜力。
本实施例验证了所述纳米尺度光场矢量场偏振分布测量系统和方法具备近场三维测量纳米尺度光频磁场偏振的能力，为表征纳米光学器件的光频磁矢量场调控性能提供更精确、更直观的物理量分布。
综上所述，本发明提出一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法，采用扫描功能探针将近场电磁场分量转换为远场传播场，并利用偏振调制方法与偶数阶倍频解调方法快速、实时地对纳米尺度光场进行近场逐点扫描测量，同步得到形貌像、光强像及斯托克斯参数，通过近场斯托克斯参数可以确定矢量场偏振的大小、方向、椭偏度及旋性等矢量场偏振信息。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，包括：
照明模块，用于向等离激元样品发射不同偏振态的入射光，所述入射光激发等离激元样品生成纳米尺度光场；
扫描近场光学显微镜装置，所述扫描近场光学显微镜装置用于对所述纳米尺度光场进行近场逐点扫描，将纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；
偏振调制模块，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号；
偏振检测及解调模块，用于解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；基于偶数阶倍频解调方法获取所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
2.根据权利要求1所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述照明模块包括激光器，所述激光器输出激光的传输光路上依次设置有扩束准直透镜、四分之一波片、二分之一波片、起偏器、偏振控制器。
3.根据权利要求1所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述扫描近场光学显微镜装置包括扫描台、扫描头和控制器；
所述扫描台用于放置等离激元样品，且所述扫描台上开设有用于传输所述入射光的通光孔；
所述扫描头可移动设于所述扫描台上方，所述扫描头上设有扫描功能探针，所述扫描功能探针用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数，得到远场光束；
所述控制器连接所述扫描头和扫描台，用于同步控制所述扫描头和扫描台，使所述扫描头对准等离激元样品。
4.根据权利要求3所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述扫描功能探针包括近场探针，所述近场探针的针尖部粘附有对电场敏感的金属纳米微粒或对光频磁场敏感的高折射率介质纳米微粒，所述纳米微粒用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数。
5.根据权利要求4所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，还包括光学成像及选择模块；所述光学成像及选择模块设于所述偏振调制模块与所述扫描头间；所述光学成像与选择模块包括依次设置的长工作距物镜及场镜、可调光阑与狭缝和准直镜；
所述长工作距物镜及场镜用于收集所述远场光束，并对所述扫描功能探针及所述等离激元样品成像；
所述可调光阑与狭缝，用于选择成像视场，并降低所述近场探针侧壁以及等离激元样品非测量区域的背景散射噪声；
所述准直镜的前焦点与所述可调光阑或狭缝的中心位置重合，用于将所述成像视场内的远场光束准直为平行光束。
6.根据权利要求1所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述偏振调制模块包括依次设置的旋转四分之一波片、检偏器；所述旋转四分之一波片连接有驱动控制器；
所述驱动控制器用于驱动所述旋转四分之一波片转动连续改变所述旋转四分之一波片的快轴方向；
所述检偏器的偏振透光方向为水平方向，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号。
7.根据权利要求6所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述旋转四分之一波片包括四分之一波片、中空旋转台；所述四分之一波片装载于所述中空旋转台上，所述中空旋转台内部设有无刷直流电机，所述无刷直流电机用于驱动所述中空旋转台旋转，所述无刷直流电机连接所述驱动控制器。
8.根据权利要求1所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述偏振检测及解调模块包括聚焦场镜、光电探测器和锁相放大器；
所述聚焦场镜用于对所述偏振调制信号进行聚焦；
所述光电探测器用于接收聚焦后的偏振调制信号，并输出调制电信号；
所述锁相放大器连接所述光电探测器，所述锁相放大器用于对所述偏振电信号进行锁相和解调，并输出至所述扫描近场光学显微镜装置的控制器。
9.一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测方法，其特征在于，包括：
S1、通过激光激发等离激元样品生成纳米尺度光场，通过各向同性的球形纳米微粒为近场传感单元，将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；
S2、对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，输出偏振调制信号；依次通过快轴方向匀速改变的旋转四分之一波片和静置的水平检偏器对偏振调制信号进行调制，快轴的旋转频率为系统的基频；
S3、解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；基于偶数阶倍频解调方法标定所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
10.根据权利要求9所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
通过二倍频正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波处理，得到所述偏振调制信号的二倍频解调信号；通过四倍频正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波处理，得到所述偏振调制信号的四倍频解调信号；
基于偶数阶倍频解调方法，采用标准水平线偏振光入射至偏振检测及解调模块，标定所述四倍频解调信号的第一系统参数；采用标准左旋圆偏振光入射至偏振检测及解调模块，标定所述二倍频解调信号的第二系统参数；
通过所述第一系统参数、所述第二系统参数、所述二倍频解调信号、所述四倍频解调信号求解出所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。
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