CN109239404A - 基于全光纤共光路反射式干涉仪的无孔式近场光学显微成像方法 - Google Patents

基于全光纤共光路反射式干涉仪的无孔式近场光学显微成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无孔式近场光学显微成像方法，包括如下步骤：辐照步骤：将激光耦合进波导样品；扫描步骤：用探针扫描所述波导样品；干涉步骤：将参考光和信号光引入同一条光纤路径中发生干涉，其中，所述参考光为所述激光在波导样品端面处的反射光或在所述波导样品之前的布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光在所述波导样品的探针扫描部位处的反射光；以及相干检测步骤：对所述干涉步骤产生的干涉光信号进行相干检测。

Description

基于全光纤共光路反射式干涉仪的无孔式近场光学显微成像 方法
技术领域
本发明属于显微成像领域，尤其涉及一种基于全光纤共光路反射式干涉仪的无孔式近场光学显微成像方法及相应的装置。
背景技术
微纳光学是一门利用精确可控的微纳材料和微纳结构去寻找并应用新奇光学现象的前沿交叉学科。随着纳米尺度的加工和计算能力的迅速发展和普及，完整精确的微纳光场测量并简化这些测量的复杂程度，对推动整个微纳光学技术走向实际应用变得越来越紧迫了。
近场光学显微镜(NSOM,near-field scanning optical microscope)是一类具有高空间分辨率的光学测量设备，它具有打破波长衍射极限的能力，是研究纳米尺度下光与物质相互作用的有效工具。现有的近场光学探针分为有孔式和无孔式两类。其中，无孔式光学探针源于工艺更成熟价格更便宜的原子力显微镜(AFM,atomic force microscope)探针，能够提供更高的空间分辨率和更灵活的探针形貌。但是，相比于可以通过探针头直接收取近场光信号的有孔式近场光学显微镜，无孔式(也叫散射式)近场光学显微镜(scattering-NSOM)需要额外布置自由空间光路来收集探针散射产生的微弱光辐射。这需要用到复杂并且昂贵的远场显微镜和高灵敏探测器，大大影响了这项技术的普及化应用。
人们想到了通过测量波导透射光的功率减少量来表征探针位置处光强的办法。如图1所示为现有的基于透射光功率检测的无孔式近场光学显微成像方法的光路示意图。在该光路中，探针只需将波导中的传输光散射掉就可以了，省去了昂贵的远场显微镜，并且可以实现全光纤化，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高等显著优点，代表了光学仪器发展的必然趋势。然而，这一方法的最大问题在于只能得到光场的强度信息，对光场相位信息不敏感，因此无法实现完整的光场测量。
干涉式测量是获得光场相位信息的常用方法。通常的干涉测量仪包括马赫-曾德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。但是，将上述两种干涉仪应用到全光纤系统中去的时候，光波经过米长度量级的干涉仪两臂的传播，会积累起非常大的相位差。受环境(温度、应力)扰动的影响，在测量过程中，相位差会发生剧烈的漂移。因此，采用全光纤光路的近场光学显微镜的相位测量能力很差，严重影响了对近场光场的完整表征。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种无孔式近场光学显微成像方法，包括如下步骤：
辐照步骤：将激光耦合进波导样品；
扫描步骤：用探针扫描所述波导样品；
干涉步骤：将参考光和信号光引入同一条光纤路径中发生干涉，其中，所述参考光为所述激光在波导样品端面处的反射光或布置在所述波导样品之前的布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光束在所述波导样品的探针扫描部位的反射光；以及
相干检测步骤：对所述干涉步骤产生的干涉光信号进行相干检测。
本发明还提供另一种无孔式近场光学显微成像方法，包括如下步骤：
辐照步骤：采用激光辐照样品；
扫描步骤：用探针扫描所述样品；
干涉步骤：将参考光和信号光引入同一条光纤路径中发生干涉，其中，所述参考光为所述激光在所述样品之前的布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光在所述样品的探针扫描部位的散射光；以及
相干检测步骤：对所述干涉步骤产生的干涉光信号进行相干检测。
根据本发明的无孔式近场光学显微成像方法，优选地，所述相干检测为零差检测或外差检测。
根据本发明的无孔式近场光学显微成像方法，优选地，所述探针为原子力显微镜探针。
本发明还提供了一种无孔式近场光学显微成像装置，包括：
激光源，用于发射激光；
透镜光纤，用于将所述激光耦合入波导样品；
探针，用于扫描所述波导样品；
光导向部件，用于将参考光和信号光引入同一条光纤路径，其中，所述参考光为所述激光束在所述波导样品端面处的反射光，所述信号光为所述激光束在所述波导样品的探针扫描部位的反射光；
光纤路径，用于传输所述参考光和所述信号光；以及
相干检测部件，用于对参考光和信号光的干涉信号进行相干检测。
本发明还提供了另一种无孔式近场光学显微成像装置，包括：
激光源，用于发射激光；
布拉格光纤光栅，用于所述激光的部分透射和部分反射；
透镜光纤，用于将所述激光耦合入波导样品；
探针，用于扫描所述波导样品；
光导向部件，用于将参考光和信号光引入同一条光纤路径，其中，所述参考光为所述激光在所述布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光束在所述波导样品的探针扫描部位的反射光；
光纤路径，用于传输所述参考光和所述信号光；以及
相干检测部件，用于对参考光和信号光的干涉信号进行相干检测。
本发明还提供了又一种无孔式近场光学显微成像装置，包括：
激光源，用于发射激光；
布拉格光纤光栅，用于所述激光的部分透射和部分反射；
透镜光纤，用于将所述激光耦合入样品；
探针，用于扫描所述样品；
光导向部件，用于将参考光和信号光引入同一条光纤路径，其中，所述参考光为所述激光在所述布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光束在所述样品的探针扫描部位的散射光；
光纤路径，用于传输所述参考光和所述信号光；以及
相干检测部件，用于对参考光和信号光的干涉信号进行相干检测。
根据本发明的无孔式近场光学显微成像装置，优选地，所述透镜光纤与所述布拉格光纤光栅熔接在一起。
根据本发明的无孔式近场光学显微成像装置，优选地，所述光导向部件为光纤环形器。
根据本发明的无孔式近场光学显微成像装置，优选地，所述探针为原子力显微镜探针。
根据本发明的无孔式近场光学显微成像装置，优选地，还包括强度调制器，用于改变所述激光源发射的激光的频谱成分，以实现外差检测。
根据本发明的无孔式近场光学显微成像装置，优选地，所述相干检测部件包括探测器和锁相放大器。
根据本发明的无孔式近场光学显微成像装置，优选地，还包括控制箱，用于接收所述锁相放大器的输出信号并控制所述探针。
与现有技术相比，本发明的方法具有鲁棒性、抗相位漂移、紧凑、方便、低成本、高信噪比和高分辨率等优点，适合应用于复杂的纳米光子结构的测量。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据现有的基于透射光功率检测的无孔式近场光学显微成像方法的光路示意图；
图2为根据本发明第一实施例的反射型无孔式近场光学显微成像方法的光路示意图；
图3为图2中虚线环部分的细节放大图；
图4比较了采用现有的光纤基马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和本发明的共光路干涉仪(CPI)的近场光学显微镜在同一波导样品上得到的扫描光场复振幅分布图；
图5为根据本发明第二实施例的反射型无孔式近场光学显微成像方法的部分光路细节图；
图6为根据本发明第三实施例的反射型无孔式近场光学显微成像方法的光路示意图；以及
图7为根据本发明第四实施例的反射型无孔式近场光学显微成像方法的光路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
该第一实施例提供了一种无孔式近场光学显微成像方法，成像对象为波导样品。该方法将现有技术的透射式近场测量方案改进为反射式近场测量方案，图2为该第一实施例的光路示意图。具体方法包括：
单频激光器1输出的激光经过一个偏振控制器2调节偏振状态以适应所要测量的波导中的偏振模式。经过偏振调节的激光经过一个光纤环形器3之后，通过透镜光纤4耦合进波导7。在波导端面处一部分光被反射回透镜光纤，另一部分光进入波导；
用原子力显微镜(AFM)探针8接触波导表面，探针8的三维位置移动和上下抖动频率Ω由压电陶瓷9和控制箱10操纵，控制箱10与负责数据处理的电脑11相连。
图3所示为图2中虚线环部分的细节放大图。当波导中光场的倏逝波与AFM探针8接触时，部分光被探针散射，沿波导原路反射回去。这部分反射光携带了探针尖端处的光场振幅和相位信息，而且受探针抖动频率Ω的调制。在波导端面形成的反射光构成了强度不随时间变化的参考光。对图3所示的绝缘体上硅(silicon-on-insulator)波导样品，实际测量得到的端面反射率大约在1％量级；
在探针尖端处散射的反射光和在波导端面处造成的反射光合并后形成干涉，经过光纤环形器3传至光电探测器5，形成强度调制的电信号；
电信号进入锁相放大器6，在抖动频率Ω下进行解调，得到代表近场光复振幅的信息。
根据本发明的一个实施例，采用本领域熟知的零差检测进行整个信号的处理，包括：
光电探测器6输出的电信号可以表示为近场信号光(Esig)和连续参考光(Eref)干涉之后的强度：
Idet＝|Esig(Ω)+Eref|2
＝|Esig(Ω)|2+2|Eref|·|Esig(Ω)|cos(2φ)+|Eref|2
其中，参考光的复振幅不随时间变化，而信号光的复振幅受探针抖动调制，因此包含了Ω频率成分的Esig(Ω)，2φ是两束光之间的相位差，代表光在波导上一来一回传输造成的相位延迟。在锁相放大器中，可以在探针抖动频率Ω(或者Ω的整数倍频)处对电信号进行解调。实验中的Ω大致为140-250kHz。
前面公式中的第三项不包含调制信号，第一项解调信号太小可以忽略不计。因此，锁相放大器解调输出的信号主要为第二项。它同时包含了近场光的振幅和相位信息
η∝|Eref|·｜Esig(Ω)|cos(2φ)；
将解调得到的信号输出到控制箱，与探针位置信息一起输出给电脑，可以实时显示出完整的近场光分布图。
在本发明所涉及的光路中，除去波导之外，干涉仪的参考臂和信号臂是完全重合的，下文称之为“共光路干涉仪(CPI)”。在干涉仪两臂上积累起来的相位可以通过自补偿的方式互相抵消，这样就最大限度地消除了环境扰动造成的两臂间的相位漂移。为了体现本发明的这一独特优势，发明人将同为反射式收集光路的采用全光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的系统和本发明提出的采用共光路干涉仪的系统应用于同一个波导样品。图4显示了两者得到的扫描近场光学图像。图中的点线代表了波导的轮廓，标尺为1μm。可以看出，现有技术的采用MZI得到的扫描近场光学图像在剧烈的相位漂移影响下质量很差，相位信息极不稳定。而本发明采用的CPI自动补偿技术克服了相位漂移，得到了高质量的近场光学相位测量结果。
经实验测定，本发明构建的系统中的相位漂移速度约为0.05°/s量级，比普通的没有采取环境隔离措施的全光纤马赫-曾德尔式干涉仪的相位漂移速度(～5°/s)低两个数量级以上，比采用了特殊环境隔离措施的马赫-曾德尔式干涉仪系统的相位漂移速度(～0.5°/s)低一个数量级。
第二实施例
在第一实施例所提出的无孔式近场光学显微成像方法中，我们利用波导端面反射来产生参考光。这种方法会受具体波导加工质量的影响，在实际操作中会出现一些不确定性，而且没有办法对干涉仪性能进行优化。鉴于此，发明人提出了另一种无孔式近场光学显微成像方法。与第一实施例的无孔式近场光学显微成像方法的区别在于：将一段半透半反的布拉格光纤光栅12熔接进整个光路，熔接位置尽量离透镜光纤端头近一些，参见图5所示的部分光路细节图。改进后系统中的布拉格光纤光栅12代替波导端面为干涉仪提供了新的参考光。它的强度更加稳定，布拉格光纤光栅可以达到的反射率也更高。忽略掉由波导端面产生的反射贡献，布拉格光纤光栅反射造成的参考光与近场探针反射的信号光干涉叠加，光电探测器产生的电信号在锁相放大器中解调输出(探测器和锁相放大器的设置与图2类似，在图5中未示出)。在该实施例中，布拉格光纤光栅的反射/透射率被优化为33％/67％。该实施例的好处在于，无孔式近场光学显微成像质量不再受具体波导端面质量的影响。同时，经过反射/透射率优化后，系统的解调输出信号大幅提高。相较于第一实施例，解调输出信号的强度提高3～5倍。
第三实施例
在前述两个实施例的方案中，相干检测采用了零差检测法，最终输出的电信号为η∝|Eref|·|Esig(Ω)|cos(2φ)。虽然该输出信号同时包含了振幅和相位信息，但是无法将两者单独输出。鉴于此，本发明人设计了一种利用外差式检测的无孔式近场光学显微成像方法，图6所示为本发明的第三实施例下的无孔式近场光学显微成像方法的光路示意图(图中未示出控制箱和电脑)。其与第一实施例的光路示意图的区别在于：在单频激光器的输出端连接了一个正弦强度调制器13，把激光器的出射光频率从ω转变为ω±Δω(Δω在几百赫兹的数量级，远小于AFM探针的抖动频率Ω，几十万赫兹的数量级)。由于系统中的信号光和参考光来自同一个激光器，光电探测器5中接收到的光强度可以表示为：
其中，第一项信号太弱，第六项调制频率太低(在0频率附近)，第二项和第五项的调制频率同为Ω，两者叠加后会造成相互串扰，第三项和第四项的调制频率分别为Ω+2Δω和Ω-2Δω，相互之间不发生串扰：
η±∝|Eref|·｜Esig|cos[(Ω±2Δω)t+2φ]；
从上述两项中的任意一项都可以独立解调出信号光的振幅和相位：
由上述分析可见，采用外差检测方法，光场的振幅和强度信息可以同时从两个通道输出，无孔式近场光学显微成像系统将同时生成两幅描述光场分布的图像。这对识别微纳光学结构中光场作用的物理本质，进而对这些物理效应进行应用，非常重要。
第四实施例
在该第四实施例中，无孔式近场光学显微镜测量的样品变成了普通的非波导的表面样品。由于失去了波导的帮助，这些样品无法用端面耦合的方式进行照明，上面三个实例中采用的方案不再适用，需要把透镜光纤直接伸到表面样品的侧上方对它进行汇聚光束的照明。同时，透镜光纤还要负责把AFM探针头上产生的背向散射光收集起来，使之与布拉格光纤光栅的反射光进行干涉，通过同一条光纤进入光电探测器，最终在锁相放大器中进行信号解调输出。解调检测的方法与前面实施例中相同。
参见图7所示的光路示意图，样品侧上方的透镜光纤直接对样品进行照明和背向反射光收集。采用透镜光纤而不用自由空间光学透镜，可以使整个系统的体积更小，更便于光路布置。而且，这样的结构允许使用数值孔径很高的汇聚光对样品进行局部照明。由于高数值孔径就意味着汇聚透镜必须与样品之间的距离非常近，这也是限制自由空间光路布置的重要因素。
在本发明中，光纤环形器用于将前向光与反向光分隔开来。该功能也可以用本领域公知的其他光纤器件(比如2×2定向耦合器)来代替。
根据本发明的其他实施例，根据需要调节布拉格光纤光栅的透射反射比。
本发明融合了扫描探针显微镜技术、共光路干涉测量技术和丰富便宜的光纤功能器件。用反射式光路提取出光场的相位信息，用共光路干涉仪自动抑制环境干扰造成的相位漂移，用端面反射或者布拉格光纤光栅反射提供强度合适的参考光。本发明的方法具有鲁棒性、抗相位漂移、紧凑、方便、低成本、高信噪比和高分辨率等优点，适合应用于复杂的纳米光场的测量。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种无孔式近场光学显微成像方法，包括如下步骤：
辐照步骤：将激光耦合进波导样品；
扫描步骤：用探针扫描所述波导样品；
干涉步骤：将参考光和信号光引入同一条光纤路径中发生干涉，其中，所述参考光为所述激光在波导样品端面处的反射光或布置在所述波导样品之前的布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光在所述波导样品的探针扫描部位的反射光；以及
相干检测步骤：对所述干涉步骤产生的干涉光信号进行相干检测。
2.一种无孔式近场光学显微成像方法，包括如下步骤：
辐照步骤：采用激光辐照样品；
扫描步骤：用探针扫描所述样品；
干涉步骤：将参考光和信号光引入同一条光纤路径中发生干涉，其中，所述参考光为所述激光在所述样品之前的布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光在所述样品的探针扫描部位的散射光；以及
相干检测步骤：对所述干涉步骤产生的干涉光信号进行相干检测。
3.根据权利要求1或2所述的无孔式近场光学显微成像方法，其中，所述相干检测为零差检测或外差检测。
4.根据权利要求1或2所述的无孔式近场光学显微成像方法，其中，所述探针为原子力显微镜探针。
5.一种无孔式近场光学显微成像装置，包括：
激光源，用于发射激光；
透镜光纤，用于将所述激光耦合入波导样品；
探针，用于扫描所述波导样品；
光导向部件，用于将参考光和信号光引入同一条光纤路径，其中，所述参考光为所述激光束在所述波导样品端面处的反射光，所述信号光为所述激光束在所述波导样品的探针扫描部位的反射光；
光纤路径，用于传输所述参考光和所述信号光；以及
相干检测部件，用于对参考光和信号光的干涉信号进行相干检测。
6.一种无孔式近场光学显微成像装置，包括：
激光源，用于发射激光；
布拉格光纤光栅，用于所述激光的部分透射和部分反射；
透镜光纤，用于将所述激光耦合入波导样品；
探针，用于扫描所述波导样品；
光导向部件，用于将参考光和信号光引入同一条光纤路径，其中，所述参考光为所述激光在所述布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光在所述波导样品的探针扫描部位的反射光；
光纤路径，用于传输所述参考光和所述信号光；以及
相干检测部件，用于对参考光和信号光的干涉信号进行相干检测。
7.一种无孔式近场光学显微成像装置，包括：
激光源，用于发射激光；
布拉格光纤光栅，用于所述激光的部分透射和部分反射；
透镜光纤，用于将所述激光耦合入样品；
探针，用于扫描所述样品；
光导向部件，用于将参考光和信号光引入同一条光纤路径，其中，所述参考光为所述激光在所述布拉格光纤光栅处的反射光，所述信号光为所述激光束在所述样品的探针扫描部位的散射光；
光纤路径，用于传输所述参考光和所述信号光；以及
相干检测部件，用于对参考光和信号光的干涉信号进行相干检测。
8.根据权利要求6或7所述的无孔式近场光学显微成像装置，其中，所述透镜光纤与所述布拉格光纤光栅熔接在一起。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的无孔式近场光学显微成像装置，其中，所述光导向部件为光纤环形器。
10.根据权利要求5-7中任一项所述的无孔式近场光学显微成像装置，还包括强度调制器，用于改变所述激光源发射的激光的频谱成分，以实现外差检测。
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