CN114460674B - 一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，包括主控模块，主控模块的控制输出端分别与表面等离激元寻址模块、激光光源模块、偏振控制模块、光寻址模块连接，信号接收端与图像处理模块连接，表面等离激元寻址模块与表面等离激元调制模块连接，激光光源模块与偏振控制模块连接，偏振控制模块与光寻址模块连接，光寻址模块与表面等离激元调制模块连接，表面等离激元调制模块与图像采集模块连接，图像采集模块与图像处理模块连接。本发明能够获取基于表面等离激元调制模块调制输出的控制反馈信号，通过一次或者多次的闭环循环控制，实现表面等离激元调制模块调制效果的精准控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统和方法，可应用于表面等离激元纳米结构的闭环控制调制，是一种精度高、可寻址、自动化程度高的闭环控制调制系统，属于表面等离激元、光学、材料学及计算机等交叉技术领域。
背景技术
据了解，上世纪传统光学传输原理和激光技术对推进信息科学的发展起到了巨大作用，随着现代信息科学的急速发展，纯电子学器件由于受到自身的固有局限已难以满足传输与存储所需的高数据流，而光子具有无静止质量，信号传输快，易实现多路通信等特点，并且彼此独立相互无干扰，不同频率可实现多路通信等优异特性，使光信息技术在带宽和速率上取得显著革新，成为新一代信息传递的理想载体。
当前，在光子器件进一步向小型化和大容量方向发展的过程中，更小尺度下，以更快的速度进行信息处理的新原理、新方法及其微型化光子集成已成为新一代信息科学研究的重点。但是传统光学器件却受到了传统全内反射导光原理的局限和聚焦光束衍射极限尺度的限制，由于受到衍射极限的局限难以在纳米级领域实现器件的小型化和集成化，这严重阻碍了光信息处理的发展。近30年来，半导体制备技术的日趋成熟，为精细微纳结构的实现奠定了实验基础；计算机电磁仿真科学的不断进步，为亚波长电磁响应的分析提供了理论指导。这些变化有力地推进了微纳光学领域的发展，其延伸分支表面等离激元学的出现也为解决衍射极限的难题指明了切实途径。表面等离极化激元(surface plasmonpolaritons，SPP)具有可突破衍射极限限制的优势，被认为是实现新一代集成微纳光子器件最前途的载体之一。
表面等离激元(Surface Plasmons, SPs)存在于介电常数实域符号相反的材料交界，是由入射光场耦合形成的非定域化自由电子集体震荡的电磁模式。从表现形式上主要分为表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)和局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)两类。前者多发生在金属/介质界面，表现为金属中运动电子和介质内电磁场的互耦模式；后者主要源自光场与金属微纳颗粒间的相互作用，其本质为入射光子与表面电子谐振频率匹配引起的能量相干效应。表面等离极化激元具有以下几个显著特点：首先，SPP具有倏逝波特性，可将光场能量约束在亚波长的空间尺度，突破衍射极限，这为近场纳米光刻、超分辨成像、多位信息存储和集成光路等领域的发展注入了崭新活力。其次，SPP在保持反应界面强约束作用的同时引发了显著的场增强效应，这在表面增强拉曼散射，生物荧光标记和非线性材料等研究中具有极高的应用价值。最后，SPP拥有独特的色散表现和介质环境敏感性，通过改变结构几何形貌、介电材料和空间排布等固有属性，即可对电磁波的振幅、偏振、相位等特性实现多方面调控。
综上所述，对可调控的表面等离激元纳米结构研究工作的开展，有助于未来进行纳米结构在光调制、光学传感及超高密度光电集成等领域中的深入研究，具有较好的研究意义和应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统和方法，采用该系统和方法能够实现表面等离激元调制系统的精准闭环控制调制。
本发明提供一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，包括主控模块、激光光源模块、偏振控制模块、表面等离激元调制模块、光寻址模块、表面等离激元寻址模块、图像采集模块和图像处理模块；所述主控模块的控制输出端分别与表面等离激元寻址模块、激光光源模块、偏振控制模块、光寻址模块的控制输入端连接，信号接收端与图像处理模块的数据输出端连接，所述表面等离激元寻址模块的控制输出端与表面等离激元调制模块的控制输入端连接，所述激光光源模块的信号输出端与偏振控制模块的信号输入端连接，所述偏振控制模块的信号输出端与光寻址模块的信号输入端连接，所述光寻址模块的信号输出端与表面等离激元调制模块的信号输入端连接，所述表面等离激元调制模块的信号输出端与图像采集模块的信号输入端连接，所述图像采集模块的信号输出端与图像处理模块的信号输入端连接。
本发明的主控制器控制光寻址模块及表面等离激元寻址模块产生光信号至表面等离激元调制模块，利用图像采集装置获取光信号，并传输至图像处理模块进行数据处理，并由主控计算机计算获取表面等离激元调制模块的调制信息，作为控制表面等离激元寻址模块、激光光源模块、偏振控制模块、光寻址模块的控制信号的产生判据，相比于传统的人工检测、激光光斑位置检测等检测方法，能够获得基于表面等离激元调制模块传播损耗的更准确的调制模块控制反馈信号，通过一次或者多次的闭环循环控制，最终实现表面等离激元调制模块的精准控制。
本发明进一步优化的技术方案如下所示：
优选地，所述偏振控制模块可在外加电场、光场或者温度场控制下实现对入射光偏振状态的控制，得到线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和非偏振光。
优选地，所述表面等离激元调制模块为可激发表面等离激元效果的纳米结构。
优选地，所述光寻址模块为光学元件，包括相位调制器件、数字微镜阵列、光栅或透镜阵列、透镜、平面镜、扫描振镜以及分光镜及其组合。
优选地，所述表面等离激元寻址模块为位移平台、透镜组以及扫描振镜及其他可使所述表面等离激元调制模块移动的装置。
优选地，所述图像采集模块包括光电探测器、图像采集相机、镜头和辅助装置，所述图像采集相机通过辅助装置调节镜头位置、俯仰角及旋转角。
优选地，所述图像处理模块可调节处理所述图像采集模块所采集的图像，包括所得图像的颜色、形状及其他图像数据。
本发明还提供一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制方法，包括以下步骤：
步骤1、主控模块发出控制信号K1至表面等离激元寻址模块实现对表面等离激元调制模块的控制；
步骤2、主控模块输出控制信号K2至激光光源模块，产生光信号S1，传输至偏振控制模块；
步骤3、主控模块产生控制信号K3控制偏振控制模块，偏振控制模块接收到光信号S1后在主控模块的控制信号K3作用下产生光信号S2，传输至光寻址模块；
步骤4、主控模块产生控制信号K4控制光寻址模块，光寻址模块接收到光信号S2后在主控模块的控制信号K4作用下产生光信号S3，并传输至表面等离激元调制模块；
步骤5、表面等离激元调制模块接收到光信号S3后生成光信号S4；
步骤6、图像采集模块采集表面等离激元调制模块输出的光信号S4，并传输至图像处理模块；
步骤7、图像处理模块处理接收的光信号S4并对光信号S4进行处理，将处理结果传输至主控模块；
步骤8、主控模块对接收的数据进行处理，获取表面等离激元调制模块的调制数据及控制信号。
上述的激光光源模块由主控模块控制产生光信号S1传输至偏振控制模块上，偏振控制模块经主控模块计算输出光信号S2至光寻址模块中并输出光信号S3；由图像采集模块采集表面等离激元调制模块上的光信号S4，主控模块对采集得到的光信号S4进行处理，获得表面等离激元调制模块的调制效果，并计算得到控制信号，再将控制信号传递至激光光源模块、偏振控制模块、光寻址模块、表面等离激元寻址模块中，精准控制表面等离激元调制模块的调制效果。
上述闭环控制过程可以是一次闭环控制或者多次循环闭环控制，最终实现表面等离激元调制模块预期的调制效果的精准控制。
本发明的有益效果如下：
（1）通过主控模块实现激光光源的产生、对表面等离激元调制模块的实时检测、光信号实时处理、控制信号实时计算和传输，有利于可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统的小型化、集成化；
（2）通过计算机算法生成的光信号具有良好的可编程性，在图像采集时可以显著提升信噪比，减小环境光等因素带来的干扰；
（3）图像处理模块优势在于高精度，通过提高已知图案的信息密度和信息捕获相机的像素可以方便地提高重建模型的分辨率，从而提高反馈信号的精确性；
（4）在一个闭环周期内，系统完成了激光相位偏移、图像采集、图像处理、信号反馈四个步骤，网络响应时间快，极大地提高了可寻址的表面等离激元闭环控制调制的效率；
（5）可多次循环该闭环控制系统，多次迭代控制表面等离激元调制模块输出，从而最终获得调制效果的精准控制。
本发明能够获取基于表面等离激元调制模块调制输出的控制反馈信号，通过一次或者多次的闭环循环控制，实现表面等离激元调制模块调制效果的精准控制。
附图说明
图1为本发明的系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。
本实施例提出了一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，如图1所示，包括主控模块1、激光光源模块2、偏振控制模块3、表面等离激元调制模块4、光寻址模块5、表面等离激元寻址模块6、图像采集模块7和图像处理模块8。其中偏振控制模块3可在外加电场、光场或者温度场控制下实现对入射光偏振状态的控制，得到线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和非偏振光；表面等离激元调制模块4为可激发表面等离激元效果的纳米结构；光寻址模块5为光学元件，包括相位调制器件、数字微镜阵列、光栅或透镜阵列、透镜、平面镜、扫描振镜以及分光镜及其组合；表面等离激元寻址模块6为位移平台、透镜组以及扫描振镜及其他可使所述表面等离激元调制模块移动的装置；图像采集模块7包括光电探测器、图像采集相机、镜头和辅助装置，图像采集相机通过辅助装置调节镜头位置、俯仰角及旋转角；图像处理模块8可调节处理所述图像采集模块所采集的图像，包括所得图像的颜色、形状及其他图像数据。
主控模块1的控制输出端分别与激光光源模块2、偏振控制模块3、光寻址模块5、表面等离激元寻址模块6的控制输入端连接，信号接收端与图像处理模块8的数据输出端连接，表面等离激元寻址模块6的控制输出端与表面等离激元调制模块4的控制输入端连接，激光光源模块2的信号输出端与偏振控制模块3的信号输入端连接，偏振控制模块3的信号输出端与光寻址模块5的信号输入端连接，光寻址模块5的信号输出端与表面等离激元调制模块4的信号输入端连接，表面等离激元调制模块4的信号输出端与图像采集模块7的信号输入端连接，图像采集模块7的信号输出端与图像处理模块8的信号输入端连接。
一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制方法，具体包括以下步骤：
步骤1、主控模块1发出控制信号K1至表面等离激元寻址模块6实现对表面等离激元调制模块4的控制；
步骤2、主控模块1输出控制信号K2至激光光源模块2，产生光信号S1，传输至偏振控制模块3；
步骤3、主控模块1产生控制信号K3控制偏振控制模块3，偏振控制模块3接收到光信号S1后在主控模块1的控制信号K3作用下产生光信号S2，传输至光寻址模块5；
步骤4、主控模块1产生控制信号K4控制光寻址模块5，光寻址模块5接收到光信号S2后在主控模块1的控制信号K4作用下产生光信号S3，并传输至表面等离激元调制模块4；
步骤5、表面等离激元调制模块4接收到光信号S3后进行调制控制生成光信号S4；
步骤6、图像采集模块7采集表面等离激元调制模块4输出的光信号S4，并传输至图像处理模块8；
步骤7、图像处理模块8处理接收的光信号S4并将处理结果传输至主控模块1；
步骤8、主控模块1对接收的数据进行处理，获取表面等离激元调制模块4的调制数据及控制信号K1、K2、K3、K4，并将控制信号K1发送到表面等离激元寻址模块6，控制信号K2发送到激光光源模块2，控制信号K3发送到偏振控制模块3，控制信号K4发送到光寻址模块5来控制表面等离激元调制模块4的调制效果，通过一次或者多次的闭环循环控制，实现表面等离激元调制模块4调制效果的精准控制。
本发明可寻址表面等离激元闭环控制调制方法和系统的工作原理如下：
系统主控模块1的控制端通过表面等离激元寻址模块6连接表面等离激元调制模块4的受控端；激光光源模块2由主控模块1控制产生光信号S1传输至偏振控制模块3；偏振控制模块3接收到光信号S1并在主控模块1的控制下产生光信号S2；光寻址模块5接收到光信号S2并在主控模块1的控制下产生光信号S3，并传输至表面等离激元调制模块4并生成光信号S4；图像采集模块7采集表面等离激元调制模块4输出的光信号S4，并传输至图像处理模块8；主控模块1对图像处理模块8输出的光信号S4进行处理，获取表面等离激元调制模块4的调制数据及控制信号，并将控制信号K1发送到表面等离激元寻址模块6，控制信号K2发送到光寻址模块5，控制信号K3发送到激光光源模块2，控制信号K4发送到偏振控制模块3来控制表面等离激元调制模块4的调制效果。本发明能够获取基于表面等离激元调制模块调制输出的控制反馈信号，通过一次或者多次的闭环循环控制，实现表面等离激元调制模块调制效果的精准控制。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，其特征在于：包括主控模块、激光光源模块、偏振控制模块、表面等离激元调制模块、光寻址模块、表面等离激元寻址模块、图像采集模块和图像处理模块；所述主控模块的控制输出端分别与表面等离激元寻址模块、激光光源模块、偏振控制模块、光寻址模块的控制输入端连接，信号接收端与图像处理模块的数据输出端连接，所述表面等离激元寻址模块的控制输出端与表面等离激元调制模块的控制输入端连接，所述激光光源模块的信号输出端与偏振控制模块的信号输入端连接，所述偏振控制模块的信号输出端与光寻址模块的信号输入端连接，所述光寻址模块的信号输出端与表面等离激元调制模块的信号输入端连接，所述表面等离激元调制模块的信号输出端与图像采集模块的信号输入端连接，所述图像采集模块的信号输出端与图像处理模块的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，其特征在于：所述偏振控制模块可在外加电场、光场或者温度场控制下实现对入射光偏振状态的控制，得到线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和非偏振光。
3.根据权利要求1所述一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，其特征在于：所述表面等离激元调制模块为可激发表面等离激元效果的纳米结构。
4.根据权利要求1所述一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，其特征在于：所述光寻址模块包括相位调制器件、数字微镜阵列、光栅或透镜阵列、透镜、平面镜、扫描振镜以及分光镜。
5.根据权利要求1所述一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，其特征在于：所述表面等离激元寻址模块为位移平台、透镜组以及扫描振镜。
6.根据权利要求1所述一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，其特征在于：所述图像采集模块包括光电探测器、图像采集相机。
7.根据权利要求1所述一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制系统，其特征在于：所述图像处理模块可调节处理所述图像采集模块所采集的图像，包括所得图像的颜色、形状及其他图像数据。
8.如权利要求1至7任一项所述一种可寻址的表面等离激元闭环控制调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、主控模块发出控制信号K1至表面等离激元寻址模块实现对表面等离激元调制模块的控制；
步骤2、主控模块输出控制信号K2至激光光源模块，产生光信号S1，传输至偏振控制模块；
步骤3、主控模块产生控制信号K3控制偏振控制模块，偏振控制模块接收到光信号S1后在主控模块的控制信号K3作用下产生光信号S2，传输至光寻址模块；
步骤4、主控模块产生控制信号K4控制光寻址模块，光寻址模块接收到光信号S2后在主控模块的控制信号K4作用下产生光信号S3，并传输至表面等离激元调制模块；
步骤5、表面等离激元调制模块接收到光信号S3后生成光信号S4；
步骤6、图像采集模块采集表面等离激元调制模块输出的光信号S4，并传输至图像处理模块；
步骤7、图像处理模块处理接收的光信号S4并对光信号S4进行处理，将处理结果传输至主控模块；
步骤8、主控模块对接收的数据进行处理，获取表面等离激元调制模块的调制数据及控制信号。
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2022
- 2022-01-25 CN CN202210087303.6A patent/CN114460674B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114460674A (zh) | 2022-05-10 |
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