CN114509406A - 用于高通量材料表征的二维扫描系统及测量方法 - Google Patents

用于高通量材料表征的二维扫描系统及测量方法 Download PDF

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CN114509406A CN202011279484.XA CN202011279484A CN114509406A CN 114509406 A CN114509406 A CN 114509406A CN 202011279484 A CN202011279484 A CN 202011279484A CN 114509406 A CN114509406 A CN 114509406A
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岳洋
王晓妍
胡家赫
许天旭
王志
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Nankai University
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials

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Abstract

用于高通量材料表征的二维扫描系统与方法，应用于高通量材料表征与扫描领域。本发明提出了三种不同的二维扫描系统与方法，其均由激光器、高效分光单元、样品、光电探测器组成，实现高采样速度、大数据量、高空间/时间分辨率的材料扫描。基于空间逐点法的二维扫描系统，采用单一MEMS镜和二维1×n2 MEMS镜的组合对样本进行逐点扫描；基于空间并行法的二维扫描系统，利用两个二维1×n2 MEMS镜的组合进行并行扫描；基于空时‑并串转换法的二维扫描系统，利用空间扩散/分散器和时域分散器进行二维扫描。三种方法均能用于高通量材料表征技术，基于MEMS的时间到二维空间映射的扫描系统和基于空间扩散/分散器的直接映射到二维空间的扫描系统均能使扫描速度大幅度提升。

Description

用于高通量材料表征的二维扫描系统及测量方法
技术领域
本发明涉及三种用于材料表征的二维扫描方法，具体涉及利用MEMS反射镜或空间扩散/分散器进行二维扫描以进行高通量材料表征，属于高通量材料表征与扫描技术领域。
背景技术
高通量材料是指一次制备出大量包含不同组分的材料样品，通过并行处理的方法，快速获取不同材料的组分、微观结构和宏观性能等数据，从而建立三者的映射关系，最终实现快速的材料优选。经过40年的发展。材料高通量制备与表征技术已取得了较大的进展，并被证明可有效地加速材料研发的进程，因此被列为材料基因组计划的三大技术要素之一。
在制备出高通量材料后，下一步工作是对材料性能参数进行测量，从而获得材料组分-宏观性能参数的映射表。
目前，基于光学方法的高通量表征技术蓬勃发展。如美国集成微区x射线荧光和衍射系统，开发了微区瞬逝微波探针显微镜，空间分辨率达10μm，可以同时检测高通量材料的成分和结构。美国马里兰大学的教授报告了基于椭偏面成像技术的整列样品表征方法，可实现对阵列样品厚度、折射率的高通量表征。除了面成像椭偏分析技术外，激光椭偏仪、阴极荧光计等均可实现高通量微区光学性质表征。
微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，指尺寸在几毫米乃至更小的装置，是一个独立的智能系统。MEMS微镜是指采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。
二维空间扩散/分散器能够将入射的宽带光转换成二维空间光谱模式中的光束，通常称为光谱簇射。它在二维空间坐标和光波长之间创建了一个一对一的映射。
本发明的根本目的是利用MEMS反射镜或二维空间扩散/分散器进行二维扫描以进行高通量材料表征则可以实现高采样速度、大数据量、高空间/时间分辨率的材料扫描。
发明内容
本发明的目的是提出用于高通量材料表征的二维扫描系统及测量方法。
本发明提出了用于高通量材料表征的三种二维扫描系统，其均由激光器、高效分光单元、样品、光电探测器组成，通过快速扫描实现高通量探测。
本发明的关键是，利用MEMS反射镜或空间扩散/分散器，设计从时间到二维空间转换和频率到二维空间转换的扫描系统，使扫描系统的速度大幅提升。
本发明采用的技术方案具体为：
一种基于空间逐点法的二维扫描系统，包括：
激光器，作为扫描系统的光源；
第一准直器，位于与激光器相连接的光纤后，用于将光纤传输的激光准直为自由空间平行光；
第一
Figure BDA0002780274140000021
波片，位于第一准直器后，用于改变激光光束的偏振方向；
偏振分束器，位于第一
Figure BDA0002780274140000022
波片后，用于改变样品反射的光束的传播方向，便于光电探测器接收；
第二
Figure BDA0002780274140000023
波片，位于偏振分束器后，用于改变从偏振分束器出射的光束的偏振方向以及改变样品反射的光束的偏振方向；
单MEMS反射镜，位于第二
Figure BDA0002780274140000031
波片后，用于控制激光光束的方向，使激光光束入射到二维1×n2 MEMS反射镜的不同位置；
二维1×n2 MEMS反射镜，用于接收由单MEMS反射镜出射的激光光束，使光束能垂直入射到样品上并返回；
样品，位于二维1×n2 MEMS反射镜下方，待进行高通量表征的材料；
第二准直器，位于偏振分束器反射光束出射的方向，用于将样品反射的自由空间平行光输入光纤并传输给光电探测器；
光电探测器，位于第二准直器后，用于接收从样品上返回的光信号；
该系统由单MEMS反射镜和二维1×n2 MEMS反射镜的组合进行扫描，其工作步骤如下：
步骤一：按光路搭建上述二维扫描系统。
步骤二：控制单MEMS反射镜的转动方向，使激光光束入射到二维1×n2MEMS反射镜的某一镜片上。
步骤三：调整二维1×n2 MEMS反射镜的角度，使激光光束垂直入射到对应的样品点上。
步骤四：样品点的反射光依次通过二维1×n2 MEMS反射镜、单MEMS反射镜、第二
Figure BDA0002780274140000032
波片，偏振分束器，从偏振分束器反射方向出射，被第二准直器接收并传输给光电探测器。
步骤五：光电探测器接收样品点的反射光。
步骤六：控制单MEMS反射镜的转动方向，使激光光束按照一定逐点扫描的方式入射到二维1×n2 MEMS反射镜不同位置的镜片上，并重复步骤三至步骤五。
一种基于空间并行法的二维扫描系统，包括：
激光器，作为扫描系统的光源；
1×N光纤分束器，位于激光器后，用于将一束激光分为1×N束；
N个1×M光纤分束器组，位于1×N光纤分束器后，用于将1×N束激光分为M×N束；
第一M×N准直器组，位于N个1×M光纤分束器组后，用于将光纤中传输的激光准直为自由空间平行光；
第一
Figure BDA0002780274140000041
波片，位于第一M×N准直器组后，用于改变激光光束的偏振方向；
偏振分束器，位于第一
Figure BDA0002780274140000042
波片后，用于改变样品反射的光束的传播方向，便于光电探测器接收；
第二
Figure BDA0002780274140000043
波片，位于偏振分束器后，用于改变从偏振分束器出射的光束的偏振方向以及样品反射光束的偏振方向；
第一二维1×n2 MEMS反射镜，位于第二
Figure BDA0002780274140000044
波片后，用于控制激光光束的方向，使M×N束激光光束入射到第二二维1×n2 MEMS反射镜的对应镜片上；
第二二维1×n2 MEMS反射镜，用于接收由第一二维1×n2 MEMS反射镜出射的M×N束激光光束，使光束能垂直入射到样品上；
样品，位于二维1×n2 MEMS反射镜下方，待进行高通量表征的材料；
第二M×N准直器组，位于偏振分束器反射方向，用于将样品反射的M×N束自由空间平行光输入光纤并传输给光电探测器；
M×N光电探测器组，位于第二M×N准直器后，用于接收从样品上返回的光信号；
该系统由第一二维1×n2 MEMS镜和第二二维1×n2 MEMS镜的组合进行并行扫描，其工作步骤如下：
步骤一：按光路搭建上述二维扫描系统。
步骤二：通过控制第一二维1×n2 MEMS反射镜的镜片方向，使M×N束激光光束入射到第二二维1×n2 MEMS反射镜对应位置的镜片上，通过第二二维1×n2 MEMS反射镜的反射，使激光光束入射到对应的样品点上。
步骤三：样品点的反射光依次通过第二二维1×n2 MEMS反射镜、第一二维1×n2MEMS反射镜、第二
Figure BDA0002780274140000051
波片，偏振分束器，从偏振分束器反射方向出射，被第二M×N准直器组接收并传输给M×N光电探测器组。
步骤四：M×N光电探测器组接收样品点反射光。
一种基于空时-并串转换法的二维扫描系统，包括：
激光器，作为扫描系统的光源；
环形器，位于激光器后，用于控制激光传输方向；
空间扩散/分散器，位于环形器后，用于将激光器发射的一束激光扩展为一系列二维空间光谱模式中的平行光束；
样品，位于空间分散器后，待进行高通量表征的材料；
时域分散器，位于环形器另一出口后，用于接收样品反射的激光，并将其在时域上进行分散；
探测器，位于时域分散器后，用于接收从样品上返回的光信号。
该系统主要由空间分散器进行扫描，其工作步骤如下：
步骤一：按光路搭建上述二维扫描系统。
步骤二：激光从环形器的一口进入，从环形器对应的一口出射，经过空间扩散/分散器变为二维空间的激光阵列照射到样品上。
步骤三：从样品反射回的激光阵列通过空间扩散/分散器变为一束激光，从环形器对应的一口入射，从环形器对应的另一口出射。
步骤四：激光光束通过时域分散器，被光电探测器接收。
本发明的优点和有益效果
本发明提出了三种不同的二维扫描系统和方法，分别为基于空间逐点法的二维扫描系统，基于空间并行法的二维扫描系统和基于空时-并串转换法的二维扫描系统。三种方法均能用于高通量材料表征技术，基于MEMS镜的时间到二维空间的扫描系统和基于空间分散器的直接映射到二维空间的扫描系统均能使扫描速度大幅度提升。
附图说明
图1是基于空间逐点法的二维扫描系统的光路图。
图中，激光器101，第一准直器102a，第一
Figure BDA0002780274140000061
波片103a，偏振分束器104，第二
Figure BDA0002780274140000062
波片103b，单MEMS反射镜105，二维1×n2 MEMS反射镜106，样品107，第二准直器102b，光电探测器108。
其中激光器101、第一准直器102a之间用光纤连接，第二准直器102b、光电探测器109之间用光纤连接。
图2是基于空间逐点法的二维扫描系统的扫描顺序图。
图中，扫描时间顺序201，点tmn表示时间点，箭头方向表示扫描顺序，扫描空间顺序202，点Pmn表示样本点，箭头方向表示扫描顺序。
图3是基于空间并行法的二维扫描系统的光路图。
图中，激光器301，1×N光纤分束器302，N个1×M光纤分束器组303，第一M×N准直器组304a，第一
Figure BDA0002780274140000071
波片305a，偏振分束器306，第二
Figure BDA0002780274140000072
波片305b，第一二维1×n2 MEMS反射镜307a，第二二维1×n2 MEMS反射镜307b，样品308，第二M×N准直器组304b，M×N光电探测器组309。
其中，激光器301、激光器301、1×N光纤分束器302、N个1×M光纤分束器组303、第一M×N准直器组304a之间用光纤连接，第二M×N准直器组304b、M×N光电探测器组309之间用光纤连接。
图4是基于空时-并串转换法的二维扫描系统的流程图。
图中，激光器401，环形器402，空间扩散/分散器403，样品404，时域分散器405，光电探测器406。
图5是基于空时-并串转换法的二维扫描系统探测器的探测时序图。
图中，探测脉冲强度501。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：
实施例1：
本方法是基于MEMS镜进行的材料表征的而二维扫描装置。图1是基于空间逐点法的二维扫描系统的光路图。通过MEMS镜的转动来进行高通量材料表征。
步骤一：根据图1中的光路依次搭建由激光器101，第一准直器102a，第一
Figure BDA0002780274140000073
波片103a，偏振分束器104，第二
Figure BDA0002780274140000074
波片103b，单MEMS反射镜105，二维1×n2 MEMS反射镜106，样品107，第二准直器102b，光电探测器108构成的二维扫描系统。
步骤二：控制单MEMS反射镜105的转动方向，使激光光束入射到二维1×n2 MEMS反射镜106的某一镜片上。
步骤三：调整二维1×n2 MEMS反射镜106的角度，使激光光束垂直入射到样品107对应点上。
步骤四：样品107的反射光依次通过二维1×n2 MEMS反射镜106、单MEMS反射镜105、第二
Figure BDA0002780274140000081
波片103b，偏振分束器104，从偏振分束器104的反射方向出射，被第二准直器102b接收并传输给光电探测器108。
步骤五：光电探测器108接收样品107的反射光。
步骤六：控制单MEMS反射镜105的转动方向，使激光光束按照图2由扫描顺序202依次入射到二维1×n2 MEMS反射镜106不同位置的镜片上，对样品点201进行扫描，并重复步骤三至步骤五。
实施例2：
本方法是基于空间并行法的二维扫描系统，用于材料表征技术，如图3是该系统的光路图。
步骤一：根据图3所示的光路，依次搭建由激光器301，1×N光纤分束器302，N个1×M光纤分束器组303，第一M×N准直器组304a，第一
Figure BDA0002780274140000082
波片305a，偏振分束器306，第二
Figure BDA0002780274140000083
波片305b，第一二维1×n2 MEMS反射镜307a，第二二维1×n2 MEMS反射镜307b，样品308，第二M×N准直器组304b，M×N光电探测器组309构成的二维扫描系统。
步骤二：通过控制第一二维1×n2 MEMS反射镜307a的镜片方向，使M×N束激光光束入射到第二二维1×n2 MEMS反射镜307b对应位置的镜片上，通过第二二维1×n2 MEMS反射镜307b的反射，使激光光束入射到样品308的对应点上。
步骤三：样品308的反射光依次通过第二二维1×n2 MEMS反射镜307b、第一二维1×n2 MEMS反射镜307a、第二
Figure BDA0002780274140000091
波片305b，偏振分束器306，从偏振分束器306反射方向出射，被第二M×N准直器组304b接收并传输给M×N光电探测器组309。
步骤四：M×N光电探测器组309接收样品308的反射光。
实施例3：
本方法是基于空时-并串转换法的用于材料表征的二维扫描系统。如图4所示。图5是基于基于空时-并串转换法的二维扫描系统中探测器的探测时序图。
步骤一：根据图4中的光路依次搭建由激光器401，环形器402，空间扩散/分散器403，样品404，时域分散器405，光电探测器406构成的二维扫描系统。
步骤二：激光从环形器402的一口进入，从环形器402对应的一口出射，经过空间扩散/分散器403变为二维空间的激光阵列照射到样品404上。
步骤三：从样品404反射回的激光阵列通过空间扩散/分散器403变为一束激光，从环形器402对应的一口入射，从环形器402对应的另一口出射。
步骤四：激光光束通过时域分散器403，被分散为图5中的一系列强度脉冲501，被光电探测器406接收。

Claims (11)

1.用于高通量材料表征的三种二维扫描系统，其均由激光器、高效分光单元、样品、光电探测器组成，通过快速扫描实现高通量探测。
2.根据权利要求1所述的二维扫描系统，其中一种基于空间逐点法，其特征包括：
由激光器、第一准直器、第一
Figure FDA0002780274130000011
波片、偏振分束器、第二
Figure FDA0002780274130000012
波片、单MEMS反射镜、二维1×n2MEMS反射镜、样品、第二准直器、光电探测器组成。该系统由单MEMS反射镜和二维1×n2MEMS反射镜的组合进行扫描，作为本系统的高效分光单元。
3.根据权利求2所述的基于空间逐点法的二维扫描系统，其特征包括：
激光器，作为扫描系统的光源；
第一准直器，位于与激光器相连接的光纤后，用于将光纤传输的激光准直为自由空间平行光；
第一
Figure FDA0002780274130000013
波片，位于第一准直器后，用于改变激光光束的偏振方向；
偏振分束器，位于第一
Figure FDA0002780274130000014
波片后，用于改变样品反射的光束的传播方向，便于光电探测器接收；
第二
Figure FDA0002780274130000015
波片，位于偏振分束器后，用于改变从偏振分束器出射的光束的偏振方向以及改变样品反射的光束的偏振方向；
单MEMS反射镜，位于第二
Figure FDA0002780274130000016
波片后，用于控制激光光束的方向，使激光光束入射到二维1×n2MEMS反射镜的不同位置；
二维1×n2MEMS反射镜，用于接收由单MEMS反射镜出射的激光光束，使光束能垂直入射到样品上并返回；
样品，位于二维1×n2MEMS反射镜下方，待进行高通量表征的材料；
第二准直器，位于偏振分束器反射光束出射的方向，用于将样品反射的自由空间平行光输入光纤并传输给光电探测器；
光电探测器，位于第二准直器后，用于接收从样品上返回的光信号。
4.一种基于空间逐点的二维扫描方法，其特征包括以下步骤：
步骤一：搭建权利要求1中的二维扫描系统。
步骤二：控制单MEMS反射镜的转动方向，使激光光束入射到二维1×n2MEMS反射镜的某一镜片上。
步骤三：调整二维1×n2MEMS反射镜的角度，使激光光束垂直入射到对应的样品点上。
步骤四：样品点的反射光依次通过二维1×n2MEMS反射镜、单MEMS反射镜、第二
Figure FDA0002780274130000021
波片，偏振分束器，从偏振分束器反射方向出射，被第二准直器接收并传输给光电探测器。
步骤五：光电探测器接收样品点的反射光。
步骤六：控制单MEMS反射镜的转动方向，使激光光束按照一定逐点扫描的方式入射到二维1×n2MEMS反射镜不同位置的镜片上，并重复步骤三至步骤五。
5.根据权利要求4所述的基于空间逐点的二维扫描方法，其逐点扫描的方式包括但不限于从上至下、从左至右。
6.根据权利要求1所述的二维扫描系统，其中一种基于空间并行法，其特征包括：
由激光器、1×N光纤分束器、M×N准直器组、第一
Figure FDA0002780274130000031
波片、偏振分束器、第二
Figure FDA0002780274130000032
波片、第一二维1×n2MEMS反射镜、第二二维1×n2MEMS反射镜、样品、M×N准直器组、M×N光电探测器组组成。该系统由第一二维1×n2MEMS反射镜和第二二维1×n2MEMS反射镜的组合进行并行扫描，作为本系统的高效分光单元。
7.根据权利求6所述的基于空间并行法的二维扫描系统，其特征包括：
激光器，作为扫描系统的光源；
1×N光纤分束器，位于激光器后，用于将一束激光分为1×N束；
N个1×M光纤分束器组，位于1×N光纤分束器后，用于将1×N束激光分为M×N束；
第一M×N准直器组，位于N个1×M光纤分束器组后，用于将光纤中传输的激光准直为自由空间平行光；
第一
Figure FDA0002780274130000033
波片，位于第一M×N准直器组后，用于改变激光光束的偏振方向；
偏振分束器，位于第一
Figure FDA0002780274130000034
波片后，用于改变样品反射的光束的传播方向，便于光电探测器接收；
第二
Figure FDA0002780274130000041
波片，位于偏振分束器后，用于改变从偏振分束器出射的光束的偏振方向以及样品反射光束的偏振方向；
第一二维1×n2MEMS反射镜，位于第二
Figure FDA0002780274130000042
波片后，用于控制激光光束的方向，使M×N束激光光束入射到第二二维1×n2MEMS反射镜的对应镜片上；
第二二维1×n2MEMS反射镜，用于接收由第一二维1×n2MEMS反射镜出射的M×N束激光光束，使光束能垂直入射到样品上；
样品，位于二维1×n2MEMS反射镜下方，待进行高通量表征的材料；
第二M×N准直器组，位于偏振分束器反射方向，用于将样品反射的M×N束自由空间平行光输入光纤并传输给光电探测器；
M×N光电探测器组，位于第二M×N准直器后，用于接收从样品上返回的光信号。
8.一种基于空间并行的二维扫描方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：按光路依次搭建权利要求5所述的二维扫描系统。
步骤二：通过控制第一二维1×n2MEMS反射镜的镜片方向，使M×N束激光光束入射到第二二维1×n2MEMS反射镜对应位置的镜片上，通过第二二维1×n2MEMS反射镜的反射，使激光光束入射到对应的样品点上。
步骤三：样品点的反射光依次通过第二二维1×n2MEMS反射镜、第一二维1×n2MEMS反射镜、第二
Figure FDA0002780274130000043
波片，偏振分束器，从偏振分束器反射方向出射，被第二M×N准直器组接收并传输给M×N光电探测器组。
步骤四：M×N光电探测器组接收样品点反射光。
9.根据权利要求1所述的二维扫描系统，其中一种基于空时-并串转换法，其特征包括：
由激光器、环形器、空间扩散/分散器、样品、时域分散器、光电探测器组成。该系统主要由空间扩散/分散器进行扫描，作为本系统的高效分光单元。
10.根据权利求9所述的基于空时-并串转换法的二维扫描系统，其特征包括：
激光器，作为扫描系统的光源；
环形器，位于激光器后，用于控制激光传输方向；
空间扩散/分散器，位于环形器后，用于将激光器发射的一束激光扩展为一系列二维空间光谱模式中的平行光束；
样品，位于空间分散器后，待进行高通量表征的材料；
时域分散器，位于环形器另一出口后，用于接收样品反射的激光，并将其在时域上进行分散；
光电探测器，位于时域分散器后，用于接收从样品上返回的光信号。
11.一种基于空时-并串转换的二维扫描方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：按光路依次搭建权利要求9中的二维扫描系统。
步骤二：激光从环形器的一口进入，从环形器对应的一口出射，经过空间扩散/分散器变为二维空间的激光阵列照射到样品上。
步骤三：从样品反射回的激光阵列通过空间扩散/分散器变为一束激光，从环形器对应的一口入射，从环形器对应的另一口出射。
步骤四：激光光束通过时域分散器，被光电探测器接收。
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