CN116297485A - 一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置与方法 - Google Patents

一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置及方法，包括：纠缠光源产生模块、样品照明探测模块和涡旋谱提取模块；纠缠光源产生模块按照光线传播方向依次为：激光器、半波片、BBO晶体、低通滤波器和非偏振分束器一；样品照明探测模块按照光线传播方向依次为：单模光纤一、管镜一、物镜一、待测样品、物镜二、管镜二、透镜一、透镜二、单模光纤二和SPAD探测器一；涡旋谱提取模块按照光线传播方向依次为：反射镜一、反射镜二、液晶空间光调制器一、透镜三、透镜四、单模光纤三和SPAD探测器二。

Description

一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置与方法
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置与方法。
背景技术
目前，高性能光学元件及光学材料在精密仪器制造和重大光学工程研究中有着广泛的应用，是光学系统性能的根基，因此对光学元件及光学材料在表面和亚表面中的机械结构、化学成分以及晶格结构缺陷高分辨率精密检测起着重要的作用。其中，光学元件的相位缺陷会导致入射光束在局部形成聚焦光场，使元件局部过热，造成不可逆损伤。暗场共焦显微测量技术具有良好的光学层析能力、较高的成像分辨率以及暗背景带来的较高成像对比度等优势，已成为光学元件无损三维检测的重要手段。
但是，普通光学暗场共焦显微测量技术仅能实现样品的几何缺陷检测，如划痕、气泡等，但其对相位缺陷的响应率较低，无法准确获取光学元件中的相位缺陷的其他物理化学性质。
因此，如何更为全面地表征光学元件及材料的缺陷特性，更准确地实现相位缺陷与振幅缺陷的识别及分类是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置与方法；在利用一阶涡旋光照明下的暗场共焦获取微结构样品的结构信息和工业光学样品表面划痕、磨损等缺陷信息的同时，利用涡旋散射二向色性谱分析获取微纳结构的手性信息，为微纳结构检测提供一种新的途径。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，包括：纠缠光源产生模块、样品照明探测模块和涡旋谱提取模块；
纠缠光源产生模块按照光线传播方向依次为：激光器、半波片、BBO晶体、低通滤波器和非偏振分束器一；
样品照明探测模块按照光线传播方向依次为：单模光纤一、管镜一、物镜一、待测样品、物镜二、管镜二、透镜一、透镜二、单模光纤二和SPAD探测器一、；
涡旋谱提取模块按照光线传播方向依次为：反射镜一、反射镜二、液晶空间光调制器一、透镜三、透镜四、单模光纤三和SPAD探测器二。
优选的，所述激光器一出射线偏振激光，由所述半波片一和所述BBO晶体产生波长加倍的纠缠光源，经所述低通滤波器滤除高频分量，通过所述非偏振分束器一分成两束分别用于样品探测和涡旋谱提取。
优选的，所述非偏振分束器一分出的一路光经入射到所述单模光纤三中，经所述管镜一和所述物镜一后，聚焦到所述待测样品上。
优选的，一路纠缠光经过所述待测样品后，被所述物镜二和所述管镜二收集并放大，经所述透镜一和所述透镜二构成的4f系统后，入射到所述单模光纤二中，并传输至所述SPAD探测器一进行探测。
优选的，所述非偏振分束器一分出的另一路纠缠光经过所述反射镜一和所述反射镜二后，倾斜入射在所述液晶空间光调制器一上，在所述液晶空间光调制器一上加载固定的阶数较低的m阶叉形光栅相位(m＝0，1，2)，出射光束相应为m阶的涡旋光束。
优选的，在所述液晶空间光调制器一输出光束经所述透镜三和所述透镜四构成的4f系统后，入射到所述单模光纤三中，并传输至所述SPAD探测器二进行收集探测。
优选的，所述SPAD探测器一和所述SPAD探测器二进行相干重构，实现对相位物体的远距离相位成像和涡旋谱的提取。
一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量方法，具体步骤：
步骤1、所述激光器一出射线偏振激光，由所述半波片一和所述BBO晶体产生波长加倍的纠缠光源，经所述低通滤波器滤除高频分量，通过所述非偏振分束器一分成两束分别用于样品探测和涡旋谱提取；
步骤2、所述非偏振分束器一分出的一路光经入射到所述单模光纤三中，经所述管镜一和所述物镜一后，聚焦到所述待测样品上，收集待测样品信息；
步骤3、纠缠光经过所述待测样品后，被所述物镜二和所述管镜二收集并放大，经所述透镜一和所述透镜二构成的4f系统后，实现对光信息进行频谱分析和频域处理；
步骤4、纠缠光经所述透镜一和所述透镜二构成的4f系统后，入射到所述单模光纤二中，并传输至所述SPAD探测器一进行探测；
步骤5、所述非偏振分束器一分出的另一路纠缠光经过所述反射镜一和所述反射镜二后，入射在所述液晶空间光调制器一上；
步骤6、调整所述反射镜二的角度使得纠缠光倾斜入射在所述液晶空间光调制器一上；
步骤7、在所述液晶空间光调制器一上加载固定的阶数较低的m阶叉形光栅相位，其中m＝0，1，2，出射光束相应为m阶的涡旋光束；
步骤8、出射的m阶的涡旋光束经过所述透镜三和所述透镜四构成的4f系统后，实现对光信息进行频谱分析和频域处理；
步骤9、纠缠光经所述透镜一和所述透镜二构成的4f系统后，入射到所述单模光纤二中，并传输至所述SPAD探测器一进行探测；
步骤10、所述SPAD探测器一和所述SPAD探测器二进行相干重构，实现对相位物体的远距离相位成像和涡旋谱的提取。；
步骤11、依次从0至10改变n值，重复步骤1-11，得到样品的涡旋谱。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置与方法；在利用一阶涡旋光照明下的暗场共焦获取微结构样品的结构信息和工业光学样品表面划痕、磨损等缺陷信息的同时，利用涡旋散射二向色性谱分析获取微纳结构的手性信息，为微纳结构检测提供一种新的途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置结构示意图。
其中，1为激光器、2为半波片、3为BBO晶体、4为低通滤波器、5为非偏振分束器、6为单模光纤一、7为管镜一、8为物镜一、9为待测样品、10为物镜二、11为管镜二、12为透镜一、13为透镜二、14为单模光纤二、15为SPAD探测器一、16为反射镜一、17为反射镜二、18为液晶空间光调制器、19为透镜三、20为透镜二、21为单模光纤、22为SPAD探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，包括：纠缠光源产生模块、样品照明探测模块和涡旋谱提取模块；
纠缠光源产生模块按照光线传播方向依次为：激光器1、半波片2、BBO晶体3、低通滤波器4和非偏振分束器一5；
样品照明探测模块按照光线传播方向依次为：单模光纤一6、管镜一7、物镜一8、待测样品9、物镜二10、管镜二11、透镜一12、透镜二13、单模光纤二14和SPAD探测器一15、；
涡旋谱提取模块按照光线传播方向依次为：反射镜一16、反射镜二17、液晶空间光调制器一18、透镜三19、透镜四20、单模光纤三21和SPAD探测器二22。
为进一步优化上述技术方案，激光器一1出射线偏振激光，由半波片一2和BBO晶体3产生波长加倍的纠缠光源，经低通滤波器4滤除高频分量，通过非偏振分束器一5分成两束分别用于样品探测和涡旋谱提取。
为进一步优化上述技术方案，非偏振分束器一5分出的一路光经入射到单模光纤三21中，经管镜一7和物镜一8后，聚焦到待测样品9上。
为进一步优化上述技术方案，一路纠缠光经过待测样品9后，被物镜二10和管镜二11收集并放大，经透镜一12和透镜二13构成的4f系统后，入射到单模光纤二14中，并传输至SPAD探测器一15进行探测。
为进一步优化上述技术方案，非偏振分束器一5分出的另一路纠缠光经过反射镜一16和反射镜二17后，倾斜入射在液晶空间光调制器一18上，在液晶空间光调制器一18上加载固定的阶数较低的m阶叉形光栅相位m＝0，1，2，出射光束相应为m阶的涡旋光束。
为进一步优化上述技术方案，在液晶空间光调制器一18输出光束经透镜三19和透镜四20构成的4f系统后，入射到单模光纤三21中，并传输至SPAD探测器二22进行收集探测。
为进一步优化上述技术方案，SPAD探测器一15和SPAD探测器二22进行相干重构，实现对相位物体的远距离相位成像和涡旋谱的提取。
一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量方法，具体步骤：
步骤1、激光器一1出射线偏振激光，由半波片一2和BBO晶体3产生波长加倍的纠缠光源，经低通滤波器4滤除高频分量，通过非偏振分束器一5分成两束分别用于样品探测和涡旋谱提取；
步骤2、非偏振分束器一5分出的一路光经入射到单模光纤三21中，经管镜一7和物镜一8后，聚焦到待测样品9上，收集待测样品信息；
步骤3、纠缠光经过待测样品9后，被物镜二10和管镜二11收集并放大，经透镜一12和透镜二13构成的4f系统后，实现对光信息进行频谱分析和频域处理；
步骤4、纠缠光经透镜一12和透镜二13构成的4f系统后，入射到单模光纤二14中，并传输至SPAD探测器一15进行探测；
步骤5、非偏振分束器一5分出的另一路纠缠光经过反射镜一16和反射镜二17后，入射在液晶空间光调制器一18上；
步骤6、调整反射镜二17的角度使得纠缠光倾斜入射在液晶空间光调制器一18上；
步骤7、在液晶空间光调制器一18上加载固定的阶数较低的m阶叉形光栅相位，其中m＝0，1，2，出射光束相应为m阶的涡旋光束；
步骤8、出射的m阶的涡旋光束经过透镜三19和透镜四20构成的4f系统后，实现对光信息进行频谱分析和频域处理；
步骤9、纠缠光经透镜一12和透镜二13构成的4f系统后，入射到单模光纤二14中，并传输至SPAD探测器一15进行探测；
步骤10、SPAD探测器一15和SPAD探测器二22进行相干重构，实现对相位物体的远距离相位成像和涡旋谱的提取。；
步骤11、依次从0至10改变n值，重复步骤1-11，得到样品的涡旋谱。
有益效果：
根据提取的涡旋谱一阶谱分量，可实现样品的普通暗场测量；根据提取的涡旋谱高阶谱分量分析，可以得到固定结构样品的相位信息，同时，也可以获取固定相位分布的样品的振幅信息。
装置采用高斯光照明，避开了传统暗场共焦测量对物镜通光孔径大于环形光内径的要求，有利于使用大数值孔径物镜进行高分辨率暗场成像。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，其特征在于，包括：纠缠光源产生模块、样品照明探测模块和涡旋谱提取模块；
纠缠光源产生模块按照光线传播方向依次为：激光器(1)、半波片(2)、BBO晶体(3)、低通滤波器(4)和非偏振分束器一(5)；
样品照明探测模块按照光线传播方向依次为：单模光纤一(6)、管镜一(7)、物镜一(8)、待测样品(9)、物镜二(10)、管镜二(11)、透镜一(12)、透镜二(13)、单模光纤二(14)和SPAD探测器一(15)、；
涡旋谱提取模块按照光线传播方向依次为：反射镜一(16)、反射镜二(17)、液晶空间光调制器一(18)、透镜三(19)、透镜四(20)、单模光纤三(21)和SPAD探测器二(22)。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，其特征在于，所述激光器一(1)出射线偏振激光，由所述半波片一(2)和所述BBO晶体(3)产生波长加倍的纠缠光源，经所述低通滤波器(4)滤除高频分量，通过所述非偏振分束器一(5)分成两束分别用于样品探测和涡旋谱提取。
3.根据权利要求1所述的一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，其特征在于，所述非偏振分束器一(5)分出的一路光经入射到所述单模光纤三(21)中，经所述管镜一(7)和所述物镜一(8)后，聚焦到所述待测样品(9)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，其特征在于，一路纠缠光经过所述待测样品(9)后，被所述物镜二(10)和所述管镜二(11)收集并放大，经所述透镜一(12)和所述透镜二(13)构成的4f系统后，入射到所述单模光纤二(14)中，并传输至所述SPAD探测器一(15)进行探测。
5.根据权利要求1所述的一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，其特征在于，所述非偏振分束器一(5)分出的另一路纠缠光经过所述反射镜一(16)和所述反射镜二(17)后，倾斜入射在所述液晶空间光调制器一(18)上，在所述液晶空间光调制器一(18)上加载固定的阶数较低的m阶叉形光栅相位(m＝0，1，2)，出射光束相应为m阶的涡旋光束。
6.根据权利要求1所述的一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，其特征在于，在所述液晶空间光调制器一(18)输出光束经所述透镜三(19)和所述透镜四(20)构成的4f系统后，入射到所述单模光纤三(21)中，并传输至所述SPAD探测器二(22)进行收集探测。
7.根据权利要求1所述的一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置，其特征在于，所述SPAD探测器一(15)和所述SPAD探测器二(22)进行相干重构，实现对相位物体的远距离相位成像和涡旋谱的提取。
8.一种基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量方法，该方法是基于权利要求1～7任一所述基于涡旋量子关联的涡旋谱暗场显微测量装置实现的，其特征在于：具体步骤：
步骤1、所述激光器一(1)出射线偏振激光，由所述半波片一(2)和所述BBO晶体(3)产生波长加倍的纠缠光源，经所述低通滤波器(4)滤除高频分量，通过所述非偏振分束器一(5)分成两束分别用于样品探测和涡旋谱提取；
步骤2、所述非偏振分束器一(5)分出的一路光经入射到所述单模光纤三(21)中，经所述管镜一(7)和所述物镜一(8)后，聚焦到所述待测样品(9)上，收集待测样品信息；
步骤3、纠缠光经过所述待测样品(9)后，被所述物镜二(10)和所述管镜二(11)收集并放大，经所述透镜一(12)和所述透镜二(13)构成的4f系统后，实现对光信息进行频谱分析和频域处理；
步骤4、纠缠光经所述透镜一(12)和所述透镜二(13)构成的4f系统后，入射到所述单模光纤二(14)中，并传输至所述SPAD探测器一(15)进行探测；
步骤5、所述非偏振分束器一(5)分出的另一路纠缠光经过所述反射镜一(16)和所述反射镜二(17)后，入射在所述液晶空间光调制器一(18)上；
步骤6、调整所述反射镜二(17)的角度使得纠缠光倾斜入射在所述液晶空间光调制器一(18)上；
步骤7、在所述液晶空间光调制器一(18)上加载固定的阶数较低的m阶叉形光栅相位，其中m＝0，1，2，出射光束相应为m阶的涡旋光束；
步骤8、出射的m阶的涡旋光束经过所述透镜三(19)和所述透镜四(20)构成的4f系统后，实现对光信息进行频谱分析和频域处理；
步骤9、纠缠光经所述透镜一(12)和所述透镜二(13)构成的4f系统后，入射到所述单模光纤二(14)中，并传输至所述SPAD探测器一(15)进行探测；
步骤10、所述SPAD探测器一(15)和所述SPAD探测器二(22)进行相干重构，实现对相位物体的远距离相位成像和涡旋谱的提取。；步骤11、依次从0至10改变n值，重复步骤1-11，得到样品的涡旋谱。
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