CN209542447U - 一种基于透射方法的散射式近场显微光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于透射方法的散射式近场显微光学系统，包括照射光源、抛物面反射镜组、样品台、金属纳米针、大口径抛物面反射镜、平面反射镜组、抛物面反射镜、探测器；待测样品置于该样品台上，金属纳米针置于该待测样品上方；照射光源发出的光经过抛物面反射镜组先准直成平行光，再汇聚到样品台的下方，光从样品台透射到待测样品上，再从金属纳米针尖处激发出散射信号，散射信号经放置在其上方的大口径抛物面反射镜收集，并准直输出，准直输出的光再经过平面反射镜组入射到抛物面反射镜，最终将信号汇聚到探测器上。本实用新型实现了宽波段的近场信号的产生及散射信号提取。

Description

一种基于透射方法的散射式近场显微光学系统

技术领域

本实用新型涉及精密仪器技术领域，尤其涉及一种基于透射方法的散射式近场显微光学系统。

背景技术

近场成像是突破衍射极限，获得亚波长分辨图像的研究热点之一，自设想提出以来，陆续在微波、可见光、红外与太赫兹波等领域得到了验证。

近场通常指距离在波长甚至是亚波长量级的区域。典型的太赫兹波近场成像多指扫描近场太赫兹波显微，即利用局域太赫兹波在样品近场区域进行二维网格状扫描，收集所有待测点处信息后，交由计算机处理和重构出最终图像，该过程所获图像分辨率不受波长限制，主要取决于局域孔径或针尖的大小。根据海森堡测不准原理，为实现扫描平面方向上亚波长量级物体的分辨，该方向上的波数分量必须大于入射太赫兹波的波数，而垂直平面方向上的分量为虚数，这导致太赫兹波在其近场区域除存在传播分量外，还同时存在隐失分量。其中，传播场有能流传播，但不携带样品的细节信息，振幅与传播距离成反比；而隐失场虽无能流传播，但携带样品的细节信息，振幅随距离的增加而指数衰减。近场成像可以突破衍射极限正是因为对隐失波的获取、利用和探测，这与受到衍射极限限制的传统方法中，利用透镜等光学元件对太赫兹波聚焦来提高分辨率有着显著区别。

近场成像分为两种模式：近场照明和近场收集。两者区别在于用来获取或耦合转化隐失波的亚波长尺寸物体相对样品的位置不同。近场照明是利用微孔或针尖局域太赫兹波，近场照射样品；近场收集是近场直接探测受样品精细结构散射而得的隐失场，或远场探测其经近场微孔或针尖转化而成的传播场。前者的实用和推广需先解决信号的大小问题，即如何对太赫兹波进行有效局域和增强增透；后者伴随隐失场的衍射，故需解决近场距离的控制及太赫兹波的高效耦合与转化大、太赫兹波透过率低的问题，但多存在背景噪声及照明接收光路相互干扰等缺点，系统信噪比有待提高，分辨率普遍不及前者。

通常的近场成像系统中，使用光束分束镜来实现近场信号的产生和提取，而分束镜在宽波段很难保证一致的色散特性，这就影响了近场成像系统在宽波段的应用。

实用新型内容

通常的近场成像系统中，使用光束分束镜来实现近场信号的产生和提取，而分束镜在宽波段很难保证一致的色散特性，这就影响了近场成像系统在宽波段的应用，针对这一问题，本实用新型提供了一种可真正实现测量与样品及波长无关化，宽波段的近场信号产生及散射信号提取的基于透射方法的散射式近场显微光学系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于透射方法的散射式近场显微光学系统，包括照射光源、抛物面反射镜组、样品台、金属纳米针、大口径抛物面反射镜、平面反射镜组、抛物面反射镜、探测器；待测样品置于该样品台上，金属纳米针置于该待测样品上方；

照射光源发出的光经过抛物面反射镜组先准直成平行光，再汇聚到样品台的下方，光从样品台透射到待测样品上，再从金属纳米针尖处激发出散射信号，散射信号经放置在其上方的大口径抛物面反射镜收集，并准直输出，准直输出的光再经过平面反射镜组入射到抛物面反射镜，最终将信号汇聚到探测器上。

接上述技术方案，照射光源发出的光为微波、可见光、红外或太赫兹波。

接上述技术方案，照射光源的出射光为平行光或发散光束。

接上述技术方案，所述样品台为可移动样品台。

接上述技术方案，所述抛物面反射镜组包括两正交放置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，所述第一抛物面反射镜的焦点处放置所述照射光源，所述第二抛物面反射镜位于所述样品台下方。

接上述技术方案，所述平面反射镜组包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜将经所述大口径抛物面反射镜反射的光，再通过所述第二平面反射镜反射给所述探测器。

接上述技术方案，待测样品置于大口径抛物面反射镜的焦点位置处。

本实用新型还提供了一种基于透射方法的散射式近场信号收集方法，该方法基于上述技术方案的基于透射方法的散射式近场显微光学系统，该方法包括以下步骤：

S1、照射光源发出的光经过抛物面反射镜组先准直成平行光；

S2、平行光汇聚到样品台的下方，光从样品台透射到待测样品上；

S3、待测样品上方的金属纳米针尖激发出散射信号；

S4、散射信号经放置在其上方的大口径抛物面反射镜收集，并准直输出；

S5、经准直输出的光再经过平面反射镜组入射到抛物面反射镜；

S6、经抛物面反射镜反射后的光信号汇聚到探测器。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型使用抛物面或二次曲面反射镜的形式，实现了对大范围散射信号的重收集及聚焦，且实现了测量与样品及波长无关化，实现了宽波段的近场信号产生及散射信号提取。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例基于透射方法的散射式近场显微光学系统的正视图；

图2是本实用新型实施例基于透射方法的散射式近场显微光学系统的俯视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型使用抛物面或二次曲面反射镜的形式，实现了对大范围散射信号的重收集及聚焦，且实现了测量与样品及波长无关化，实现了宽波段的近场信号产生及散射信号提取。

如图1、2所示，本实用新型实施例基于透射方法的散射式近场显微光学系统包括照射光源1、抛物面反射镜组2、样品台3、金属纳米针4、大口径抛物面反射镜5、平面反射镜组6、抛物面反射镜7、探测器8；待测样品置于该样品台3上，金属纳米针置于该待测样品上方。

照射光源1发出的光经过抛物面反射镜组2先准直成平行光，再汇聚到样品台3的下方，光从样品台3透射到待测样品上，再从金属纳米针尖4处激发出散射信号，散射信号经放置在其上方的大口径抛物面反射镜5收集，并准直输出，准直输出的光再经过平面反射镜组6入射到抛物面反射镜7，最终将信号汇聚到探测器8上。

进一步地，照射光源1发出的光为微波、可见光、红外或太赫兹波。

优选太赫兹波，因一般太赫兹波波段都比较宽，本实用新型的全反射式系统能够实现整个波段的信号收集；其次能够收集角度范围更全的太赫兹散射信号，提高信噪比。

照射光源1的出射光可为平行光或发散光束。

进一步地，样品台3为可移动样品台3，将样品放置在样品台3的上表面处，通过二维扫描样品台3获得样品大面积的二维图像。

抛物面反射镜组2包括两正交放置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，第一抛物面反射镜的焦点处放置照射光源1，第二抛物面反射镜位于样品台3下方。

待测样品放置在大口径抛物面反射镜5的焦点位置处，这样从待测样品在金属纳米针4(针尖)处激发出的散射信号，经过大口径抛物面反射镜5收集后，均会呈平行光输出，再通过后续平面反射镜组6，抛物面反射镜7汇聚，最终被探测器8收集。由于大口径抛物面反射镜5输出的光为平行光，后续可使用一个或多个平面反射镜对该光束进行位置方向偏转，再通过一个或多个抛物面反射镜将平行光汇聚到远场的探测器8上。

探测器8响应波长与光源一致，可以使用电光晶体探测，之后被锁相放大器接收和提取出来，或者任何其他探测形式。

具体调节的方法：可以使用可见激光从探测器8处逆向发射，经过抛物面反射镜7，平面反射镜组6，大口径抛物面反射镜5后会汇聚到一个焦点处，调整样品台3至这个焦点位置即可。

本实用新型的一个实施例中，平面反射镜组6包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，第一平面反射镜将经大口径抛物面反射镜5反射的光，再通过第二平面反射镜反射给探测器8。

基于上述实施例的基于透射方法的散射式近场显微光学系统，本实用新型实施例基于透射方法的散射式近场信号收集方法包括以下步骤：

S1、照射光源1发出的光经过抛物面反射镜组2先准直成平行光；

S2、平行光汇聚到样品台3的下方，光从样品台3透射到待测样品上；

S3、待测样品上方的金属纳米针尖4激发出散射信号；

S4、散射信号经放置在其上方的大口径抛物面反射镜5收集，并准直输出；

S5、经准直输出的光再经过平面反射镜组6入射到抛物面反射镜7；

S6、经抛物面反射镜7反射后的光信号汇聚到探测器8。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型使用抛物面或二次曲面反射镜的形式，实现了对大范围散射信号的重收集及聚焦，且实现了测量与样品及波长无关化，实现了宽波段的近场信号产生及散射信号提取。

本实用新型采用了抛物面反射镜将信号收集，无色差，实现了宽波段的信号提取；本实用新型采用带平面基准的大口径抛物面反射镜5，将信号尽可能的收集起来，提高了能量收集率，从而提高信噪比。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于透射方法的散射式近场显微光学系统，其特征在于，包括照射光源、抛物面反射镜组、金属纳米针、样品台、大口径抛物面反射镜、平面反射镜组、抛物面反射镜、探测器；待测样品置于该样品台上，金属纳米针置于该待测样品上方；

照射光源发出的光经过抛物面反射镜组先准直成平行光，再汇聚到样品台的下方，光从样品台透射到待测样品上，再从金属纳米针尖处激发出散射信号，散射信号经放置在其上方的大口径抛物面反射镜收集，并准直输出，准直输出的光再经过平面反射镜组入射到抛物面反射镜，最终将信号汇聚到探测器上。

2.根据权利要求1所述的基于透射方法的散射式近场显微光学系统，其特征在于，照射光源发出的光为微波、可见光、红外或太赫兹波。

3.根据权利要求1所述的基于透射方法的散射式近场显微光学系统，其特征在于，照射光源的出射光为平行光或发散光束。

4.根据权利要求1所述的基于透射方法的散射式近场显微光学系统，其特征在于，所述样品台为可移动样品台。

5.根据权利要求1所述的基于透射方法的散射式近场显微光学系统，其特征在于，所述抛物面反射镜组包括两正交放置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，所述第一抛物面反射镜的焦点处放置所述照射光源，所述第二抛物面反射镜位于所述样品台下方。

6.根据权利要求1所述的基于透射方法的散射式近场显微光学系统，其特征在于，所述平面反射镜组包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜将经所述大口径抛物面反射镜反射的光，再通过所述第二平面反射镜反射给所述探测器。

7.根据权利要求1所述的基于透射方法的散射式近场显微光学系统，其特征在于，待测样品置于大口径抛物面反射镜的焦点位置处。