CN212540118U - 一种显微角分辨反射光相位信息表征系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开一种显微角分辨反射光相位信息表征系统，该装置分为光路1和光路2，两条光路均具有显微功能，两个样品平台前的透镜为物镜，可当作傅里叶变换器件，实现样品发出光的角度与物镜焦平面上位置的对应关系；后端1/4波片、检偏器对光进行调制，最后透过透镜将光汇聚到像平面。本装置可同时测量样品微区域不同入射角度条件下反射光的强度和相位信息，即可获取反射光谱的全面信息，为超构材料、光学天线、等离激元阵列等人工微纳结构以及光学薄膜、自然材料等体系提供一种实用的光谱检测技术。

Description

一种显微角分辨反射光相位信息表征系统

技术领域

本专利涉及材料表面微区反射光强与相位探测技术领域，尤其是涉及一种紫外、可见-近红外等波段光谱型反射光强与相位表征系统的研制及测试方法。

背景技术

当电磁波入射到由两种不同介质组成的界面上时，通常会发生反射现象。与入射光相比，很多情况下，反射光不但会有振幅的变化还同时伴有相位的改变，其行为也最终由这两部分信息共同决定。近年来，超构材料(超构表面)、光学天线、等离激元阵列等人工微纳结构概念的出现更是大大丰富了人们操控电磁波的手段。以超构材料为例，在外界的激励下，组成材料的“人工原子”——人工亚波长微结构单元——作为次波源，可根据设计实现任意的电磁辐射强度和相位分布，从而可实现任意的电磁波波前调控。且随着科学技术的不断发展，人们对器件的小型化、集成化要求越来越高，为了掌握复杂微尺度空间结构对电磁波的调控性能，人们对光谱检测技术提出了新的要求：首先，相位是描述电磁波的一个重要物理量，为了更加准确地掌握电磁波的传播行为，需要知道其相位信息；其次，对于小型化集成化微尺度的器件，如何实现准确的光谱信息测试表征；最后，为了掌握器件在电磁波不同角度入射条件下的调控能力，还需要角分辨光谱信息。然而，现有技术在光谱强度信息测量方面很成熟，但是对于变角度微区域的相位信息的检测方法并不多见，尤其是对红外、可见光甚至紫外光等高频波段电磁波来说相位信息的测量方法更是少之又少。本专利公开一种显微角分辨反射光相位信息表征装置及其测量方法。测量装置前端通过偏振分束器分光，分别用于样件探测和背景参考，后端1/4波片与检偏器对光进行调制以使携带样品信息的测试光和参考光发生相干干涉，通过探测光谱强度计算相位信息。该装置可同时测量样件微小区域不同入射角度条件下反射光的强度和相位信息，即可获取反射光谱的全面信息，为超构材料、光学天线、等离激元阵列等人工微纳结构以及光学薄膜、自然材料等材料体系提供一种实用的光谱检测技术。

发明内容

本专利的目的是提供一种光谱型反射强度与相位测试表征系统，系统弥补了在可见-近红外相位信息只能用仿真软件模拟的不足，实现了可见-近红外波段光谱强度与相位信息的同步测量技术。

本专利的目的一为同时测试被测样品的反射光强度信息与相位信息，获取被测样品的全方面反射光谱信息。

本专利的目的二为测试被测样品的小样件微纳区域的反射光谱强度与相位信息。

本专利的目的三为测试不同入射角度的反射光谱强度与相位信息。

本专利的目的可以通过以下技术方案来实现：

1.一种显微角分辨反射光相位信息表征装置，包括：光源1、准直器2、起偏器3、偏振分束器4、第一1/4波片5、第一物镜6、第一样品台7、第一焦平面8、第二1/4波片9、第二物镜10、第二样品台11、第二焦平面12、第三1/4波片13、检偏器14、透镜15、像平面16、精密平移针孔17、光纤18、探测器19。

2.从光源1出来的光首先经过准直器2与起偏器3，其次经过偏振分束器 4，将光分为光路1与光路2两条光路；光路1的光经过第一1/4波片5，后经过第一物镜6照射在第一样品台7上，第一物镜6的焦平面为第一焦平面8，被测样品上同一反射角度的光经过第一物镜6汇聚在第一焦平面8同一点，同时经过第一1/4波片5后再次进入第一偏振分束器4；光路2的光经过第二1/4 波片9，后经过第二物镜10照射在第二样品台11上，第二物镜10的焦平面为第二焦平面12，标准样件上同一角度反射的光经过第二物镜10汇聚在第二焦平面12同一点，同时经过第二1/4波片9后再次进入在第一偏振分束器4，汇合后的两束光同时出射依次经过第三1/4波片13、检偏器14、透镜15，在像平面16处成像，像平面16上的位置与测试角度一一对应，通过移动精密平移针孔17接收不同入射角度的反射光信息，最后通过光纤18被探测器19接收。

3.所述偏振分束器4的分光比1：1。

4.第一样品平台7上测试样件发出的同一角度的光在第一焦平面8上同一点汇聚，不同角度的光与第一焦平面8上的位置一一对应；第二样品平台11 上参考样件发出的同一角度的光在第二焦平面12上同一点汇聚，不同角度的光与第二焦平面12上的位置一一对应。最后像平面16上的位置与测试角度一一对应，该系统实现不同角度反射光信息测试。

5.所述系统测试样品微区。

6.一种基于显微角分辨反射光相位信息表征系统的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1：固定精密平移针孔17的位置；

步骤2：背景测试：第一样品台7与第二样品台11同时放入标准样件，探测检偏器14方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强： I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₀₃；

步骤3：被测样品一种偏振反射光测试：在第一样品台7上放置被测样品，第二样品台11仍放置标准样件，探测检偏器14方位角分别为0度、45度、90 度、135度时测试对应的四个光强：I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₁₃；

步骤4：计算该偏振下样品此角度α度在相应偏振下反射引起的光谱变化I 为：

I₀＝I₁₀-I₀₀，I₁＝I₁₁-I₀₁，I₂＝I₁₂-I₀₂，I₃＝I₁₃-I₀₃

步骤5：计算样品此角度α度反射引起的相位变化

为：

步骤6：改变精密平移针孔17的位置，重复步骤2-步骤5测试并计算β度反射光强与相位。

步骤7：步骤3中，在第一样品台7上放标准样件，第二样品台11上放被测样品，重复步骤3-步骤6测量样品另一个偏振反射光的光谱强度与相位信息。

与现有技术相比，本专利具有以下有益效果：

1.本专利的相位测试系统不限探测波长范围。

2.本专利同时测量被测样品显微区域反射光的强度与相位信息。

3.本专利入射角度范围大，最小测量角度为0度。

4.本专利光路简单。

5.本专利相位计算方法简便。

6.该设备测试任意偏振入射光条件下的反射信息。

附图说明

图1为本专利一种显微角分辨反射光相位信息表征装置光路图；

附图标记：

1-光源、2-准直器、3-起偏器、4-偏振分束器、5-第一1/4波片、6-第一物镜、7-第一样品台、8-第一焦平面、9-第二1/4波片、10-第二物镜、11-第二样品台、12-第二焦平面、13-第三1/4波片、14-检偏器、15-透镜、16-像平面、 17-精密平移针孔、18-光纤、19-探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本专利进行详细说明。本实施例以本专利技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种显微角分辨反射光相位信息表征系统光路：

从光源1出来的光首先经过准直器2与起偏器3，其次经过偏振分束器4，将光分为光路1与光路2两条光路；光路1的光经过第一1/4波片5，后经过第一物镜6照射在第一样品台7上，第一物镜6的焦平面为第一焦平面8，被测样品上同一反射角度的光经过第一物镜6汇聚在第一焦平面8同一点，同时经过第一1/4波片5后再次进入第一偏振分束器4；光路2的光经过第二1/4 波片9，后经过第二物镜10照射在第二样品台11上，第二物镜10的焦平面为第二焦平面12，标准样件上同一角度反射的光经过第二物镜10汇聚在第二焦平面12同一点，同时经过第二1/4波片9后再次进入在第一偏振分束器4，汇合后的两束光同时出射依次经过第三1/4波片13、检偏器14、透镜15，在像平面16处成像，像平面16上的位置与测试角度一一对应，通过移动精密平移针孔17接收不同入射角度的反射光信息，最后通过光纤18被探测器19接收。一种显微角分辨反射光相位信息表征系统及其测量方法包括一下步骤：

步骤1：固定精密平移针孔17的位置；

步骤2：背景测试：第一样品台7与第二样品台11同时放入标准样件，探测检偏器14方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强： I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₀₃；

步骤3：被测样品一种偏振反射光测试：在第一样品台7上放置被测样品，第二样品台11仍放置标准样件，探测检偏器14方位角分别为0度、45度、90 度、135度时测试对应的四个光强：I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₁₃；

步骤4：计算该偏振下样品此角度α度在相应偏振下反射引起的光谱变化I 为：

I₀＝I₁₀-I₀₀，I₁＝I₁₁-I₀₁，I₂＝I₁₂-I₀₂，I₃＝I₁₃-I₀₃

步骤5：计算样品此角度α度反射引起的相位变化

为：

步骤6：改变精密平移针孔17的位置，重复步骤2-步骤5测试并计算β度反射光强与相位。

步骤7：步骤3中，在第一样品台7上放标准样件，第二样品台11上放被测样品，重复步骤3-步骤6测量样品另一个偏振反射光的光谱强度与相位信息。

实施例一

一种显微角分辨反射光相位信息表征系统及其测量方法，搭建如图1所示光路，测量反射光谱强度与相位信息方法如下：

步骤1：固定精密平移针孔17的位置；

步骤2：背景测试：第一样品台7与第二样品台11同时放入标准样件，探测检偏器14方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强： I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₀₃；

步骤3：被测样品一种偏振反射光测试：在第一样品台7上放置被测样品，第二样品台11仍放置标准样件，探测检偏器14方位角分别为0度、45度、90 度、135度时测试对应的四个光强：I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₁₃；

步骤4：计算该偏振下样品此角度α度在相应偏振下反射引起的光谱变化I 为：

I₀＝I₁₀-I₀₀，I₁＝I₁₁-I₀₁，I₂＝I₁₂-I₀₂，I₃＝I₁₃-I₀₃

步骤5：计算样品此角度α度反射引起的相位变化

为：

步骤6：改变精密平移针孔17的位置，重复步骤2-步骤5测试并计算β度反射光强与相位。

步骤7：步骤3中，在第一样品台7上放标准样件，第二样品台11上放被测样品，重复步骤3-步骤6测量样品另一个偏振反射光的光谱强度与相位信息。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本专利结构所做的举例说明。凡依据本专利构思的构造、特征及原理所做的等小变化或者简单变化，均包括于本专利的保护范围内。本专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本专利的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种显微角分辨反射光相位信息表征系统，包括：光源(1)、准直器(2)、起偏器(3)、偏振分束器(4)、第一1/4波片(5)、第一物镜(6)、第一样品台(7)、第一焦平面(8)、第二1/4波片(9)、第二物镜(10)、第二样品台(11)、第二焦平面(12)、第三1/4波片(13)、检偏器(14)、透镜(15)、像平面(16)、精密平移针孔(17)、光纤(18)、探测器(19)；其特征在于：

从光源(1)出来的光首先经过准直器(2)与起偏器(3)，其次经过偏振分束器(4)，将光分为光路1与光路2两条光路；光路1的光经过第一1/4波片(5)，后经过第一物镜(6)照射在第一样品台(7)上，第一物镜(6)的焦平面为第一焦平面(8)，被测样品上同一反射角度的光经过第一物镜(6)汇聚在第一焦平面(8)同一点，同时经过第一1/4波片(5)后再次进入第一偏振分束器(4)；光路2的光经过第二1/4波片(9)，后经过第二物镜(10)照射在第二样品台(11)上，第二物镜(10)的焦平面为第二焦平面(12)，标准样件上同一角度反射的光经过第二物镜(10)汇聚在第二焦平面(12)同一点，同时经过第二1/4波片(9)后再次进入在第一偏振分束器(4)，汇合后的两束光同时出射依次经过第三1/4波片(13)、检偏器(14)、透镜(15)，在像平面(16)处成像，像平面(16)上的位置与测试角度一一对应，通过移动精密平移针孔(17)接收不同入射角度的反射光信息，最后通过光纤(18)被探测器(19)接收。

2.根据权利要求1所述的一种显微角分辨反射光相位信息表征系统，其特征在于，所述的偏振分束器(4)的分光比1：1。

Images