[发明专利]检测光学系统光远场参量的方法及其装置

说明书

本发明是一种检测光学系统光远场参量的方法及其装置。主要用于光学系统小光斑的检测。

准确地测量光远场(离被测样品表面距离超过二分之一波长的区域，称为光远场)的参量，可以更进一步研究光学系统光远场的性质和应用，也可以准确地判断光源的特性或检验光学系统的质量。例如利用小光斑检测判断光学系统的成像质量或光学元件的加工质量。在先技术中对小光斑的检测主要有刀口扫描法(参见《光学测量》，北京工业学院苏大图主编，机械工业出版社，1988年6月，262页)以及测量光学系统出瞳处的光强分布和波像差由计算得到小光斑的光强分布的方法(参见《光学车间检验》，D.马拉卡拉主编，机械工业出版社，1983年8月，47页)。当会聚光斑直径的尺寸接近波长的一半(λ/2)时，用上述的刀口扫描法无法精确地测量光斑的强度分布，后一种测量光学系统出瞳处的光强分布和波像差计算光斑的光强分布所用的测量装置和测量过程很复杂，实时性和环境适应性也很差。上述两种测量都只能测量光场的强度分布，不能测量包括光场偏振态等在内的完整信息。而在先技术中的近场光学显微镜仅用于光近场参量的测量(参见Near-FieldOptics：Microscopy，Spectroscopy，and Surface Modification Beyond theDiffraction Limit，Eric Betzig and Jay K.Trautman，SCIENCE Vol.257，10 July1992)。

本发明的目的是提供一种检测被测样品光远场参量的方法及其装置，它将能够弥补在先技术中的小光斑测量方法存在的缺陷、并能够进行高空间分辨高精度实时方便的光远场参量的测量。

本发明的检测方法是采用将光纤端部带小孔(最小孔径达几纳米)的针尖置于被测样品光远场位置上进行扫描的光纤探针扫描法。具体步骤是：

<1>将光纤探针的针尖置于被测样品的焦点上，进行扫描，扫出焦点上光斑的大小；

<2>将光纤探针的针尖置于被测样品焦点之前距焦点五倍焦深D距离的位置和置于焦点之后距焦点五倍焦深D距离的位置上进行扫描，也就是说离开焦点为正负五倍焦深D的距离进行扫描，扫出焦点前和焦点后的两个光斑。焦深D＝λ/NA²，其中λ为检测时所使用光源的波长，NA为被测样品的数值孔径。

<3>根据上述获得焦点上，焦点前和焦点后的三个光斑的图样，利用普通光学车间加工检验的星点检验法，判断被测样品的成像质量。如图4所示的流程图。

上述本发明的方法所采用的装置包括：光源1，在光源1发射光束G前进的方向上，中心轴线O₁O₁与光源1的光轴OO相重合地置有光纤扫描器3，光纤扫描器3内的中心轴线O₁O₁上置有光纤探针4，光纤探针4的针尖401对着光源1发射光束G前进的方向，光纤探针4的光纤404将光束传送到光电探测器6上，光电探测器6的输出通过锁相放大器7放大后输入到计算机8上。计算机8对锁相放大器7输出的电信号进行A/D转换与采集，再经图像处理后显示测量结果的光远场分布状况(三维的或二维的)。光纤扫描器3通过高压放大器5与计算机8相连。也就是说，计算机8控制高压放大器5的高压输出到光纤扫描器3上，从而计算机8控制光纤扫描器3的扫描。测量时，被测样品2置于光源1与光纤扫描器3之间，如图1和图3所示。

所说的光纤扫描器3具有三维扫描方向，它包括扫描器主体303，扫描器主体303置于带上下运动马达301和左右移动马达304的支架302内，支架302置于带前后运动马达306的导轨305上。如图2所示。

所说的扫描器主体303包括筒壁上带有穿线孔3038的圆筒3035，圆筒3035的前端有针尖保护罩3033，圆筒3035的后端有后保护罩3037，圆筒3035内与圆筒3035同中心轴线O₁O₁的置有细圆筒3036，圆筒3035壁的两端面是凹凸形，在圆筒3035前端的凹端面内固定有与圆筒3035同中心轴线O₁O₁的压电陶瓷扫描管3034，压电陶瓷扫描管3034前端上套有绝缘环3032，盖在绝缘环3032前端上有软铁罩3031。上述扫描器主体303内，前端的针尖保护罩3033，软铁罩3031，细圆筒3036至后端的保护罩3037均共中心轴线O₁O₁地开有供光纤探针4穿过的中心通孔。如图3所示。