[发明专利]纳米尺度光场相位分布测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光学和纳米光子学测量领域，尤其涉及一种纳米尺度光场相位分布测量装置。

背景技术

纳米光子的研究近年来已经迅速成为国际上的前沿和热点，对纳米光子学器件的深入研究需要建立在对其纳米光场的多种物理参数和光学特性进行定量测量的基础上。

近场光学方法和技术为此提供了强有力的工具。扫描近场光学显微镜(SNOM)出现后，已经被广泛地应用在纳米光学研究领域。它具有亚波长量级的超高空间分辨率，同时能够探测样品的光场特性。

现有的近场光学显微镜大多能获得样品的形貌和光强分布，尚不能测量相位分布。而相位分布可以反映出更多强度所不能反映的信息。

发明内容

本发明实施例提供一种纳米尺度光场相位分布测量装置，能够实现纳米光子学器件近场拓扑形貌，光场振幅和相位分布的同步扫描成像测量。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种纳米尺度光场相位分布测量装置，包括：扫描近场光学显微镜模块，外差干涉光路模块，显微观测对准模块，信号采集与同步解调模块，信号处理与存储显示模块；

所述扫描近场光学显微镜模块包括扫描台、扫描头、控制箱，近场光学探针；

所述扫描台包括：一个二维电动控制扫描台，承载扫描头，用于样品的快速搜索定位和大尺寸测量范围拼接，一个压电陶瓷三维扫描台，用于承载样品，可以独立扫描，还有一个三维手动样品台，能够实现样品X,Y方向微调和面内转动，三个扫描台均可以独立控制；

所述近场光学探针固定于所述扫描头的夹持器上，扫描头置于待测样品的上方，能够驱动探针进行独立扫描；

所述控制箱包含两个独立的控制器，一个用于控制高精度压电陶瓷扫描台，另一个用于控制扫描头以纳米精度和步距扫描；

所述外差干涉光路模块包括：照明激发光源，光束整形单元，偏振控制单元，分光镜，声光移频器，光纤耦合器，传导光纤，外差干涉采用空间光和光纤相结合的特殊光路架构，信号采集传输采用光纤光路提高抗干扰性，样品照明采用空间光路能够实现变角度照明、隐失场耦合照明、聚焦光斑和偏振态照明激发模式；

所述显微观测对准模块包括：长工作距可变倍视频显微镜、CCD摄像头、照明光源；视频显微镜能够实现三维对准和调焦，照明光源能够切换同轴照明和倾斜入射照明；

所述信号采集与同步解调模块，包括光电探测器，相位解调模块，锁相参考信号发生器；用于高速采集当前位置的光场信息，经过解调处理，输出对应点的光场振幅和相位信息；

所述信号处理与存储显示模块，用于根据输出的光场振幅和相位信息，生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布图，而且能够实现空间任意高度截面的场分布测量和3D立体场分布测量。

可选的，所述近场光学探针为镀金属膜光纤孔径探针，或者金属针尖、镀金属针尖、纳米结构光学天线，或经过纳米颗粒方法修饰的等离激元功能探针，其中，金属膜层材料为金、银、铝；纳米颗粒为具有贵金属核壳结构层的纳米颗粒，包括金纳米颗粒、银纳米颗粒。

所述外差干涉光路模块包括：照明激发光源，光束整形单元，偏振控制单元，分光镜，声光移频器，光纤耦合器，传导光纤，外差干涉采用空间光和光纤相结合的特殊光路架构，信号采集传输采用光纤光路提高抗干扰性，样品照明采用空间光路能够实现的偏振态激发模式包括变角度、隐失场照明、聚焦光斑和圆偏振，旋转偏振光、线偏振，切向偏振，径向偏振；

所述照明激发光源发出的光经过光束整形单元后成为平行光束，再经过偏振状态控制单元变为所需的偏振状态，经过分光器单元后变为两束光：参考光和信号光，两束光经过声光移频单元后分别产生ω₁和ω₂的频移，其中参考光路直接耦合到光纤中，测量光路照射在样品上，利用光纤探针收集样品表面光场信息，测量光与参考光在光纤耦合器中进行干涉，将干涉的光强信号接入光电探测器转化为电信号。

可选的，所述样品照明激发光源为激光器或激光二极管，波长为紫外，可见光，近红外。

所述光束整形单元在激发光光路方向上依次设有光隔离器、空间滤波器、光束转折器、四分之一波片和半波片。

可选的，所述偏振控制单元位于所述分光器单元之前，或者位于所述分光器单元之后，入射到样品之前；

所述偏振控制单元为波片组合，或者所述偏振控制单元为空间光调制器；可以在空间光路产生线偏振，圆偏振，旋转偏振、径向偏振，切线偏振光束，入射到样品平面的光为准直的光束或者聚焦的光斑。