專利名稱:高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高密度光柵，特別是一種高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)方法和裝置，是一種周期為入射光波長(zhǎng)2.5倍左右的高密度光柵偏振相關(guān)自成像測(cè)量的方法和裝置。
背景技術(shù)：
光柵是一種非常重要的色散光學(xué)元件，泰伯在1836年發(fā)現(xiàn)在接近光柵表面的特定距離處會(huì)出現(xiàn)與光柵結(jié)構(gòu)相同的像，稱為泰伯效應(yīng)或光柵自成像效應(yīng)，它是指光柵在單色光的照明下在周期距離上出現(xiàn)光柵的衍射像，它具有和原光柵相同的周期。泰伯效應(yīng)是一個(gè)基本的光學(xué)現(xiàn)象，早已被人們深入地研究過(guò)，最近，人們?cè)谔┎?yīng)上又取得了新的進(jìn)展，認(rèn)識(shí)到分?jǐn)?shù)泰伯距離上仍有光柵的自成像效應(yīng)，并且發(fā)展了一整套簡(jiǎn)單規(guī)則來(lái)對(duì)其進(jìn)行解釋。[C.Zhou，S.Stankovic，and T.Tschudi，“Analytic phase-factor equations for Talbot array illuminations，”Appl.Opt.38，284-290(1999)]、[C.Zhou，W. Wang，E.Dai，and L. Liu，“Simple principles of theTalbot effect，”O(jiān)pt.&Phot.News Dec.46-50(2004)]這些研究成果極大地豐富了人們對(duì)光柵自成像效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。當(dāng)光柵周期遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng)時(shí)，可以用傅立葉變換方法很好的解釋泰伯效應(yīng)，但是對(duì)于高密度光柵，由于其周期和入射光波長(zhǎng)相比擬，對(duì)于不同偏振態(tài)的入射光，其泰伯像也會(huì)不一樣，這時(shí)這種標(biāo)量方法將不再適用，必須求助于矢量方法，比如有限元、嚴(yán)格耦合波以及時(shí)域有限差分法。時(shí)域有限差分法是一種基于麥克斯韋方程的很強(qiáng)大的模擬電磁波傳播的工具[K.S.Yee，“Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations inisotropic media，”IEEE Trans.Antenna Propag.AP-14，302-307(1966)]、[A.Taflove，S.Hagness Computational ElectromagneticsThe Finite-Difference Time Domain Method，2ed.(Artech House，Boston，Mass.2000)]，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種電磁場(chǎng)問(wèn)題的求解，當(dāng)然也包括衍射光學(xué)元件的分析。
掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(以下簡(jiǎn)稱為SNOM)是利用頭部開(kāi)口為納米級(jí)的光纖探針作為接收或發(fā)射光信號(hào)裝置，在距離表面小于一個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)對(duì)物體表面進(jìn)行超過(guò)衍射極限分辨率的測(cè)量，得到普通光學(xué)顯微鏡得不到的微觀表面信息。掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡探針工作時(shí)距離表面小于一個(gè)波長(zhǎng)，很容易與表面接觸，這對(duì)于高精度光柵表面來(lái)說(shuō)會(huì)造成很大的損傷，甚至使整個(gè)光柵成為廢品。掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡也可以在接近物體表面處對(duì)物體表面成像[S.l.Bozhevolnyi，M.Xiao，andO.Keller，“External-Reflection Near-Field Optical Microscope With Cross-PolarizedDetection，”Applied Optics，Vol.33，No.5，1994，pp876]、[Igor I.Smolyaninov andChristopher C.Davis.“Apparent Superresolution In Near-Field Optical Imaging OfPeriodic Gratings，”O(jiān)ptics Letters，Vol.23，No.17，1998，pp 1346]，Bozhevolnyi、Smolyaninov等就利用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡得到了光柵的泰伯像。周長(zhǎng)河，羅紅心結(jié)合光柵自成像效應(yīng)和SNOM技術(shù)，提出了一種無(wú)損檢測(cè)高密度光柵表面質(zhì)量的技術(shù)(周常河，羅紅心，“光柵表面質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法和裝置，”發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?3151091.4)，但是他們?cè)跈z測(cè)光柵表面質(zhì)量的過(guò)程中對(duì)于入射光的偏振狀態(tài)并不特別關(guān)注，本發(fā)明特別引入1/4波片和偏振片，首先將入射的線偏振激光轉(zhuǎn)化為圓偏光，通過(guò)偏振片的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)TE波(入射光電矢量平行于光柵槽)和TM波(入射光電矢量垂直于光柵槽)的轉(zhuǎn)換，這樣利用SNOM技術(shù)，可以觀察到高密度光柵的偏振相關(guān)自成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)方法和裝置，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)高密度光柵在不同偏振態(tài)入射光下的自成像效應(yīng)；同時(shí)可以通過(guò)微動(dòng)平臺(tái)精確控制光柵與掃描探針之間的距離，盡可能的在泰伯面上掃描，提高了測(cè)量精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下本發(fā)明方法的核心是利用一片1/4波片和一片偏振片精確控制入射光的偏振態(tài)，將高密度光柵放在微動(dòng)平臺(tái)上，精確控制其位置，然后用納米開(kāi)口的光纖掃描不同偏振入射光下的泰伯像，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可獲得高密度光柵的偏振相關(guān)自成像。
一種高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)裝置，其特征在于包括一激光器，沿該激光器出射的激光束方向依次設(shè)1/4波片、偏振片、高密度光柵和頭部開(kāi)口的光纖探針，該高密度光柵放在微動(dòng)平臺(tái)上，該微動(dòng)平臺(tái)由計(jì)算機(jī)精確控制在激光束方向的移動(dòng)，所述的光纖探針由壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)進(jìn)行掃描，該壓電陶瓷管固定在一精密三維調(diào)節(jié)架上，該精密三維調(diào)節(jié)架上有三個(gè)相互垂直方向的調(diào)節(jié)旋鈕，以調(diào)節(jié)所述的光纖探針的掃描位置，所述的三維調(diào)節(jié)架固定在一底座上，該底座固定在防震平臺(tái)上，所述的光纖探針的尾部經(jīng)光電探測(cè)器與計(jì)算機(jī)相連。
所述的激光器為He-Ne激光器。
本發(fā)明的原理主要是利用高密度光柵的偏振自成像效應(yīng)。一維周期光柵復(fù)振幅透過(guò)率可表示為g(x)=Σn=-∞∞cnexp(i2πndx)---n=0,±1,±2,...----(1)]]>其中d為周期，物場(chǎng)分布的空間頻譜為G(fx)=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)---(2)]]>各平面波分量傳播過(guò)程中僅產(chǎn)生相移，則有H(fx)=exp(-iπλzfx2)exp(ikz)---(3)]]>觀察平面得到場(chǎng)分布頻譜為G′(fx)=G(fx)H(fx)=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)exp(-iπλzfx2)exp(ikz)]]>=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)exp[-iπλz(nd)2]exp(ikz)]]>(4)設(shè)沿光路傳輸方向?yàn)閦方向，當(dāng)滿足條件z=2md2λ,exp[-iλπz(nd)2]=1,]]>在這一特殊情況下，G′(fx)=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)exp(ikz)=G(fx)exp(ikz)---(5)]]>光場(chǎng)的復(fù)振幅為g′(x)＝g(x)exp(ikz)，強(qiáng)度分布I(x)＝|g′(x)|2＝|g(x)|2，與原物相同。于是在zt=2d2λ]]>的整數(shù)距離上，可以觀察到與原物相同的像。Zt則稱為泰伯距離。光柵的菲涅耳衍射場(chǎng)沿x、z均為周期性變化，在Zt處所得的泰伯像周期與光柵周期相同。在某些泰伯距離的整數(shù)分之一處也會(huì)出現(xiàn)泰伯像，只是出現(xiàn)的泰伯像的周期與原光柵不同。
對(duì)于高密度光柵由于其周期和入射光波長(zhǎng)相比擬，或者小于入射光波長(zhǎng)，這時(shí)在分析光柵衍射時(shí)必須考慮偏振的影響，此時(shí)傅立葉積分方法不再適用，必須利用矢量方法進(jìn)行分析。我們采用時(shí)域有限差分方法分析了偏振效應(yīng)在不同周期振幅型光柵自成像中的影響，光柵周期變化范圍為一倍波長(zhǎng)到四倍波長(zhǎng)。時(shí)域有限差分算法是一種基于麥克斯韋方程的嚴(yán)格矢量方法，我們知道光也是一種電磁波，所以也滿足麥克斯韋方程，在各向同性介質(zhì)中，麥克斯韋方程可以寫(xiě)成▿×E=-μ∂H∂t-σ*H---(6)]]>
▿×H=ϵ∂E∂t+σE---(7)]]>其中ε，μ，σ和σ*分別為介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和等效磁阻率。利用Yee氏網(wǎng)格和中心差分格式，可以將麥克斯韋方程進(jìn)行差分處理，對(duì)于TE偏振Eyn+1(i,k)=2ϵ(i,k)-σ(i,k)Δt2ϵ(i,k)+σ(i,k)ΔtEyn(i,k)]]>+2Δt2ϵ(i,k)+σ(i,k)Δt]]>×[Hxn+1(i,k)-Hxn+1(i,k-1)Δz]]>-Hzn+1(i,k)-Hzn+1(i-1,k)Δx]---(8)]]>Hxn+1(i,k)=Hxn(i,k)]]>+Δtμ(i,k)Eyn(i+1,k)-Eyn(i,k)Δz---(9)]]>Hzn+1(i,k)=Hzn(i,k)]]>+Δtμ(i,k)Eyn(i,k+1)-Eyn(i,k)Δx---(10)]]>可以得到這樣三個(gè)差分方程，其中Δz、Δx和Δt分別為空間步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)，i和k分別為x、z方向的網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)，n為時(shí)間步長(zhǎng)個(gè)數(shù)。通過(guò)給予一定的初始條件，就可以模擬電磁場(chǎng)時(shí)域上的傳播。對(duì)于TM情況可以做類似的處理。
對(duì)于不同周期的光柵，我們分別比較了不同偏振態(tài)入射光情況下，1/2泰伯距離上亮條紋中心的平均能流密度的比，定義為T(mén)ETM=⟨|E→(x,z,t)×H→(x,z,t)|⟩tTE⟨|E→(x,z,t)×H→(x,z,t)|⟩tTMz=0.5Ztx=0.75d---(11)]]>其中z＝0.5Zt是確定在1/2泰伯距離上，x＝0.75d是在0附近的亮條紋的中心。結(jié)果如圖2所示，當(dāng)光柵周期在2λ和3λ之間時(shí)，其自成像的差別尤其明顯，我們稱之為偏振相關(guān)自成像效應(yīng)[Y.Lu，C.Zhou，S.Wang，and B.Wang，“Polarization-dependentTalbot effect，”J.Opt.Soc.Am.A(錄用)]。
我們利用一片1/4波片和一片偏振片控制入射光的偏振態(tài)，通過(guò)由電腦控制的微動(dòng)平臺(tái)精確控制光柵和掃描探針之間的距離，這樣就能精確地在泰伯距離上得到高密度光柵不同偏振態(tài)下的自成像效應(yīng)。
光柵的泰伯像可以用CCD進(jìn)行觀察與測(cè)量，但常用的商用CCD探測(cè)器的最小像素尺寸在4～5微米左右，這遠(yuǎn)大于高密度光柵的周期(一微米左右)，因此，CCD探測(cè)器不適合于觀察高密度光柵泰伯像的細(xì)節(jié)信息。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、與周常河等人的光柵表面質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)裝置相比，實(shí)現(xiàn)并實(shí)驗(yàn)檢測(cè)高密度光柵在不同偏振態(tài)入射光下的自成像效應(yīng)；同時(shí)可以通過(guò)微動(dòng)平臺(tái)精確控制光柵與掃描探針之間的距離，盡可能的在泰伯面上掃描，提高了測(cè)量精度。
2、測(cè)量速度快，通常一次測(cè)量在幾分鐘之內(nèi)就可完成。
3、對(duì)環(huán)境要求不高，不需要真空或其它特殊的環(huán)境要求，可以現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)
圖1為本發(fā)明的測(cè)量裝置圖。其中1為激光器；2為激光束；3為1/4波片；4為偏振片；5為高密度光柵；6為光柵的泰伯像；7為微動(dòng)平臺(tái)；8為光纖探針；9為壓電陶瓷管；10為精密三維調(diào)節(jié)架；101為調(diào)節(jié)架豎直方向調(diào)節(jié)旋鈕；102、103為精密三維調(diào)節(jié)架水平方向調(diào)節(jié)旋鈕；104為固定底座，以保證三維調(diào)節(jié)架的穩(wěn)固；11為光電探測(cè)器；12為計(jì)算機(jī)。
圖2偏振相關(guān)自成像的時(shí)域有限差分算法計(jì)算結(jié)果。顯示了不同偏振態(tài)下，亮條紋中心與暗條紋中心的平均能流密度比隨光柵周期變化的關(guān)系，可以看出當(dāng)光柵周期在2λ和3λ之間時(shí)，其偏振自成像的差別尤其明顯。
圖3、圖4和圖5為本發(fā)明裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)得的密度為630l/mm振幅型光柵在1/2泰伯距離處的偏振泰伯像。
圖3為該光柵在入射光為T(mén)E偏振時(shí)的泰伯像。
圖4為該光柵在入射光為T(mén)M偏振時(shí)的泰伯像。
圖5是沿著光柵槽方向做了統(tǒng)計(jì)平均處理，以便去除光柵表面缺陷帶來(lái)的影響，其中實(shí)線為T(mén)E情況，虛線為T(mén)M情況，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚顯示了不同偏振態(tài)下光柵的自成像之間的差別。
本發(fā)明如圖1所示，采用一種納米開(kāi)口光纖掃描探針系統(tǒng)，掃描探針為近場(chǎng)顯微鏡的光纖探針，開(kāi)口為50-80納米，掃描系統(tǒng)為壓電陶瓷與三維調(diào)整架相結(jié)合。同時(shí)將光柵放在微動(dòng)平臺(tái)上，微動(dòng)臺(tái)由電腦控制，可以精確到每步30nm，因此可以精確控制光柵和掃描探針之間的距離，盡可能地使探針在泰伯面上掃描，這非常適合于高密度光柵自成像的掃描。另外我們通過(guò)使用一片1/4波片和一片偏振片，調(diào)節(jié)入射光的偏振態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了高密度光柵偏振相關(guān)自成像的測(cè)量。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1也是本發(fā)明高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)裝置，包括一激光器1，沿該激光器1出射的激光束2方向依次設(shè)1/4波片3、偏振片4、高密度光柵5和光纖探針8，該高密度光柵5放在微動(dòng)平臺(tái)7上，由計(jì)算機(jī)12精確控制該微動(dòng)平臺(tái)7在激光束2方向的移動(dòng)，頭部開(kāi)口的光纖探針8由壓電陶瓷管9驅(qū)動(dòng)進(jìn)行掃描，該壓電陶瓷管9固定在一精密三維調(diào)節(jié)架10上，該精密三維調(diào)節(jié)架10上有三個(gè)相互垂直方向的調(diào)節(jié)旋鈕101、102、103，以調(diào)節(jié)所述的光纖探針8的掃描位置，所述的三維調(diào)節(jié)架10固定在一底座104上，該底座104固定在防震平臺(tái)上，所述的光纖探針8的尾部經(jīng)光電探測(cè)器11與計(jì)算機(jī)12相連。
在本實(shí)施中，激光器1采用He-Ne激光器，其出射的激光束2為線偏振光，經(jīng)過(guò)1/4波片3變成圓偏振光，再通過(guò)偏振片4精確控制入射光的偏振態(tài)，然后照射在高密度光柵5上，在光柵后的泰伯距離處形成光柵的泰伯像6，光柵放在微動(dòng)平臺(tái)7上，由計(jì)算機(jī)12精確控制它在z方向的移動(dòng)，精度為每步30nm，頭部開(kāi)口50nm的光纖探針8由壓電陶瓷管9驅(qū)動(dòng)對(duì)泰伯像6進(jìn)行掃描，掃描范圍4.5μm×4.5μm。壓電陶瓷管9固定在精密三維調(diào)節(jié)架10上，通過(guò)三維調(diào)節(jié)架10上三個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕101、102、103調(diào)節(jié)光纖探針8的掃描位置，對(duì)光柵的泰伯像6進(jìn)行精確的掃描；三維調(diào)節(jié)架10固定在底座104上，通過(guò)底座固定在防震平臺(tái)上，以最大可能減少外界震動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響；光纖探針8探測(cè)的光信號(hào)經(jīng)光纖傳導(dǎo)進(jìn)入光電探測(cè)器11，這里使用光電倍增管，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，由計(jì)算機(jī)12進(jìn)行采集，并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。掃描所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均處理等更進(jìn)一步的分析。
圖3、4和5為密度為630l/mm(入射光波長(zhǎng)為0.6328μm，光柵周期約為2.5倍波長(zhǎng))振幅型光柵的掃描測(cè)量結(jié)果。光柵采用全息方法制成，基底為玻璃，表面為鉻層。圖3、4分別為T(mén)E、TM情況下掃描得到的1/2泰伯距離處的二維強(qiáng)度分布圖。圖5是沿著光柵槽方向做了統(tǒng)計(jì)平均處理，以去除光柵表面缺陷帶來(lái)的影響，其中實(shí)線為T(mén)E情況，虛線為T(mén)M情況，我們可以清楚的得到不同偏振態(tài)下高密度光柵的自成像。
本發(fā)明裝置非常適合于幾個(gè)微米范圍之內(nèi)的高密度光柵偏振相關(guān)自成像的測(cè)量，掃描精度可以達(dá)到50nm，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)方法，其特征在于該方法是利用一片1/4波片(3)和一片偏振片(4)精確控制入射光的偏振態(tài)，將高密度光柵(5)放在微動(dòng)平臺(tái)(7)上，精確控制其位置，然后用納米開(kāi)口的光纖探針(8)掃描不同偏振入射光下的泰伯像(6)，再由計(jì)算機(jī)(12)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可獲得高密度光柵的偏振相關(guān)自成像。
2.一種利用權(quán)利要求
1所述的方法進(jìn)行高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)裝置，其特征在于包括一激光器(1)，沿該激光器(1)出射的激光束(2)方向依次設(shè)1/4波片(3)、偏振片(4)、高密度光柵(5)和光纖，該高密度光柵(5)放在微動(dòng)平臺(tái)(7)上，由計(jì)算機(jī)(12)精確控制該微動(dòng)平臺(tái)(7)在激光束(2)方向的移動(dòng)，頭部開(kāi)口的光纖探針(8)由壓電陶瓷管(9)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行掃描，該壓電陶瓷管(9)固定在一精密三維調(diào)節(jié)架(10)上，該精密三維調(diào)節(jié)架(10)上有三個(gè)相互垂直方向的調(diào)節(jié)旋鈕(101、102、103)，以調(diào)節(jié)所述的光纖探針(8)的掃描位置，所述的三維調(diào)節(jié)架(10)固定在一底座(104)上，該底座(104)固定在防震平臺(tái)上，光纖探針(8)的尾部經(jīng)光電探測(cè)器(11)與計(jì)算機(jī)(12)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)裝置，其特征在于所述的激光器(1)為He-Ne激光器。
專利摘要
一種高密度光柵偏振相關(guān)自成像的探測(cè)方法和裝置，本發(fā)明方法的核心是利用一片1/4波片和一片偏振片精確控制入射光的偏振態(tài)，將光柵放在微動(dòng)平臺(tái)上，精確控制其位置，然后用納米開(kāi)口的光纖掃描不同偏振入射光下的泰伯像，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可獲得高密度光柵的偏振相關(guān)自成像。其裝置包括一激光器，沿該激光器出射的激光束方向依次設(shè)1/4波片、偏振片、高密度光柵和頭部開(kāi)口的光纖探針，該高密度光柵放在微動(dòng)平臺(tái)上，該微動(dòng)平臺(tái)由計(jì)算機(jī)精確控制在激光束方向的移動(dòng)，所述的光纖探針由壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)進(jìn)行掃描，所述的光纖探針的尾部經(jīng)光電探測(cè)器與計(jì)算機(jī)相連。本發(fā)明可檢測(cè)高密度光柵在不同偏振態(tài)入射光下的自成像效應(yīng)，測(cè)量精度高。
文檔編號(hào)G01Q60/18GKCN1858575SQ200610025925
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年4月21日
發(fā)明者周常河, 陸云清 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan