納米分辨微小光斑光強分布檢測系統設計

劉仲之++單秋霞++馬振新++董祥美

摘要： 介紹了現有的微小光斑測量技術，針對納米分辨率檢測精度要求，對納米分辨微小光斑光強分布檢測技術進行深入研究，設計和構建了具有納米分辨的微小光斑光強分布檢測系統。利用該檢測系統進行了低數值孔徑弱聚焦下所形成的微光場光強分布檢測實驗，得到較好的光強分布圖。實驗結果表明，該檢測系統具有可靠性高、穩定性好、便于操作等優點。

關鍵詞： 光強分布檢測； 微小光斑； 納米分辨率

中圖分類號： TN 247文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.01.002

Intensity distribution measuring system design of

small light spot with nanometer resolution

LIU Zhongzhi， SHAN Qiuxia， MA Zhenxin， DONG Xiangmei

（School of OpticalElectrical and Computer Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： After introducing the existing measuring technique， the intensity distribution measuring technique of small light spot with nanometer resolution is investigate deeply based on requirements of nanometer resolution testing. Intensity distribution measuring system of small light spot was designed and constructed. By using intensity distribution measuring system which conducts light field intensity distribution detection experiment under low numerical aperture， a good surface of intensity distribution is obtained. The experimental results show that the intensity distribution measuring system has advantages of high reliability， good stability， and userfriendly interface.

Keywords： intensity distribution measurement； small light spot； nanometer resolution

引言

微小光斑光強檢測技術具有重要的理論研究意義和廣泛的應用前景。譬如在光信息存儲、光學微操縱、光學加工、成像及光電檢測等領域中就普遍存在對微小光斑光強分布檢測的需求，并且對光強分布檢測分辨率的要求越來越高[15]。此外，在研究特殊標量或矢量光束的傳輸及聚焦特性等工作中，也需借助高分辨率微小光斑光強分布檢測技術對特殊微光斑的實際能量分布、形狀和尺寸進行精確的測量和評價[67]。

現在常用的微小光斑光強檢測技術有：套孔法、刀口掃描法、狹縫掃描法、CCD成像法和小孔掃描法[812]。套孔法由于實驗上很難做到孔與光束同心，精確度難保證且只適用于測量形狀規則、能量分布對稱的高斯光束；刀口掃描法和狹縫掃描法測量精度比較高，即使是高功率的激光，也能夠精確地測量微米級光斑，最小光斑直徑可到1 μm[910]，但這兩種方法通常也用于測量形狀規則、能量分布對稱的高斯光束，僅適合一般實驗室激光光束直徑測量的需要；CCD法雖然可以測量不規則形狀的光斑，但CCD像素間距一般為幾個到幾十個微米，其間距限制了測量精度，同時對于高功率激光，CCD存在飽和現象，如用衰減片會引起光束畸變，所以一般僅適用于低功率的光束檢測[11]。

探針掃描法是對微小光斑的光強直接用小孔進行局部采樣，進行光電探測，并驅動小孔精密掃描，而得到微小光斑的光強分布。該方法原理類似于掃描近場光學顯微技術的原理，但是不包含控制探針與被測樣品間距的模塊。該檢測方法的分辨率和檢測精度取決于小孔的大小和掃描精度。

本文正是基于光纖探針和壓電陶瓷掃描這兩項技術，設計和構建了具有納米分辨的微小光斑光強分布檢測系統，檢測用光纖探針的有效孔徑為30 nm，能夠對待測光斑進行直徑為30 nm 尺寸范圍的光強采樣檢測。該系統與之前基于壓電陶瓷管進行掃描的測量系統不同[12]，該掃描系統能夠帶動光纖探針頂端在一個平面（xy平面）內并結合第三維（z軸）的線性移動，可實現真正意義上光斑光強三維分布納米分辨檢測，并具有后續圖像重構處理簡單、可靠性高、穩定性好、便于操作等特點。

光學儀器第38卷

第1期劉仲之，等：納米分辨微小光斑光強分布檢測系統設計

1微小光斑光強檢測系統

整個微小光斑光強檢測系統主要包括探針探測部分、對準與掃描部分、輔助觀測部分和數據處理部分。系統結構圖如圖1所示，光束入射側移補償片、分光鏡和可調光闌后，被分光鏡反射后垂直向上傳播，再經過光斑處理模塊產生待測微小光斑，本文用顯微物鏡來做光斑處理器時，光束經過顯微物鏡聚焦后形成的焦斑就是一個微米級小光斑，以這個小焦斑為待測光斑，該檢測系統就可以測量焦點附近光場分布。具有納米分辨率的高精度平移臺帶動光纖探針在被測區域進行光強掃描，光纖探針另一端的光電探測器進行光電轉換，實現微小光斑光強檢測。圖中橫向（xy平面）監測模塊，可觀測光纖探針的橫向位置，與三維對準模塊形成閉環，精確控制光纖探針的橫向定位、掃描區域選擇和測量掃瞄。縱向（z軸）監測模塊用于對光纖探針的縱向位置進行監測，同樣與三維對準模塊形成閉環，精確控制光纖探針縱向位置。圖2為本文微小光斑光強檢測系統的左前側視圖和右側視圖。