納米分辨微小光斑光強分布檢測系統(tǒng)設計

劉仲之,單秋霞,馬振新,董祥美

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海　200093)

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納米分辨微小光斑光強分布檢測系統(tǒng)設計

劉仲之,單秋霞,馬振新,董祥美

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海200093)

摘要：介紹了現(xiàn)有的微小光斑測量技術(shù),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(shù)進行深入研究,設計和構(gòu)建了具有納米分辨的微小光斑光強分布檢測系統(tǒng)。利用該檢測系統(tǒng)進行了低數(shù)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(jié)果表明,該檢測系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性好、便于操作等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：光強分布檢測; 微小光斑; 納米分辨率

引言

微小光斑光強檢測技術(shù)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(lǐng)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[1-5]。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(shù)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[6-7]。

現(xiàn)在常用的微小光斑光強檢測技術(shù)有:套孔法、刀口掃描法、狹縫掃描法、CCD成像法和小孔掃描法[8-12]。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(guī)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[9-10],但這兩種方法通常也用于測量形狀規(guī)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(guī)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(xiàn)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(qū)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(shù)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(shù),設計和構(gòu)建了具有納米分辨的微小光斑光強分布檢測系統(tǒng),檢測用光纖探針的有效孔徑為30 nm,能夠?qū)Υ郎y光斑進行直徑為30 nm 尺寸范圍的光強采樣檢測。該系統(tǒng)與之前基于壓電陶瓷管進行掃描的測量系統(tǒng)不同[12],該掃描系統(tǒng)能夠帶動光纖探針頂端在一個平面(x-y平面)內(nèi)并結(jié)合第三維(z軸)的線性移動,可實現(xiàn)真正意義上光斑光強三維分布納米分辨檢測,并具有后續(xù)圖像重構(gòu)處理簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好、便于操作等特點。

1微小光斑光強檢測系統(tǒng)

整個微小光斑光強檢測系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,光束入射側(cè)移補償片、分光鏡和可調(diào)光闌后,被分光鏡反射后垂直向上傳播,再經(jīng)過光斑處理模塊產(chǎn)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(jīng)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(tǒng)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(qū)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(zhuǎn)換,實現(xiàn)微小光斑光強檢測。圖中橫向(x-y平面)監(jiān)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(huán),精確控制光纖探針的橫向定位、掃描區(qū)域選擇和測量掃瞄。縱向(z軸)監(jiān)測模塊用于對光纖探針的縱向位置進行監(jiān)測,同樣與三維對準模塊形成閉環(huán),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(tǒng)的左前側(cè)視圖和右側(cè)視圖。

圖1　微光斑光強檢測系統(tǒng)Fig.1　Detection system of light intensity for micro spot

在橫向(x-y平面)監(jiān)測模塊和縱向(z軸)監(jiān)測模塊的監(jiān)測輔助作用下,可以正確地把光纖探針移動到待測光場,檢測裝置調(diào)試操作結(jié)束。光強檢測原理如圖3所示,檢測用的光纖探針的有效孔徑為30 nm,能夠?qū)Υ郎y光斑進行直徑為30 nm 尺寸范圍的光強采樣檢測。驅(qū)動光纖探針的三維納米平臺單步移動分辨為0.1 nm,能夠帶動光纖探針在x-y-z三維空間范圍內(nèi)進行30 μm×30 μm×10 μm范圍進行逐行、逐層的線性掃描采樣運動,通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)待測光場的三維空間光強的檢測。

圖2　檢測系統(tǒng)實物圖Fig.2　Picture of the detection system

圖3　光強檢測原理示意圖Fig.3　Detection principle

圖4　橫截面上檢測光強分布Fig.4　The light intensity distribution on the cross section of detection

2實驗測試結(jié)果與討論

利用微小光斑光強檢測裝置對He-Ne激光器產(chǎn)生的高斯光束經(jīng)過低數(shù)值孔徑透鏡聚焦所產(chǎn)生的焦點區(qū)域光強分別進行檢測。實驗用10×顯微物鏡的擴束鏡,針孔為25 μm,準直鏡為雙膠合透鏡且焦距f=200 mm,擴束準直后光斑的直徑D=10 mm,會聚透鏡為雙膠合透鏡且焦距f=100 mm,會聚透鏡實際數(shù)值孔徑NA=0.04。

由于工作物鏡的實際數(shù)值孔徑非常小,所以高斯光束的瑞利距離很長,在200 μm范圍。實驗時,控制電控平臺找到焦點區(qū)域,然后鎖緊電控平臺,此時,光軸(z軸)方向納米平臺位于會聚透鏡后焦點遠離會聚透鏡區(qū)域,壓電陶瓷通電,設此位置為納米平臺z軸的坐標初始位置,記為z=0,給納米平臺通電后,納米平臺z軸會由初始位置逐漸靠近會聚透鏡,用相對坐標值來表示。本實驗在焦平面前后沿光軸10 μm范圍內(nèi)進行多層掃描,z軸(光軸)逐層掃描步距為1 μm,取其中一組z=8進行分析,如圖4如示。利用Mathematica軟件對實驗檢測到的光強分布進行高斯擬合,擬合高斯函數(shù)表達式為

E(x,y)=c+aexp[-b(y-y0)2-b(x-x0)2]

(1)

擬合所得參數(shù)振幅a=3.49 057,b=1/w2=0.034 541,w2為高斯光束在待檢測面位置的束腰參數(shù),背景噪聲c=-0.170 388,高斯光束中心強度最大點坐標位置(17.493 5,17.521 2)。圓滑曲線是用擬合的參數(shù)繪制的高斯光強圖。

從圖4中可以明顯看出,實際測量的數(shù)據(jù)直接形成的等照度線不是光滑的,有很多毛刺存在,而且毛刺分布有一定統(tǒng)計規(guī)律性。如圖5(a)所示SCAN軸是掃描軸,掃描時,光纖探針沿著SCAN軸從x=0的位置逐點掃描探測到x=15的位置,邊掃描邊記錄存儲數(shù)據(jù),然后x方向壓電陶瓷平臺帶動探針快速回SCAN軸的x=0位置,返回過程并不記錄存儲數(shù)據(jù)。這是一個連續(xù)進行的過程,成為一個單行掃描周期。完成一個單行掃描周期后,探針在y方向壓電陶瓷平移臺的載動下,沿STEP軸以掃描前設定的確定步長走一步,然后進入下一個單行掃描周期,得到測量數(shù)據(jù)。擬合用高斯函數(shù)表示為

(2)

擬合所得參數(shù)如表1,用該擬合參數(shù)繪制的高斯曲線如圖5(b)中所示。

圖5　多條同一掃描行實測數(shù)據(jù)

同理,把同一SCAN軸掃描的數(shù)據(jù)求和,即沿著圖6(a)中直線表示的數(shù)據(jù)求和,這表示把每一個單步掃描周期中抽取一個數(shù)據(jù)點然后進行求和,這些點來自不同的單步掃描周期,在時間上不是緊密聯(lián)系的,是從不同時間段內(nèi)抽出的點,但是具有相同的x坐標。把該SCAN軸上的所有數(shù)據(jù)求和,繪制高斯函數(shù)曲線,擬合用高斯函數(shù)表示為:

(3)

擬合所得參數(shù)如表1,用該擬合參數(shù)繪制的高斯曲線如圖6(b)中所示。

圖6　多條同一步進行實測數(shù)據(jù)

axbxcxx0aybycyy0101.6220.0410399-0.22512817.1298.9990.0416631-0.71684417.34

3結(jié)論

從上面的數(shù)據(jù)可以看出,每行掃描的數(shù)據(jù)非常光滑,但是光強最大值出現(xiàn)隨機漂移,這是因為檢測系統(tǒng)在設計初期使用氣體激光器作為光源,沒有考慮到氣體激光器的溫漂的影響對測量結(jié)果影響如此嚴重,因此必須對光源做相應的處理,以消除功率不穩(wěn)定對測量結(jié)果的準確性的影響。同時實驗結(jié)果也表明:本檢測系統(tǒng)測量的空間分辨率可以達到30~50 nm,并且具有可靠性強、穩(wěn)定性好、便于操作等優(yōu)點,可廣泛應用于科學研究和光學技術(shù)領(lǐng)域中。

參考文獻：

[1]BRAND U,HESTER G,GROCHMALICKI J. et al.Super-resolution in optical data storage[J].Journal Optics A:Pure and Applied Optics,1999,1:794.

[2]WANG H,CHEN Z,GAN F.Phase-shifting apodizer for next generation digital versatile disk[J].Optical Engineering,2001,40(6):991-994.

[3]WILSON T,SHEPPARD C J R.Theory and practice of scanning optical microscopy [M].London:Academic Press,1984.

[4]MACDONALD M P,SPALDING G C,DHOLAKIA K,Microfluidic sorting in an optical lattice [J].Nature,2003,426(6965):421-424.

[6]ZHAN Q.Cylindrical vector beams:from mathematical concepts to applications [J].Advances in Optics and Photonics,2009,1(1):1-57.

[7]GAO X M,ZHAN Q F,LI J S,et al.Dark focal spot shaping of hyperbolic-cosine-Gaussian beam [J].Journal of the Optical Society of America b,2010,27(4):696-702.

[8]蘇毅,萬敏.高能激光系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004:247-253.

[9]熊小華.刀口法測量高斯光束腰斑大小實驗設計 [J].南昌航空工業(yè)學院學報:自然科學版，2000,14(3):73-75.

[10]樊心民,鄭義,王冠軍,等.90/10刀口法測量高斯激光光束束腰帶兩種計算方法[J].應用激光,2008,28(2):139- 141.

[11]胡林亭,盧顯葵,金俊坤,等.CCD測量激光光斑方法研究[J].激光技術(shù),2001,25(2):154-156.

[12]徐文東,干福熹.測量大數(shù)值孔徑光學系統(tǒng)小光斑的方法 [J].中國激光,2003,30(2):171-174.

(編輯:張磊)

Intensity distribution measuring system design of small light spot with nanometer resolution

LIUZhongzhi,SHANQiuxia,MAZhenxin,DONGXiangmei

(School of Optical-Electrical 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 user-friendly interface.

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

中圖分類號：TN 247

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.002

作者簡介：劉仲之(1990—),男,碩士研究生,主要從事激光光斑的研究。E-mail:573672987@qq.com

基金項目：上海市自然科學基金(14ZR1428500)

收稿日期：2015-04-08