專利名稱：一種納米光學(xué)多參數(shù)測量平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于近場光學(xué)顯微鏡的納米光學(xué)材料和納米光子學(xué)器件的多參數(shù)測量平臺。
背景技術(shù)：
納米光子學(xué)的研究近年來已經(jīng)迅速成為國際上的前沿和熱點(diǎn)，其目標(biāo)是在納米尺度上操縱和控制光子，實(shí)現(xiàn)對光波和光場的調(diào)控，發(fā)展體積更小、速度更快、效率更高、信號更強(qiáng)的光學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)集成光子回路，為下一代信息技術(shù)提供更為強(qiáng)大的物理理論基礎(chǔ)和制作技術(shù)基礎(chǔ)。納米光子學(xué)器件利用光學(xué)近場作為信號載體，通過納米尺度的材料和結(jié)構(gòu)與光學(xué)近場之間的局域電磁相互作用實(shí)現(xiàn)各種功能，具有傳統(tǒng)電子學(xué)器件所無法比擬的優(yōu)勢和特點(diǎn)。在納米光子學(xué)器件中，光子晶體、表面等離激元器件、光學(xué)超穎材料(Metamaterial)器件和光學(xué)負(fù)折射率材料等研究是最為活躍的幾個(gè)領(lǐng)域。深刻理解和透徹 認(rèn)識這些器件和材料中的納米光場尤其是光學(xué)隱失場(evanescent field)的特性及其與物質(zhì)相互作用的物理機(jī)制，是推動這些領(lǐng)域研究進(jìn)展的關(guān)鍵。對納米光子學(xué)器件的研究需要建立在對其納米光場的多種物理參數(shù)進(jìn)行定量測量的基礎(chǔ)上。近場光學(xué)方法和技術(shù)為此提供了強(qiáng)有力的工具。掃描近場光學(xué)顯微鏡(Scanning Near-field Optical Microscope, SN0M)是近場光學(xué)研究的典型設(shè)備，能夠探測到束縛在物體表面的攜帶高于2/λ空間頻率的非輻射場分量，即隱失場分量，并通過掃描獲得超衍射極限分辨率的光學(xué)成像，其空間分辨率能達(dá)到幾十納米甚至更高的水平。掃描近場光學(xué)顯微鏡現(xiàn)已成為微納尺度下光學(xué)研究的重要技術(shù)手段，現(xiàn)在已經(jīng)有較為成熟的商業(yè)產(chǎn)品(如以色列Nanonics、俄羅斯NT-MDT、德國Witec等)。然而目前的商用SNOM系統(tǒng)所配備的激發(fā)光路普遍存在靈活性不夠、可調(diào)參數(shù)尤其是入射角度極其有限的問題，而所配備的樣品臺也往往體積較大、開放性小、樣品調(diào)節(jié)自由度少。激發(fā)光路和樣品調(diào)節(jié)的單一性極大地限制了納米光子學(xué)器件和材料的光學(xué)激發(fā)和光學(xué)特性測量。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種納米光子多參數(shù)測量平臺，以實(shí)現(xiàn)在納米光子學(xué)器件的指定區(qū)域內(nèi)激發(fā)波長可變、入射角度可調(diào)、偏振狀態(tài)可控的光激勵(lì)。(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種納米光子多參數(shù)測量平臺，包括多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)、樣品位置方向微調(diào)單元、顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)、掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，所述樣品位置方向微調(diào)單元用于安裝待測樣品，所述多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)為待測樣品提供照明激發(fā)光源信號，所述顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)待測樣品的成像區(qū)域并采集待測樣品的圖像信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，所述掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)采集待測樣品的光學(xué)近場信息并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)將光學(xué)近場信息進(jìn)行處理后顯示。
其中，所述多參數(shù)可變照明激發(fā)系統(tǒng)在激發(fā)光光路方向上依次設(shè)有照明激發(fā)光源、光源整形單元、偏振狀態(tài)控制單元和入射角控制單元，所述照明激發(fā)光源發(fā)出的光首先經(jīng)光源整形單元后成為準(zhǔn)直平行光束，再經(jīng)過偏振狀態(tài)控制單元成為具有特定偏振狀態(tài)的平行光束，繼而經(jīng)過入射角控制單元，以特定的入射角度入射到待測樣品上。其中，所述照明激發(fā)光源為白光光源、激光二極管或激光器。其中，所述光源整形單元在激發(fā)光光路方向上依次設(shè)有光束擴(kuò)束器、光束準(zhǔn)直器、空間濾波器和光束轉(zhuǎn)折器。其中，所述入射角控制單元包括反射鏡、一維電動平移臺和電動旋轉(zhuǎn)臺，所述反射鏡固定在電動旋轉(zhuǎn)臺上，所述電動旋轉(zhuǎn)臺通過支架固定在一維電動平移臺上。其中，所述樣品位置方向微調(diào)單元包括樣品臺、樣品微動平移臺和樣品微動轉(zhuǎn)臺，所述樣品微動平移臺嵌入樣品臺的中部，所述樣品微動轉(zhuǎn)臺固定在樣品微動平移臺上，將待測樣品固定在樣品微動轉(zhuǎn)臺上。 其中，所述樣品位置方向微調(diào)單元還包括隱失場耦合激發(fā)單元，所述隱失場耦合激發(fā)單元安裝在所述樣品微動平移臺上。其中，所述隱失場耦合激發(fā)單元包括棱鏡、棱鏡固定架和折射率匹配油，所述棱鏡固定架安裝在所述樣品微動平移臺上，所述棱鏡安裝在棱鏡固定架中，制備有待測樣品的基底并置于所述棱鏡的表面，并在所述基底和棱鏡二者之間滴入折射率匹配油。其中，所述顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)包括可調(diào)反射鏡、變倍顯微鏡筒、軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及CCD攝像頭，所述軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的底部固定在樣品臺上，其上部用于固定變倍顯微鏡筒，所述可調(diào)反射鏡安裝在樣品臺上并位于變倍顯微鏡筒的下方，所述CCD攝像頭固定在變倍顯微鏡筒的上方并與所述計(jì)算機(jī)連接。其中，所述掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)包括掃描頭、近場光學(xué)探針、控制箱和探測器，所述掃描頭置于待測樣品的上方，所述近場光學(xué)探針與掃描頭的底部連接并位于待測樣品的上方，所述探測器的兩端分別與掃描頭和控制箱連接，所述掃描頭和控制箱連接，所述控制箱與計(jì)算機(jī)連接。(三)有益效果上述技術(shù)方案提供的一種納米光子多參數(shù)測量平臺，包括多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)、樣品位置方向微調(diào)單元、顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)、掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)為待測樣品提供照明激發(fā)光源信號，顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)待測樣品的成像區(qū)域并采集待測樣品的圖像信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)采集待測樣品的光學(xué)近場信息并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將光學(xué)近場信息進(jìn)行處理后顯示，其結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、可實(shí)現(xiàn)多自由度調(diào)節(jié)，便于研究納米光子學(xué)器件的各種光學(xué)特性，既能夠?qū)崿F(xiàn)對納米光子學(xué)器件的給定激發(fā)區(qū)域進(jìn)行激發(fā)波長可變、入射角度連續(xù)可調(diào)、偏振狀態(tài)可控的光激勵(lì)，又能夠?qū)Σ煌ぐl(fā)條件下的納米光子學(xué)器件進(jìn)行超分辨的光學(xué)測量和表征；樣品位置方向微調(diào)單元還包括隱失場耦合激發(fā)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)隱失場耦合以及激發(fā)光方向和樣品取向的精確對準(zhǔn)；該測量平臺與外差干涉系統(tǒng)、光譜探測系統(tǒng)等多種測量系統(tǒng)相結(jié)合還能夠?qū)崿F(xiàn)對納米材料和器件的微觀形貌、光學(xué)特性、納米光譜、光場矢量、微觀物質(zhì)分布成分、分子結(jié)構(gòu)和振動、納米光子學(xué)器件的功能進(jìn)行多參數(shù)綜合測量和表征；。


圖I是本發(fā)明一種納米光學(xué)多參數(shù)測量平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的入射角控制單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明采用隱失場耦合激發(fā)的測量平臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例一的金屬納米小孔結(jié)構(gòu)與激發(fā)光電場方向?qū)?zhǔn)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例一的金屬納米小孔的近場光強(qiáng)分布曲線；圖6是本發(fā)明實(shí)施例二的光滑金膜在隱失場耦合激發(fā)下的近場強(qiáng)度隨入射角變化曲線；圖7是本發(fā)明實(shí)施例三的近場光強(qiáng)散射型探測系統(tǒng)示意圖； 圖8是本發(fā)明實(shí)施例三的光滑金膜在線偏振激發(fā)和徑向偏振激發(fā)下的近場光強(qiáng)曲線分布圖。其中1、信號傳輸方向；2、激發(fā)光入射光路；3、樣品成像光路；4、光學(xué)信息收集光路；5、照明激發(fā)光源；6、光源整形單元；7、偏振狀態(tài)控制單元；8、入射角控制單元；9、待測樣品；10、樣品微動轉(zhuǎn)臺；11、樣品微動平移臺；12、樣品臺；13、可調(diào)反射鏡；14、變倍顯微鏡筒；15、軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；16、CXD攝像頭；17、計(jì)算機(jī)；18、近場光學(xué)探針；19、探測器；20、掃描頭；21、控制箱；22、反射鏡；23、和電動旋轉(zhuǎn)臺；24、一維電動平移臺；25、棱鏡；26、棱鏡固定架；27、折射率匹配油；28、激發(fā)光的電場方向；29、BOWtie孔徑；30、分光鏡。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖I,圖中I為信號傳輸方向，2為激發(fā)光入射光路,3為樣品成像光路,4為光學(xué)信息收集光路，本發(fā)明的一種納米光學(xué)多參數(shù)測量平臺，包括多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)、樣品位置方向微調(diào)單元、顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)、掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，樣品位置方向微調(diào)單元用于安裝待測樣品9，多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)為待測樣品9提供照明激發(fā)光源信號，顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)待測樣品的成像區(qū)域并采集待測樣品的圖像信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)17進(jìn)行顯示，掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)采集待測樣品的光學(xué)近場信息并發(fā)送給計(jì)算機(jī)17,計(jì)算機(jī)17將光學(xué)近場信息進(jìn)行處理后顯示。樣品位置方向微調(diào)單元和顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)照明激發(fā)光和樣品待測區(qū)域的精確對準(zhǔn)。多參數(shù)可變照明激發(fā)系統(tǒng)在激發(fā)光光路方向上依次設(shè)有照明激發(fā)光源5、光源整形單元6、偏振狀態(tài)控制單元7和入射角控制單元8，照明激發(fā)光源5發(fā)出的光首先經(jīng)光源整形單元6后成為準(zhǔn)直平行光束，再經(jīng)過偏振狀態(tài)控制單元7成為具有特定偏振狀態(tài)的平行光束，繼而經(jīng)過入射角控制單元8，以特定的入射角度入射到待測樣品9上。其中，照明激發(fā)光源5可以是白光光源，也可以是激光二極管和激光器。其中，光源整形單元6在激發(fā)光光路方向上依次設(shè)有光束擴(kuò)束器、光束準(zhǔn)直器、空間濾波器和光束轉(zhuǎn)折器，其中，光束擴(kuò)束器和光束準(zhǔn)直器由透鏡組構(gòu)成，空間濾波器由狹縫或針孔構(gòu)成，光束轉(zhuǎn)折器由反射鏡組構(gòu)成。其中，偏振狀態(tài)控制單元7在激發(fā)光光路方向上依次設(shè)有偏振片、波片和偏振轉(zhuǎn)換器件；要改變激發(fā)光的偏振狀態(tài)，調(diào)節(jié)偏振片即可獲得線偏振光束，調(diào)節(jié)波片即可實(shí)現(xiàn)線偏振方向的旋轉(zhuǎn)，而調(diào)節(jié)偏振轉(zhuǎn)換器件則可獲得柱對稱光束，如切向、徑向偏振光束。
如圖2，入射角控制單元8包括反射鏡22、一維電動平移臺24和電動旋轉(zhuǎn)臺23，反射鏡22固定在電動旋轉(zhuǎn)臺23上，電動旋轉(zhuǎn)臺23通過支架固定在一維電動平移臺24上。要改變激發(fā)光的入射角，反射鏡22用于改變激發(fā)光的入射角度，以將入射光反射到待測樣品9上，電動旋轉(zhuǎn)臺23用于控制反射鏡22的傾角，而一維電動平移臺24則用來控制反射鏡22的水平位置，從而控制光斑照射到待測樣品9表面給定的位置。反射鏡22在不同的位置、以不同的傾角置于光路中時(shí)，可將激發(fā)光束以給定的角度照射到樣品表面，從而實(shí)現(xiàn)入射角度定量和連續(xù)的變化，其角度調(diào)節(jié)范圍可達(dá)±60°，圖2中中間為調(diào)節(jié)角度為0°，其左側(cè)為正角調(diào)節(jié)，其右側(cè)為負(fù)角調(diào)節(jié)。精確控制反射鏡22的傾角和位置，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)激發(fā)光入射角度的精確調(diào)節(jié)，另一方面能夠保證照明激發(fā)光斑始終處于樣品上的同一位置并具有一定的定位精度，照明定位精度可達(dá)O. 1-0. 5mm。樣品位置方向微調(diào)單元包括樣品臺12、樣品微動平移臺11和樣品微動轉(zhuǎn)臺10，樣品微動平移臺11嵌入樣品臺12的中部，樣品微動轉(zhuǎn)臺10固定在樣品微動平移臺11上，將待測樣品9固定在樣品微動轉(zhuǎn)臺10上。通過調(diào)節(jié)樣品微動轉(zhuǎn)臺10可使待測樣品9在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以確定待測樣品9結(jié)構(gòu)的取向；通過調(diào)節(jié)樣品微動平移臺11可進(jìn)行待測樣品9水平位置的精確調(diào)節(jié)；樣品微動轉(zhuǎn)臺10和樣品微動平移臺11既可以通過手動進(jìn)行大范圍 調(diào)節(jié)，也可以通過步進(jìn)電機(jī)或壓電陶瓷驅(qū)動器進(jìn)行高精度自動調(diào)節(jié)。如圖3，為了要對樣品進(jìn)行隱失場耦合激發(fā)，可在樣品位置方向微調(diào)單元上設(shè)有隱失場耦合激發(fā)單元。該隱失場耦合激發(fā)單元包括棱鏡25、棱鏡固定架26和折射率匹配油27，棱鏡固定架26安裝在樣品微動平移臺11上，棱鏡25安裝在棱鏡固定架26中，制備有待測樣品9的基底置于棱鏡25的表面，并在基底和棱鏡25 二者之間滴入折射率匹配油27，該折射率匹配油27的折射率與棱鏡25和基底的折射率相匹配。要對待測樣品9進(jìn)行隱失場耦合激發(fā)，則需要取下樣品微動轉(zhuǎn)臺10，安裝隱失場耦合激發(fā)單元。通過入射角調(diào)節(jié)單元將入射角度調(diào)節(jié)至大于棱鏡25全內(nèi)反射臨界角的角度，即可使激發(fā)光發(fā)生全內(nèi)反射,實(shí)現(xiàn)待測樣品9的隱失場激發(fā)，再微調(diào)入射角度以滿足特定的激發(fā)角度(如表面等離激元諧振角)的需求。顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)包括可調(diào)反射鏡13、變倍顯微鏡筒14、軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)15以及CXD攝像頭16，軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)15的底部固定在樣品臺12上，其上部用于固定變倍顯微鏡筒14，可調(diào)反射鏡13安裝在樣品臺12上并位于變倍顯微鏡筒14的下方，CXD攝像頭16固定在變倍顯微鏡筒14的上方，CXD攝像頭16與計(jì)算機(jī)17連接。待測樣品9通過可調(diào)反射鏡13和變倍顯微鏡筒14成像到CXD攝像頭16上，再通過計(jì)算機(jī)17顯示；變倍顯微鏡筒14由軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)15控制其靈活移動，以調(diào)節(jié)待測樣品9的成像倍率和成像區(qū)域。掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)包括掃描頭20、近場光學(xué)探針18、控制箱21和探測器19，掃描頭20置于待測樣品9的上方，近場光學(xué)探針18與掃描頭20的底部連接并位于待測樣品9的上方，探測器19的兩端分別與掃描頭20和控制箱21連接，掃描頭20和控制箱21連接，控制箱21與計(jì)算機(jī)17連接?？刂葡?1 —方面控制掃描頭20操縱近場光學(xué)探針18接近待測樣品9的表面，并控制近場光學(xué)探針18在豎直方向上與待測樣品9表面之間的距離保持恒定；另一方面驅(qū)動掃描頭20帶動近場光學(xué)探針18在水平方向上實(shí)現(xiàn)二維掃描，以收集待測樣品9的近場光學(xué)信息。探測器19通過光纖或相關(guān)光路與近場光纖探針18相連接，以實(shí)現(xiàn)近場光學(xué)測量。待測樣品9表面的光學(xué)近場信息由近場光學(xué)探針18收集，再通過光纖或相關(guān)光路傳遞至探測器19。當(dāng)近場光學(xué)探針18進(jìn)入到待測樣品9表面的光學(xué)近場區(qū)域時(shí)，通過控制箱21驅(qū)動掃描頭20帶動近場光學(xué)探針18在樣品表面掃描，同時(shí)探測器19探測近場光學(xué)探針18收集到待測樣品9各點(diǎn)的光信號，即可獲得待測樣品9表面的近場光學(xué)信息的圖像，最終經(jīng)過計(jì)算機(jī)17處理和顯示出來。優(yōu)選地，掃描頭20可以是采用剪切力反饋控制的近場光學(xué)顯微鏡掃描頭，也可以是采用原子力反饋控制的原子力顯微鏡掃描頭，還可以是采用隧道電流反饋控制的掃描隧道顯微鏡掃描頭。優(yōu)選地，近場光學(xué)探針18可以是孔徑探針，也可以是無孔徑探針；其中孔徑探針和無孔徑探針可以是裸探針，也可以是鍍金屬膜探針，還可以是金屬探針，并在探針頂端附著金屬納米顆粒使得該近場光學(xué)探針18成為功能化探針。該近場光學(xué)探針18還可以是其他等離激元功能探針。其中，金屬膜層材料可以是金、銀、鋁或其它金屬；納米顆?？梢允墙鸺{米顆粒、銀納米顆?；蚓哂匈F金屬核殼結(jié)構(gòu)層的納米顆粒。
優(yōu)選地，探測器可以是光電探測器、光功率計(jì)、CXD攝像頭、光譜分析儀、外差干涉儀、示波器中的一種或幾種。其中光電探測器可以是光電倍增管、雪崩光電探測器也可以是紅外或者可見光探測器。光譜分析儀可以是拉曼光譜分析儀或瑞利光譜分析儀。外差干涉儀可以是邁克爾遜干涉儀、馬赫-陳德干涉儀或泰曼干涉儀。上述技術(shù)方案所提供的一種納米光學(xué)多參數(shù)測量平臺具有如下優(yōu)點(diǎn)既能夠?qū)崿F(xiàn)對納米光子學(xué)器件的給定激發(fā)區(qū)域進(jìn)行激發(fā)波長可變、入射角度連續(xù)可調(diào)、偏振狀態(tài)可控的光激勵(lì)，以及能夠?qū)崿F(xiàn)隱失場耦合以及激發(fā)光方向和樣品取向的精確對準(zhǔn)，又能夠?qū)Σ煌ぐl(fā)條件下的納米光子學(xué)器件進(jìn)行超分辨的光學(xué)測量和表征；其結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、可實(shí)現(xiàn)多自由度調(diào)節(jié)，便于研究納米光子學(xué)器件的各種光學(xué)特性，與外差干涉系統(tǒng)、光譜探測系統(tǒng)等多種測量系統(tǒng)相結(jié)合還能夠?qū)崿F(xiàn)對納米材料和器件的微觀形貌、光學(xué)特性、納米光譜、光場矢量、微觀物質(zhì)分布成分、分子結(jié)構(gòu)和振動、納米光子學(xué)器件的功能進(jìn)行多參數(shù)綜合測量和表征。以下列舉幾個(gè)具體實(shí)施例以說明本發(fā)明實(shí)施例一金屬納米小孔近場光強(qiáng)分布特性的測量金屬納米小孔能夠在光學(xué)近場區(qū)域形成納米尺度的光斑，是納米光子學(xué)領(lǐng)域重要的金屬納米結(jié)構(gòu)之一，其中蝴蝶結(jié)(Bowtie)孔由于具有天線效應(yīng)而得到廣泛關(guān)注，因此對其近場光學(xué)信息的測量十分必要。Bowtie孔徑29是一種各向異性的結(jié)構(gòu)，其光場分布與激發(fā)光偏振狀態(tài)密切相關(guān)，為得到質(zhì)量更好的出射光斑，需要將Bowtie孔徑的底邊方向調(diào)節(jié)至與激發(fā)光電場方向平行，其調(diào)節(jié)示意圖如圖4所示，其中28為激發(fā)光的電場方向，29為Bowtie孔徑，實(shí)線為孔徑結(jié)構(gòu)與激發(fā)光電場方向已經(jīng)調(diào)平行的情況，虛線和點(diǎn)劃線為二者未能平行的情況，點(diǎn)劃線測得的出射光斑尺寸會顯著增大。測量Bowtie孔徑29近場光強(qiáng)分布的具體操作步驟如下SI、在玻璃基底上鍍一層金屬薄膜，金屬材料可以為金、鋁或鉻，薄膜厚度以能夠遮擋激發(fā)光即可；再通過微納加工技術(shù)在薄膜表面加工納米尺度的Bowtie小孔，其底邊長度為200nm ;最后在距離小孔底邊I μ m處加工一條平行于小孔底邊的、長度>10 μ m的直線孔，作為樣品位置和取向?qū)?zhǔn)的標(biāo)記，從而完成待測樣品的制作；
S2、將加工有待測樣品的玻璃基底置于近場光學(xué)多參數(shù)測量平臺的樣品位置方向微調(diào)單兀中；S3、激發(fā)光源采用波長為650nm的激光二極管，經(jīng)光源整型單元的濾波去噪和準(zhǔn)直形成高質(zhì)量的平行光束；S4、調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)控制單元的半波片，形成電場方向平行或垂直于入射面的線偏振激發(fā)光；S5、調(diào)節(jié)入射角控制單元8，使激發(fā)光垂直入射到待測樣品9上；S6、通過顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)找到待測樣品所在區(qū)域的標(biāo)記，調(diào)節(jié)樣品微動平移臺11，將標(biāo)記指示的樣品區(qū)域移到激發(fā)光斑中心；再調(diào)節(jié)樣品微動轉(zhuǎn)臺10，使標(biāo)記線與激發(fā)光電場方向平行；S7、采用近場光學(xué)顯微鏡掃描頭、鍍鋁膜孔徑光纖探針進(jìn)行近場光學(xué)探測，結(jié)合顯 微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)觀察，通過控制箱21將光纖探針逼近到待測樣品9表面的光學(xué)近場范圍內(nèi)，并通過掃描頭的二維調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)現(xiàn)探針與Bowtie孔徑的精確對準(zhǔn)；光學(xué)信號通過光纖探針的尾纖輸出到光電探測器，其結(jié)果由計(jì)算機(jī)17顯示。測得的Bowtie孔徑的光學(xué)近場像如圖5中的實(shí)曲線所示，可以明顯看到此時(shí)Bowtie孔徑的出射光場呈現(xiàn)出一個(gè)尺度為200nm的光斑；S8、調(diào)節(jié)樣品微動轉(zhuǎn)臺10，使Bowtie孔徑的底邊與激發(fā)光電場方向垂直，再測量其光學(xué)近場像，如圖5所示；可見此時(shí)Bowtie孔徑的出射光場已經(jīng)擴(kuò)散為兩個(gè)峰，其峰值強(qiáng)度也明顯下降。這一實(shí)施例驗(yàn)證了該測量平臺具備照明激發(fā)光方向和樣品取向精確對準(zhǔn)的能力，以確保能夠最有效地激發(fā)局域光場，從而提供了一種更精確測量和表征納米光子學(xué)器件的工具。實(shí)施例二光滑金膜在隱失場耦合激發(fā)下表面等離子諧振特性的測量表面等離激元(surface plasmon polaritons, SPPs)是一種在金屬-介質(zhì)界面上激發(fā)的耦合了電荷密度起伏的電磁振蕩，具有近場增強(qiáng)、表面受限、短波長等特性，在納米光子學(xué)的研究中扮演著重要角色。通常情況下，SPPs的波矢和光波矢不匹配，因此只有在特殊配置下，SPPs才能由光激發(fā)，其中常用的一種配置是利用棱鏡全內(nèi)反射產(chǎn)生的隱失場耦合激發(fā)SPPs。在這一配置下，一方面要求激發(fā)光入射角度滿足等離子諧振角，該角度大于全內(nèi)反射的臨界角；另一方面要求激發(fā)光必須為P偏振光，即電場方向平行于入射面。當(dāng)這兩個(gè)條件滿足時(shí)，SPPs被激發(fā)出來,形成表面等離子諧振(surface polaritonresonance, SPR),此時(shí)激發(fā)光的電磁場能量轉(zhuǎn)化為SPR的能量,其光學(xué)近場的電磁場強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。測量這一諧振特性的具體步驟如下SI、在玻璃基底上鍍一層金屬薄膜，金屬材料可以為金或銀，薄膜厚度約為50nm，以便隱失場能夠從樣品下方穿過金屬薄膜，并在樣品上表面激發(fā)SPR ；S2、光學(xué)多參數(shù)測量平臺如圖3所示，采用隱失場耦合激發(fā)單元，將加工有金屬薄膜樣品的玻璃基片置于棱鏡上表面，二者之間滴入折射率匹配油，其中棱鏡和折射率匹配油的折射率均為1.512 ；S3、激發(fā)光源采用波長為633nm的He-Ne激光器，經(jīng)光源整形單元形成高質(zhì)量的準(zhǔn)直平行光束；
S4、調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)控制單元的半波片，形成電場方向平行于入射面的線偏振激發(fā)光，使得全內(nèi)反射隱失場的電場方向垂直于樣品表面，以滿足SPPs的激發(fā)條件；S5、調(diào)節(jié)入射角控制單元，使激發(fā)光以大于全內(nèi)反射臨界角Θ c的角度入射到樣品上;S6、采用近場光學(xué)顯微鏡掃描頭、裸孔徑光纖探針進(jìn)行近場光學(xué)探測。結(jié)合顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)觀察，通過控制箱將光纖探針逼近到樣品表面的光學(xué)近場范圍內(nèi)，并通過掃描頭的二維調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)現(xiàn)探針與激發(fā)光斑中心的精確對準(zhǔn)。光學(xué)信號通過光纖探針的尾纖輸出到光電探測器，其結(jié)果由計(jì)算機(jī)顯示；S7、通過入射角控制單元改變激發(fā)光的入射角，使其在Θ(Γ60°范圍內(nèi)變化，同時(shí)測量每個(gè)角度下的近場光強(qiáng)，其結(jié)果如圖6所示，可以看到在入射角約為43. 6°時(shí)，近場光強(qiáng)顯著增大，表明此時(shí)發(fā)生了 SPR諧振。這一實(shí)施例驗(yàn)證了該測量平臺具備測量隱失場耦合激發(fā)和不同入射角度激發(fā)下 的光學(xué)近場的能力。實(shí)施例三測量光滑金膜在線偏振和徑向偏振激發(fā)下的近場光學(xué)特性。徑向偏振光是貝塞爾光束的一種特殊形態(tài)。徑向偏振光在一個(gè)圓柱對稱的光場橫截面上呈現(xiàn)出柱對稱特性，其各點(diǎn)的偏振方向都沿著半徑方向。這種光場分布可以最有效的匯聚光束能量。本實(shí)施例對比了線偏振光和徑向偏振光激發(fā)光滑金膜的結(jié)果。具體步驟如下SI、在玻璃基底上鍍一層金膜，該薄膜厚度小于IOOnm以確保透光率；S2、將加工有樣品的玻璃基底置于光學(xué)多參數(shù)測量平臺的樣品位置方向微調(diào)單元中；S3、激發(fā)光源采用波長為532nm的半導(dǎo)體激光器，經(jīng)光源整型單元形成高質(zhì)量的準(zhǔn)直平行光束；S4、偏振狀態(tài)控制單元中，采用半波片獲得線偏振光，采用偏振轉(zhuǎn)換器件獲得徑向偏振光；S5、調(diào)節(jié)入射角控制單元，使激發(fā)光垂直入射到樣品上；S6、采用原子力顯微鏡掃描頭、鍍金膜無孔徑硅探針進(jìn)行近場光學(xué)探測。結(jié)合顯微觀察對準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)觀察，通過控制箱21將鍍金膜硅探針逼近到待測樣品9表面的光學(xué)近場范圍內(nèi)，并通過掃描頭20的二維調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)現(xiàn)探針與激發(fā)光斑中心的精確對準(zhǔn)。光學(xué)信號經(jīng)鍍金膜的硅針尖散射，經(jīng)過樣品基底傳播出來，并通過分光鏡30反射到光電探測器上。其系統(tǒng)示意圖如圖7所示，分光鏡30，用于將探針散射的光學(xué)信號提取出來；S7、分別測量線偏振激發(fā)和徑向偏振激發(fā)下的光滑金膜表面的光學(xué)近場強(qiáng)度分布，結(jié)果如圖8所示，其中實(shí)線為線偏振激發(fā)的結(jié)果，虛線為徑向偏振激發(fā)的結(jié)果，可以看到徑向偏振激發(fā)形成的光場能量大部分集中在中心，而線偏振激發(fā)的光場則擴(kuò)散為兩個(gè)強(qiáng)度較弱的旁瓣。這一實(shí)施例驗(yàn)證了該測量平臺具備測量不同偏振方向光束激發(fā)所產(chǎn)生的光學(xué)近場分布的能力。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，包括多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)、樣品位置方向微調(diào)單元、顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)、掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，所述樣品位置方向微調(diào)單元用于安裝待測樣品，所述多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)為待測樣品提供照明激發(fā)光源信號，所述顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)待測樣品的成像區(qū)域并采集待測樣品的圖像信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，所述掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)采集待測樣品的光學(xué)近場信息并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)將光學(xué)近場信息進(jìn)行處理后顯示。
2.如權(quán)利要求I所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述多參數(shù)可變照明激發(fā)系統(tǒng)在激發(fā)光光路方向上依次設(shè)有照明激發(fā)光源、光源整形單元、偏振狀態(tài)控制單元和入射角控制單元，所述照明激發(fā)光源發(fā)出的光首先經(jīng)光源整形單元后成為準(zhǔn)直平行光束，再經(jīng)過偏振狀態(tài)控制單元成為具有特定偏振狀態(tài)的平行光束，繼而經(jīng)過入射角控制單元，以特定的入射角度入射到待測樣品上。
3.如權(quán)利要求2所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述照明激發(fā)光源為白光光源、激光二極管或激光器。
4.如權(quán)利要求2所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述光源整形單元在激發(fā)光光路方向上依次設(shè)有光束擴(kuò)束器、光束準(zhǔn)直器、空間濾波器和光束轉(zhuǎn)折器。
5.如權(quán)利要求2所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述入射角控制單元包括反射鏡、一維電動平移臺和電動旋轉(zhuǎn)臺，所述反射鏡固定在電動旋轉(zhuǎn)臺上，所述電動旋轉(zhuǎn)臺通過支架固定在一維電動平移臺上。
6.如權(quán)利要求I所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述樣品位置方向微調(diào)單元包括樣品臺、樣品微動平移臺和樣品微動轉(zhuǎn)臺，所述樣品微動平移臺嵌入樣品臺的中部，所述樣品微動轉(zhuǎn)臺固定在樣品微動平移臺上，將待測樣品固定在樣品微動轉(zhuǎn)臺上。
7.如權(quán)利要求6所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述樣品位置方向微調(diào)單元還包括隱失場耦合激發(fā)單元，所述隱失場耦合激發(fā)單元安裝在所述樣品微動平移臺上。
8.如權(quán)利要求7所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述隱失場耦合激發(fā)單元包括棱鏡、棱鏡固定架和折射率匹配油，所述棱鏡固定架安裝在所述樣品微動平移臺上，所述棱鏡安裝在所述棱鏡固定架中，制備有待測樣品的基底并置于所述棱鏡的表面，并在所述基底和棱鏡二者之間滴入折射率匹配油。
9.如權(quán)利要求6所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)包括可調(diào)反射鏡、變倍顯微鏡筒、軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及CCD攝像頭，所述軸向調(diào)焦和二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的底部固定在所述樣品臺上，其上部用于固定變倍顯微鏡筒，所述可調(diào)反射鏡安裝在樣品臺上并位于變倍顯微鏡筒的下方，所述CCD攝像頭固定在變倍顯微鏡筒的上方并與所述計(jì)算機(jī)連接。
10.如權(quán)利要求I所述的納米光子多參數(shù)測量平臺，其特征在于，所述掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)包括掃描頭、近場光學(xué)探針、控制箱和探測器，所述掃描頭置于待測樣品的上方，所述近場光學(xué)探針與掃描頭的底部連接并位于待測樣品的上方，所述探測器的兩端分別與掃描頭和控制箱連接，所述掃描頭和控制箱連接，所述控制箱與計(jì)算機(jī)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及反應(yīng)堆工程技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明公開了一種納米光子多參數(shù)測量平臺，其包括多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)、樣品位置方向微調(diào)單元、顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)、掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，所述樣品位置方向微調(diào)單元用于安裝待測樣品，所述多參數(shù)可變激發(fā)系統(tǒng)為待測樣品提供照明激發(fā)光源信號，所述顯微觀測對準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)待測樣品的成像區(qū)域并采集待測樣品的圖像信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，所述掃描近場光學(xué)顯微鏡探測系統(tǒng)采集待測樣品的光學(xué)近場信息并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)將光學(xué)近場信息進(jìn)行處理后顯示。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)多自由度調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對納米光子學(xué)器件的給定激發(fā)區(qū)域進(jìn)行激發(fā)波長可變、入射角度連續(xù)可調(diào)、偏振狀態(tài)可控的光激勵(lì)。
文檔編號G01N21/25GK102829961SQ20121031646
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者王佳, 王慶艷, 張明倩, 武曉宇 申請人:清華大學(xué)