專利名稱：一種自適應光斑輪廓調控及測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種自適應光斑輪廓調控及測量系統。
背景技術：
隨著微納光子學、超分辨顯微光學以及太陽能應用的發展，光信息在不同尺度空間的傳輸與耦合已成為導波光學中的重要基本問題。例如，未來納米光子學研究與應用，不僅取決于納米尺度內的光場(或極化激元)傳輸、控制與轉換行為，且依賴于它們與更大尺度空間，如自由空間或微米尺度空間的耦合行為；又如，太陽能應用中也涉及到光場能量的有效匯聚。由于受到瑞利衍射極限的限制光學顯微成像系統的分辨率存在一個瓶頸，為達到更高的分辨率，也迫切要求開展突破衍射極限的納米尺度光場產生的研究。·小尺度光場產生后需要有一定的手段對其尺度進行表征，人們隨之發展了多種小尺度光斑測量的方法，主要有刀邊法、掃描近場光學顯微鏡(SNOM)法、光刻膠曝光法、單分子法等等。但是對于SNOM法，需要利用掃描近場光學顯微鏡對光斑進行掃描得到測量結果，該儀器昂貴不易獲得，而且掃描時會發生針尖與場的相互作用，無法得到準確的結果。光刻膠曝光法是利用光斑在光刻膠上曝光后得到的形狀間接對光斑輪廓進行測量，需要進行定標得到曝光量和光刻膠厚度的關系，且曝光后還需要用原子力顯微鏡來掃描形貌以確定曝光強度進而計算得到光斑的輪廓。單分子法則是用于測量光斑中不同偏振分量的比例關系，并不能完成光斑輪廓的測量。在所有這些方法中，刀邊法不需要借助復雜的儀器和繁瑣的步驟，其實現是最為簡單直接的。刀邊法利用鋒利平滑的刀邊在波前平面上掃描切割光斑，用光電探測器記錄未被刀邊遮擋住的光強分布。掃描記錄的光強是光斑強度分布在掃描方向上的積分，對記錄的光強求導數便可以得到光斑在該方向的輪廓。在刀邊法發展的最初采用剃須刀刀片作為刀邊來進行掃描，由于其厚度大及邊緣整齊性不夠，嚴重影響了最終的測量精度。隨著光學的發展和測量技術要求的提高，人們發展了多種方法如濕法刻蝕、鍍膜等來制作刀邊以提高測量的精度，但是刀邊的銳度和整齊度難以同時達到最優。另外對小尺度光場的深入研究需要得到完整的二維甚至三維光場強度分布信息，這無疑對刀邊法提出了更高的要求。
發明內容
針對現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種自適應光斑輪廓調控及測量系統，用刀邊法實現對二維聚焦光斑輪廓的測量，實現對突破衍射極限光場的表征，同時引入自適應技術，結合刀邊法測量來尋找光場經調制后突破衍射極限的聚焦尺度最小的光斑。為實現上述目的，本發明的技術方案為一種自適應光斑輪廓調控及測量系統包括對入射光場進行擴束、位相和偏振調制以及緊聚焦的光學系統、對聚焦光斑進行測量的掃描探測系統、對測量光斑大小進行比較進而對空間光調制器加以控制的反饋控制系統、用于消除機械、光學等噪聲影響的斬波器和鎖相放大器。
光學系統為He - Ne激光經過空間濾波器，濾掉雜散光及高階衍射，經擴束準直后經過第一個空間光調制器控制其相位分布，然后經過1/4波片+第二個空間光調制器+1/4波片來控制其偏振分布，最后經高數值孔徑的100倍物鏡聚焦。掃描探測系統包括特制光電探測器和二維壓電平移臺，用于掃描光斑并用光電探測器記錄相應的光強分布。在近場光學中用刻刀在載玻片表面產生一條劃痕，并使其沿劃痕方向斷開，在劃痕延伸方向上可以得到曲率半徑為l_5nm的斷裂面。在幾個方向繼續進行相同的操作并保證不碰到斷裂面，在劃痕延伸方向的交匯處可以得到分辨率為I-IOnm的近場探針。我們將該方法引入到刀邊的制作中來，制備了厚度為IlOum的直角雙刀邊硅片，并將其固定在光電探測器表面，盡量接近探測器光敏面。光斑經刀邊掃描后的光強信息經光電探測器記錄并轉換為電信號，輸出信號最終由高精度的數據采集卡傳遞到計算機。光電探測器固定在高精度二維壓電掃描平臺上，壓電平臺控制特制光電探測器進行二維掃描。在掃描的一維方向上用示波器可以實時觀測單方向掃描一次探測器記錄的光功率分布以及噪聲情況。
反饋控制系統是對數據采集卡傳輸到計算機的信息進行分析，計算得到聚焦光斑的半高寬，并比較后續測量光斑尺度的大小，根據比較結果反饋控制加在光學系統中的兩個空間光調制器上的電壓進而對光場的位相和偏振產生調制，即進行自適應優化。當得到光斑尺度最小的時候，由計算機對光斑輪廓進行計算輸出，并記錄兩個空間光調制器施加在每個像素上的電壓值從而得到此時空間光場的分布。高分辨率的測量對信噪比的要求很高，現有的刀邊法測量中由于各種噪聲的影響使得最終必須對測量數據進行擬合，從而得到的最終結果不夠精確。為減弱噪聲的影響，我們采用鎖相放大器。
圖I為本發明的自適應光斑輪廓調控及測量系統的框架 圖2為本發明的自適應光斑輪廓調控及測量系統光路；
圖3為測量得到的二維光斑輪廓；
圖4為測量光斑輪廓的原理 圖5a為光電探測器側面結構圖，圖5b為正面結構圖。
具體實施例方式以下結合實施例及附圖對本發明進行詳細的描述。如圖I至圖5所示，本自適應光斑輪廓調控及測量系統，包括對激光進行濾波、擴束準直并聚焦的光學系統1，對聚焦光斑進行測量的掃描探測系統2，對測量光斑大小進行比較進而對空間光調制器加以控制的反饋控制系統3，用于消除機械、光學等噪聲影響的斬波器4和鎖相放大器5。光學系統包括激光器10，空間濾波器11、透鏡12、第一空間光調制器13、偏振調控裝置14和聚焦物鏡15。激光器10出射的激光經過空間濾波器11后被濾掉雜散光和高階光斑影響，同時經過透鏡12后被擴束。擴束后的激光經過第一個空間光調制器控制其相位分布，然后經過偏振調控裝置14來控制其偏振分布。所述偏振調控裝置14依次包括第一四分之一玻片、第二空間光調制器及第二四分之一玻片。這里的空間光調制器13為純相位型，僅對激光相位產生調制，對激光強度和偏振分布不造成影響，且空間光調制器13調制度大于一個波長相位，即>=2pi。通過計算機控制加在空間光調制器13上的電壓來改變其每個像素的調制度。變化步長O. lv，所加電壓0-5V，以保證對激光相位產生足夠的調制范圍。偏振調控裝置14中的空間光調制器與空間光調制器13相同，所加電壓的范圍及變化步長也與13相同。光經過1/4波片+空間光調制器+1/4波片可以得到任意非均勻偏振分布的光場。任意偏振方向的線偏振光可以分成兩個左右旋圓偏振光的疊加，兩個圓偏振光的相位差決定了疊加后線偏振光的偏振方向。線偏振光分成左右旋圓偏振光后進入第一個四分之一波片，分別變成與快軸或慢軸成45°的線偏振,偏振方向與后面空間光調制器中液晶分子的快(慢)軸方向一致，經過偏振調控裝置14中的空間光調制器后仍是線偏振，但是兩線偏振相位差改變了 ；再經過第二個四分之一玻片后形成相位差改變了的左旋和右旋圓偏振，疊加后形成偏振方向改變了的線偏振。在空間光調制器不同的像素(液晶分 子)上面加不同的電壓，就可以得到任意偏振分布的光場。經調制后的光通過半波片后被Olympus的100倍高數值孔徑物鏡15聚焦，進而經過掃描探測系統2進行光斑輪廓的測量。掃描探測系統2包括二維壓電掃描平臺21、光電探測器22和數據采集卡23。光電探測器22上放置一個硅刀片，硅刀片有兩個呈直角的鋒利刀邊，刀邊是通過刻刀劃刻硅片表面并使其沿劃痕方向斷裂形成。在兩個正交方向上重復上述操作，并保證不碰到兩條劃痕延伸方向形成的直角。硅刀片表面拋光，可同時用作反射型刀邊和透射型刀邊。這里的光電探測器是“特制光電探測器”，將光電探測器上表面窗口打磨拋光，使其厚度達到幾十微米或更小，再將硅刀片固定在探測器表面，硅刀片盡量貼近探測器的光敏面。硅刀片用來遮擋(或反射)光斑，未被遮住的光斑部分，其總功率被光電探測器記錄，通過連續的掃描硅刀片，就可以用探測器記錄相應的光斑功率數據，經過一定處理便可以得到光斑的強度輪廓，圖4。探測器整體側面和正面結構圖如圖5a、5b。這里特制的光電探測器22制作如下首先采用近場光學中制備近場探針的方法制備了厚度為IlOum的二維掃描硅片，由于硅片表面平滑，可以同時用作反射和透射型刀片，娃片邊緣的曲率半徑在l_5nm。再將光電探測器表面打磨拋光,把掃描娃片固定在光電探測器的表面，盡量貼近探測器的光敏面。特制光電探測器調整到物鏡的焦平面上，用高精度的二維壓電掃描平臺在x、y方向進行掃描，掃描最小分辨率為O. 2nm。光電探測器22記錄的數據經數據采集卡傳輸到計算機，計算得到光斑輪廓，最初的光斑輪廓是空間光調制器13和偏振調控裝置14中的空間光調制器加隨機調制的結果。由反饋控制系統3通過自適應模擬退火算法不斷計算出新的光場分布并反饋控制空間光調制器13和偏振調控裝置14中的空間光調制器，每一次光場分布加到兩個調制器上時，都重復上述測量光斑輪廓的操作，并將測量結果與上次記錄的光斑大小進行比較，如果得到更小尺度(面積)的光斑，就保留相應數據。當得到光斑尺度最小的時候，由計算機對光斑輪廓進行計算輸出，并記錄此時空間光場的分布。以上對本發明所提供的自適應光斑輪廓調控及測量系統進行了詳細介紹。本發明已經在實驗上完成了大部分工作，已經成功制備了直角雙刀邊，并用雙刀邊法實現了對聚焦光斑二維輪廓的高分辨率測量。只要在相關部分技術上進行改善，便可以得到更加理想的結果。·
權利要求
1.一種自適應光斑輪廓調控及測量系統，包括光學系統(I)、掃描探測系統(2)、反饋控制系統(3)； 光學系統依次包括激光器(10)，空間濾波器(11)、透鏡(12)、第一空間光調制器(13)、偏振調控裝置(14)和聚焦物鏡(15); 激光器(10)出射激光，空間濾波器(11)用于濾掉激光的雜散光和高階光斑影響，透鏡(12)對激光進行擴束，第一個空間光調制器(13)控制激光的空間相位分布，偏振調控裝置(14)用于控制激光的偏振分布； 反饋控制系統(3)對測量光斑大小進行比較進而對第一空間光調制器(13)及偏振調控裝置(14)加以反饋控制。
2.根據權利要求I所述的自適應光斑輪廓調控及測量系統，其特征在于，所述偏振調控裝置(14)依次包括第一四分之一玻片、第二空間光調制器及第二四分之一玻片。
3.根據權利要求I或2所述的自適應光斑輪廓調控及測量系統，其特征在于，第一和第二空間光調制器調制度大于一個波長相位，通過計算機控制加在第一和第二空間光調制器上的電壓來改變其每個像素的調制度，變化步長O. lv，所加電壓0-5v。
4.根據權利要求I所述的自適應光斑輪廓調控及測量系統，其特征在于，經偏振分布調制后的光被物鏡(15)聚焦，進而經過掃描探測系統(2)進行光斑輪廓的測量。
5.根據權利要求I所述的自適應光斑輪廓調控及測量系統，其特征在于，掃描探測系統(2)包括二維壓電掃描平臺(21)、光電探測器(22)和數據采集卡(23);光電探測器(22)記錄的數據經數據采集卡傳輸到計算機，計算得到光斑輪廓。
6.根據權利要求5所述的自適應光斑輪廓調控及測量系統，其特征在于，光電探測器(22)上放置一個硅刀片，硅刀片有兩個呈直角的鋒利刀邊，刀邊是通過刻刀劃刻硅片表面并沿使其沿劃痕方向斷裂得到。
7.根據權利要求I所述的自適應光斑輪廓調控及測量系統，其特征在于，還包括用于消除機械、光學噪聲影響的斬波器(4)和鎖相放大器(5)，以及對探測器記錄的一維掃描方向上的光功率分布進行實時顯示的示波器(6)。
全文摘要
本發明涉及一種自適應光斑輪廓調控及測量系統，包括光學系統(1)、掃描探測系統(2)、反饋控制系統(3)；光學系統依次包括激光器(10)，空間濾波器(11)、透鏡(12)、第一空間光調制器(13)、偏振調控裝置(14)和聚焦物鏡(15)；激光器(10)出射激光，空間濾波器(11)用于濾掉激光的雜散光和高階光斑影響，透鏡(12)對激光進行擴束，第一個空間光調制器(13)控制激光的空間相位分布，偏振調控裝置(14)用于控制激光的偏振分布；反饋控制系統(3)對測量光斑大小進行比較進而對第一空間光調制器(13)及偏振調控裝置(14)加以反饋控制。本發明實現對突破衍射極限光場的表征，同時引入自適應技術，結合刀邊法測量來尋找光場經調制后突破衍射極限的聚焦尺度最小的光斑。
文檔編號G01B11/24GK102778209SQ20121024240
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者周建英, 李麗, 謝向生 申請人:中山大學