專利名稱:高密度光柵偏振相關自成像的探測方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及高密度光柵，特別是一種高密度光柵偏振相關自成像的探測方法和裝置，是一種周期為入射光波長2.5倍左右的高密度光柵偏振相關自成像測量的方法和裝置。
背景技術：
光柵是一種非常重要的色散光學元件，泰伯在1836年發現在接近光柵表面的特定距離處會出現與光柵結構相同的像，稱為泰伯效應或光柵自成像效應，它是指光柵在單色光的照明下在周期距離上出現光柵的衍射像，它具有和原光柵相同的周期。泰伯效應是一個基本的光學現象，早已被人們深入地研究過，最近，人們在泰伯效應上又取得了新的進展，認識到分數泰伯距離上仍有光柵的自成像效應，并且發展了一整套簡單規則來對其進行解釋。[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，”Opt.&Phot.News Dec.46-50(2004)]這些研究成果極大地豐富了人們對光柵自成像效應的認識。當光柵周期遠大于入射光波長時，可以用傅立葉變換方法很好的解釋泰伯效應，但是對于高密度光柵，由于其周期和入射光波長相比擬，對于不同偏振態的入射光，其泰伯像也會不一樣，這時這種標量方法將不再適用，必須求助于矢量方法，比如有限元、嚴格耦合波以及時域有限差分法。時域有限差分法是一種基于麥克斯韋方程的很強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)]，目前已經廣泛的應用于各種電磁場問題的求解，當然也包括衍射光學元件的分析。
掃描近場光學顯微鏡(以下簡稱為SNOM)是利用頭部開口為納米級的光纖探針作為接收或發射光信號裝置，在距離表面小于一個波長的范圍內對物體表面進行超過衍射極限分辨率的測量，得到普通光學顯微鏡得不到的微觀表面信息。掃描近場光學顯微鏡探針工作時距離表面小于一個波長，很容易與表面接觸，這對于高精度光柵表面來說會造成很大的損傷，甚至使整個光柵成為廢品。掃描近場光學顯微鏡也可以在接近物體表面處對物體表面成像[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，”Optics Letters，Vol.23，No.17，1998，pp 1346]，Bozhevolnyi、Smolyaninov等就利用近場光學顯微鏡得到了光柵的泰伯像。周長河，羅紅心結合光柵自成像效應和SNOM技術，提出了一種無損檢測高密度光柵表面質量的技術(周常河，羅紅心，“光柵表面質量無損檢測方法和裝置，”發明專利，申請號03151091.4)，但是他們在檢測光柵表面質量的過程中對于入射光的偏振狀態并不特別關注，本發明特別引入1/4波片和偏振片，首先將入射的線偏振激光轉化為圓偏光，通過偏振片的旋轉實現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)的轉換，這樣利用SNOM技術，可以觀察到高密度光柵的偏振相關自成像。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種高密度光柵偏振相關自成像的探測方法和裝置，以實現檢測高密度光柵在不同偏振態入射光下的自成像效應；同時可以通過微動平臺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，提高了測量精度。
本發明的技術解決方案如下本發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，將高密度光柵放在微動平臺上，精確控制其位置，然后用納米開口的光纖掃描不同偏振入射光下的泰伯像，再由計算機進行數據處理，即可獲得高密度光柵的偏振相關自成像。
一種高密度光柵偏振相關自成像的探測裝置，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1/4波片、偏振片、高密度光柵和頭部開口的光纖探針，該高密度光柵放在微動平臺上，該微動平臺由計算機精確控制在激光束方向的移動，所述的光纖探針由壓電陶瓷管驅動進行掃描，該壓電陶瓷管固定在一精密三維調節架上，該精密三維調節架上有三個相互垂直方向的調節旋鈕，以調節所述的光纖探針的掃描位置，所述的三維調節架固定在一底座上，該底座固定在防震平臺上，所述的光纖探針的尾部經光電探測器與計算機相連。
所述的激光器為He-Ne激光器。
本發明的原理主要是利用高密度光柵的偏振自成像效應。一維周期光柵復振幅透過率可表示為g(x)=Σn=-∞∞cnexp(i2πndx)---n=0,±1,±2,...----(1)]]>其中d為周期，物場分布的空間頻譜為G(fx)=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)---(2)]]>各平面波分量傳播過程中僅產生相移，則有H(fx)=exp(-iπλzfx2)exp(ikz)---(3)]]>觀察平面得到場分布頻譜為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)設沿光路傳輸方向為z方向，當滿足條件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)]]>光場的復振幅為g′(x)＝g(x)exp(ikz)，強度分布I(x)＝|g′(x)|2＝|g(x)|2，與原物相同。于是在zt=2d2λ]]>的整數距離上，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分之一處也會出現泰伯像，只是出現的泰伯像的周期與原光柵不同。
對于高密度光柵由于其周期和入射光波長相比擬，或者小于入射光波長，這時在分析光柵衍射時必須考慮偏振的影響，此時傅立葉積分方法不再適用，必須利用矢量方法進行分析。我們采用時域有限差分方法分析了偏振效應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到四倍波長。時域有限差分算法是一種基于麥克斯韋方程的嚴格矢量方法，我們知道光也是一種電磁波，所以也滿足麥克斯韋方程，在各向同性介質中，麥克斯韋方程可以寫成▿×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、磁導率、電導率和等效磁阻率。利用Yee氏網格和中心差分格式，可以將麥克斯韋方程進行差分處理，對于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)]]>可以得到這樣三個差分方程，其中Δz、Δx和Δt分別為空間步長和時間步長，i和k分別為x、z方向的網格單元個數，n為時間步長個數。通過給予一定的初始條件，就可以模擬電磁場時域上的傳播。對于TM情況可以做類似的處理。
對于不同周期的光柵，我們分別比較了不同偏振態入射光情況下，1/2泰伯距離上亮條紋中心的平均能流密度的比，定義為TETM=⟨|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。結果如圖2所示，當光柵周期在2λ和3λ之間時，其自成像的差別尤其明顯，我們稱之為偏振相關自成像效應[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，通過由電腦控制的微動平臺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下的自成像效應。
光柵的泰伯像可以用CCD進行觀察與測量，但常用的商用CCD探測器的最小像素尺寸在4～5微米左右，這遠大于高密度光柵的周期(一微米左右)，因此，CCD探測器不適合于觀察高密度光柵泰伯像的細節信息。
本發明的優點1、與周常河等人的光柵表面質量無損檢測裝置相比，實現并實驗檢測高密度光柵在不同偏振態入射光下的自成像效應；同時可以通過微動平臺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，提高了測量精度。
2、測量速度快，通常一次測量在幾分鐘之內就可完成。
3、對環境要求不高，不需要真空或其它特殊的環境要求，可以現場及時進行檢測
圖1為本發明的測量裝置圖。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為微動平臺；8為光纖探針；9為壓電陶瓷管；10為精密三維調節架；101為調節架豎直方向調節旋鈕；102、103為精密三維調節架水平方向調節旋鈕；104為固定底座，以保證三維調節架的穩固；11為光電探測器；12為計算機。
圖2偏振相關自成像的時域有限差分算法計算結果。顯示了不同偏振態下，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系，可以看出當光柵周期在2λ和3λ之間時，其偏振自成像的差別尤其明顯。
圖3、圖4和圖5為本發明裝置實驗測得的密度為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TE偏振時的泰伯像。
圖4為該光柵在入射光為TM偏振時的泰伯像。
圖5是沿著光柵槽方向做了統計平均處理，以便去除光柵表面缺陷帶來的影響，其中實線為TE情況，虛線為TM情況，這個實驗結果清楚顯示了不同偏振態下光柵的自成像之間的差別。
本發明如圖1所示，采用一種納米開口光纖掃描探針系統，掃描探針為近場顯微鏡的光纖探針，開口為50-80納米，掃描系統為壓電陶瓷與三維調整架相結合。同時將光柵放在微動平臺上，微動臺由電腦控制，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。另外我們通過使用一片1/4波片和一片偏振片，調節入射光的偏振態，從而實現了高密度光柵偏振相關自成像的測量。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
先請參閱圖1，圖1也是本發明高密度光柵偏振相關自成像的探測裝置實施例結構示意圖。由圖可見，本發明高密度光柵偏振相關自成像的探測裝置，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放在微動平臺7上，由計算機12精確控制該微動平臺7在激光束2方向的移動，頭部開口的光纖探針8由壓電陶瓷管9驅動進行掃描，該壓電陶瓷管9固定在一精密三維調節架10上，該精密三維調節架10上有三個相互垂直方向的調節旋鈕101、102、103，以調節所述的光纖探針8的掃描位置，所述的三維調節架10固定在一底座104上，該底座104固定在防震平臺上，所述的光纖探針8的尾部經光電探測器11與計算機12相連。
在本實施中，激光器1采用He-Ne激光器，其出射的激光束2為線偏振光，經過1/4波片3變成圓偏振光，再通過偏振片4精確控制入射光的偏振態，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，光柵放在微動平臺7上，由計算機12精確控制它在z方向的移動，精度為每步30nm，頭部開口50nm的光纖探針8由壓電陶瓷管9驅動對泰伯像6進行掃描，掃描范圍4.5μm×4.5μm。壓電陶瓷管9固定在精密三維調節架10上，通過三維調節架10上三個調節旋鈕101、102、103調節光纖探針8的掃描位置，對光柵的泰伯像6進行精確的掃描；三維調節架10固定在底座104上，通過底座固定在防震平臺上，以最大可能減少外界震動對測量精度的影響；光纖探針8探測的光信號經光纖傳導進入光電探測器11，這里使用光電倍增管，將光信號轉化成電信號，由計算機12進行采集，并顯示在計算機屏幕上。掃描所得數據進行統計平均處理等更進一步的分析。
圖3、4和5為密度為630l/mm(入射光波長為0.6328μm，光柵周期約為2.5倍波長)振幅型光柵的掃描測量結果。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TE、TM情況下掃描得到的1/2泰伯距離處的二維強度分布圖。圖5是沿著光柵槽方向做了統計平均處理，以去除光柵表面缺陷帶來的影響，其中實線為TE情況，虛線為TM情況，我們可以清楚的得到不同偏振態下高密度光柵的自成像。
本發明裝置非常適合于幾個微米范圍之內的高密度光柵偏振相關自成像的測量，掃描精度可以達到50nm，具有重要的學術價值和應用前景。
權利要求
1.一種高密度光柵偏振相關自成像的探測方法，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，將高密度光柵(5)放在微動平臺(7)上，精確控制其位置，然后用納米開口的光纖探針(8)掃描不同偏振入射光下的泰伯像(6)，再由計算機(12)進行數據處理，即可獲得高密度光柵的偏振相關自成像。
2.一種利用權利要求
1所述的方法進行高密度光柵偏振相關自成像的探測裝置，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)放在微動平臺(7)上，由計算機(12)精確控制該微動平臺(7)在激光束(2)方向的移動，頭部開口的光纖探針(8)由壓電陶瓷管(9)驅動進行掃描，該壓電陶瓷管(9)固定在一精密三維調節架(10)上，該精密三維調節架(10)上有三個相互垂直方向的調節旋鈕(101、102、103)，以調節所述的光纖探針(8)的掃描位置，所述的三維調節架(10)固定在一底座(104)上，該底座(104)固定在防震平臺上，光纖探針(8)的尾部經光電探測器(11)與計算機(12)相連。
3.根據權利要求
2所述的高密度光柵偏振相關自成像的探測裝置，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自成像的探測方法和裝置，本發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，將光柵放在微動平臺上，精確控制其位置，然后用納米開口的光纖掃描不同偏振入射光下的泰伯像，再由計算機進行數據處理，即可獲得高密度光柵的偏振相關自成像。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1/4波片、偏振片、高密度光柵和頭部開口的光纖探針，該高密度光柵放在微動平臺上，該微動平臺由計算機精確控制在激光束方向的移動，所述的光纖探針由壓電陶瓷管驅動進行掃描，所述的光纖探針的尾部經光電探測器與計算機相連。本發明可檢測高密度光柵在不同偏振態入射光下的自成像效應，測量精度高。
文檔編號G01Q60/18GKCN1858575SQ200610025925
公開日2006年11月8日 申請日期2006年4月21日
發明者周常河, 陸云清 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan