CN111624161A - 一种显微角分辨透射光相位信息表征系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显微角分辨透射光相位信息表征系统及其测量方法，该装置分为光路1和光路2，两条光路均具有显微功能，两个样品平台前的透镜为物镜，可当作傅里叶变换器件，实现样品发出光的角度与物镜焦平面上位置的对应关系；后端1/4波片、检偏器对光进行调制，最后透过透镜将光汇聚到像平面。本装置可同时测量样品微区域不同入射角度条件下透射光的强度和相位信息，即可获取透射光谱的全面信息，为超构材料、光学天线、等离激元阵列等人工微纳结构以及光学薄膜、自然材料等体系提供一种实用的光谱检测技术。

Description

一种显微角分辨透射光相位信息表征系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及材料微区透射光强与相位探测技术领域，尤其是涉及一种紫外、可见-近红外等波段光谱型透射光强与相位表征系统的研制及测试方法。

背景技术

相位是描述电磁波的基本物理量之一。对于电磁波的透射来说，当电磁波入射到由两种不同介质组成的界面上时，其相位一般不会发生变化，但当电磁波在具有一定厚度的介质中传播时，随着光程的增加会带来相位的积累，同时不同的入射角度也会对相位产生明显的影响。近年来，由亚波长人工微结构单元组成的超构材料(超构表面)吸引了人们的广泛关注，这种材料具有自然材料所不具有的奇特性质，并带来了新的物理现象和有趣的应用。因此人们对小结构、短波长的超表面等领域的研究越来越深入器件的小型化、集成化要求越来越高，为了掌握复杂微尺度空间结构对电磁波的调控性能，人们对光谱检测技术提出了新的要求：首先，相位是描述电磁波的一个重要物理量，为了更加准确地掌握电磁波的传播行为，需要知道其相位信息；其次，对于小型化集成化微尺度的器件，的如何实现准确的光谱信息测试表征；最后，为了掌握器件在电磁波不同角度入射条件下的调控能力，还需要角分辨光谱信息。然而，现有技术对于相位信息的检测方法并不多见，尤其是对显微角分辨的红外、可见光甚至紫外光等高频波段电磁波来说相位信息的测量方法更是少之又少。本专利公开一种显微角分辨透射光相位信息表征装置及其测量方法。该装置前端通过偏振分束器分光，分为光路1和光路2两条光路，两条光路均具有显微功能，两个样品平台前的透镜为物镜，可当作傅里叶变换器件，实现样品发出光的角度与物镜焦平面上位置的对应关系；后端1/4波片与检偏器对光进行调制以使携带样品信息的测试光和参考光发生相干干涉，通过探测光谱强度计算相位信息。该装置可同时测量不同角度小样件透射光的强度和相位信息，即可获取透射光谱的全面信息，为超构材料、光学天线、等离激元阵列等人工微纳结构以及光学薄膜、自然材料等材料体系提供一种实用的光谱检测技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种光谱型透射强度与相位测试表征系统研制及其测量方法，该方法弥补了在可见-近红外相位信息只能用仿真软件模拟的不足，实现了可见-近红外波段光谱强度与相位信息的同步测量技术。

本发明的目的一为同时测试被测样品的透射光强度信息与相位信息，获取被测样品的全方面透射光谱信息。

本发明的目的二为测试被测样品的小样品微纳区域的透射光谱强度与相位信息。

本发明的目的三为测试不同角度的透射光谱强度与相位信息。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

1.一种显微角分辨透射光相位信息表征系统装置，包括：光源1、准直器2、起偏器3、第一偏振分束器4、第一反射镜5、第二反射镜6、第一聚光镜7、第一样品台8、第一物镜9、第一焦平面10、第二聚光镜11、第二样品台12、第二物镜13、第二焦平面14、第二偏振分束器15、1/4波片16、检偏器17、透镜18、像平面19、精密平移针孔20、光纤21、探测器22。

2.从光源1出来的光首先经过准直器2后起偏器3，其次经过第一偏振分束立方器4透射P偏振光为测试光与反射S偏振光为参考光两路，测试光经过两次反射镜后由第一聚光镜7将光照射在第一样品平台(上方放置待测样件)8上，，第一物镜9的焦平面为第一焦平面10，被测样品上出射的同一角度的光经过第一物镜9汇聚在第一焦平面10上同一点，之后经过第二偏振分束立方器15；另外一束反射S偏振光经过第二聚光镜11照射在第二样品平台(竖直放置参考样件)12上，，第二物镜13的焦平面为第二焦平面14，参考样件上出射的同一角度的光经过第二物镜13汇聚在第二焦平面14上同一点，之后经过第二偏振分束立方器15与测试光进行干涉，干涉光束经过四分之一波片16和检偏器17后由透镜18将光束汇聚在像平面19上，像平面19上的位置与测试角度一一对应，通过移动精密平移针孔20接收不同入射角度的反射光信息，最后通过光纤21被探测器22接收。

3.所述偏振分束器4的分光比1：1。

4.第一样品平台8上测试样件发出的同一角度的光在第一焦平面10上同一点汇聚，不同角度的光与第一焦平面10上的位置一一对应；第二样品平台12上参考样件发出的同一角度的光在第二焦平面14上同一点汇聚，不同角度的光与第二焦平面14上的位置一一对应。最后像平面19上的位置与测试角度一一对应，该系统实现不同角度反射光信息测试。

5.所述系统测试样品微区。

6.根据权利要求1所述的一种显微角分辨透射光相位信息表征系统及其测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：固定精密平移针孔20的位置；

步骤2：背景测试：第一样品台8与第二样品台12同时放入标准样件，探测检偏器17方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强：I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₀₃；

步骤3：被测样品一种偏振反射光测试：在第一样品台8上放置被测样品，第二样品台12仍放置标准样件，探测检偏器17方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强：I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₁₃；

步骤4：计算该偏振下样品此角度α度在相应偏振下反射引起的光谱变化I为：

I₀＝I₁₀-I₀₀，I₁＝I₁₁-I₀₁，I₂＝I₁₂-I₀₂，I₃＝I₁₃-I₀₃

步骤5：计算样品此角度α度反射引起的相位变化

为：

步骤6：改变精密平移针孔20的位置，重复步骤2-步骤5测试并计算β度反射光强与相位。

步骤7：步骤3中，在第一样品台8上放标准样件，第二样品台12上放被测样品，重复步骤3-步骤6测量样品另一个偏振反射光的光谱强度与相位信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的相位测试系统不限探测波长范围。

2.本发明同时测量被测样品显微区域透射光的强度与相位信息。

3.本发明入射角度范围大，最小测量角度为0度。

4.本发明光路简单。

5.本发明相位计算方法简便。

6.该设备测试任意偏振入射光条件下的透射信息。

附图说明

图1为本发明一种显微角分辨透射光相位信息表征装置光路图；

附图标记：

1-光源、2-准直器、3-起偏器、4-第一偏振分束器、5-第一反射镜、6-第二反射镜、7-第一聚焦镜、8-第一样品台、9-第一物镜、10-第一焦平面、11-第二聚焦镜、12-第二样品台、13-第二物镜、14-第二焦平面、15-第二偏振分束器、16-1/4波片、17-检偏器、18-透镜、19-像平面、20-精密平移针孔、21-光纤、22-探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种显微角分辨透射光相位信息表征系统光路：

从光源1出来的光首先经过准直器2后起偏器3，其次经过第一偏振分束立方器4透射P偏振光为测试光与反射S偏振光为参考光两路，测试光经过两次反射镜后由第一聚光镜7将光照射在第一样品平台(上方放置待测样件)8上，，第一物镜9的焦平面为第一焦平面10，被测样品上出射的同一角度的光经过第一物镜9汇聚在第一焦平面10上同一点，之后经过第二偏振分束立方器15；另外一束反射S偏振光经过第二聚光镜11照射在第二样品平台(竖直放置参考样件)12上，，第二物镜13的焦平面为第二焦平面14，参考样件上出射的同一角度的光经过第二物镜13汇聚在第二焦平面14上同一点，之后经过第二偏振分束立方器15与测试光进行干涉，干涉光束经过四分之一波片16和检偏器17后由透镜18将光束汇聚在像平面19上，像平面19上的位置与测试角度一一对应，通过移动精密平移针孔20接收不同入射角度的反射光信息，最后通过光纤21被探测器22接收

一种显微角分辨透射光相位信息表征系统及其测量方法包括以下步骤：

步骤1：固定精密平移针孔20的位置；

步骤2：背景测试：第一样品台8与第二样品台12同时放入标准样件，探测检偏器17方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强：I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₀₃；

步骤3：被测样品一种偏振反射光测试：在第一样品台8上放置被测样品，第二样品台12仍放置标准样件，探测检偏器17方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强：I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₁₃；

步骤4：计算该偏振下样品此角度α度在相应偏振下反射引起的光谱变化I为：

I₀＝I₁₀-I₀₀，I₁＝I₁₁-I₀₁，I₂＝I₁₂-I₀₂，I₃＝I₁₃-I₀₃

步骤5：计算样品此角度α度反射引起的相位变化

为：

步骤6：改变精密平移针孔20的位置，重复步骤2-步骤5测试并计算β度反射光强与相位。

步骤7：步骤3中，在第一样品台8上放标准样件，第二样品台12上放被测样品，重复步骤3-步骤6测量样品另一个偏振反射光的光谱强度与相位信息。

实施例一

显微角分辨透射光相位信息表征系统及其测量方法，测试方法包括一下步骤：

一种显微角分辨透射光相位信息表征系统及其测量方法，搭建如图1所示光路，测量透射光谱强度与相位信息方法如下：

步骤1：固定精密平移针孔20的位置；

步骤2：背景测试：第一样品台8与第二样品台12同时放入标准样件，探测检偏器17方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强：I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₀₃；

步骤3：被测样品一种偏振反射光测试：在第一样品台8上放置被测样品，第二样品台12仍放置标准样件，探测检偏器17方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强：I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₁₃；

步骤4：计算该偏振下样品此角度α度在相应偏振下反射引起的光谱变化I为：

I₀＝I₁₀-I₀₀，I₁＝I₁₁-I₀₁，I₂＝I₁₂-I₀₂，I₃＝I₁₃-I₀₃

步骤5：计算样品此角度α度反射引起的相位变化

为：

步骤6：改变精密平移针孔20的位置，重复步骤2-步骤5测试并计算β度反射光强与相位。

步骤7：步骤3中，在第一样品台8上放标准样件，第二样品台12上放被测样品，重复步骤3-步骤6测量样品另一个偏振反射光的光谱强度与相位信息。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等小变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种显微角分辨透射光相位信息表征系统，包括：光源(1)、准直器(2)、起偏器(3)、第一偏振分束器(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(6)、第一聚光镜(7)、第一样品台(8)、第一物镜(9)、第一焦平面(10)、第二聚光镜(11)、第二样品台(12)、第二物镜(13)、第二焦平面(14)、第二偏振分束器(15)、1/4波片(16)、检偏器(17)、透镜(18)、像平面(19)、精密平移针孔(20)、光纤(21)、探测器(22)；其特征在于：

从光源(1)出来的光首先经过准直器(2)与起偏器(3)，其次经过偏振分束器(4)，将光分为光路1与光路2两条光路；光路1的光经过两次反射镜后由第一聚光镜(7)照射在第一样品台(8)上，第一物镜(9)的焦平面为第一焦平面(10)，被测样品上同一透射角度的光经过第一物镜(9)汇聚在第一焦平面(10)同一点，之后进入第二偏振分束器(15)；光路2的光经过第二聚光镜(11)照射在第二样品台(12)上，第二物镜(13)的焦平面为第二焦平面(14)，标准样件上同一透射角度的光经过第二物镜(13)汇聚在第二焦平面(14)同一点，之后进入第二偏振分束器(15)，汇合后的两束光同时出射依次经过1/4波片(16)、检偏器(17)、透镜(18)，在像平面(19)处成像，像平面(19)上的位置与测试角度一一对应，通过移动精密平移针孔(20)接收不同入射角度的反射光信息，最后通过光纤(21)被探测器(22)接收。

2.根据权利要求1所述的一种显微角分辨透射光相位信息表征装置，其特征在于，所述偏振分束器(4)的分光比1：1。

3.一种基于权利要求1所述的一种显微角分辨透射光相位信息表征系统的光相位信息测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：固定精密平移针孔(20)的位置；

步骤2：背景测试，第一样品台(8)与第二样品台(12)同时放入标准样件，探测检偏器(17)方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强：I₀₀、I₀₁、I₀₂、I₀₃；

步骤3：被测样品一种偏振反射光测试，在第一样品台(8)上放置被测样品，第二样品台(12)仍放置标准样件，探测检偏器(17)方位角分别为0度、45度、90度、135度时测试对应的四个光强：I₁₀、I₁₁、I₁₂、I₁₃；

步骤4：计算该偏振下样品此角度α度在相应偏振下反射引起的光谱变化I为：

I₀＝I₁₀-I₀₀，I₁＝I₁₁-I₀₁，I₂＝I₁₂-I₀₂，I₃＝I₁₃-I₀₃；

步骤5：计算样品此角度α度反射引起的相位变化

为：

步骤6：改变精密平移针孔(20)的位置，重复步骤2-步骤5测试并计算β度反射光强与相位；

步骤7：步骤3中，在第一样品台(8)上放标准样件，第二样品台(12)上放被测样品，重复步骤3-步骤6测量样品另一个偏振反射光的光谱强度与相位信息。

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