劉仲之,單秋霞,馬振新,董祥美

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 上?！?00093)

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納米分辨微小光斑光強(qiáng)分布檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉仲之,單秋霞,馬振新,董祥美

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 上海200093)

摘要：介紹了現(xiàn)有的微小光斑測(cè)量技術(shù),針對(duì)納米分辨率檢測(cè)精度要求,對(duì)納米分辨微小光斑光強(qiáng)分布檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究,設(shè)計(jì)和構(gòu)建了具有納米分辨的微小光斑光強(qiáng)分布檢測(cè)系統(tǒng)。利用該檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了低數(shù)值孔徑弱聚焦下所形成的微光場(chǎng)光強(qiáng)分布檢測(cè)實(shí)驗(yàn),得到較好的光強(qiáng)分布圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該檢測(cè)系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性好、便于操作等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光強(qiáng)分布檢測(cè); 微小光斑; 納米分辨率

引言

微小光斑光強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)具有重要的理論研究意義和廣泛的應(yīng)用前景。譬如在光信息存儲(chǔ)、光學(xué)微操縱、光學(xué)加工、成像及光電檢測(cè)等領(lǐng)域中就普遍存在對(duì)微小光斑光強(qiáng)分布檢測(cè)的需求,并且對(duì)光強(qiáng)分布檢測(cè)分辨率的要求越來(lái)越高[1-5]。此外,在研究特殊標(biāo)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(qiáng)分布檢測(cè)技術(shù)對(duì)特殊微光斑的實(shí)際能量分布、形狀和尺寸進(jìn)行精確的測(cè)量和評(píng)價(jià)[6-7]。

現(xiàn)在常用的微小光斑光強(qiáng)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)上很難做到孔與光束同心,精確度難保證且只適用于測(cè)量形狀規(guī)則、能量分布對(duì)稱的高斯光束;刀口掃描法和狹縫掃描法測(cè)量精度比較高,即使是高功率的激光,也能夠精確地測(cè)量微米級(jí)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(cè)量形狀規(guī)則、能量分布對(duì)稱的高斯光束,僅適合一般實(shí)驗(yàn)室激光光束直徑測(cè)量的需要;CCD法雖然可以測(cè)量不規(guī)則形狀的光斑,但CCD像素間距一般為幾個(gè)到幾十個(gè)微米,其間距限制了測(cè)量精度,同時(shí)對(duì)于高功率激光,CCD存在飽和現(xiàn)象,如用衰減片會(huì)引起光束畸變,所以一般僅適用于低功率的光束檢測(cè)[11]。

探針掃描法是對(duì)微小光斑的光強(qiáng)直接用小孔進(jìn)行局部采樣,進(jìn)行光電探測(cè),并驅(qū)動(dòng)小孔精密掃描,而得到微小光斑的光強(qiáng)分布。該方法原理類似于掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)的原理,但是不包含控制探針與被測(cè)樣品間距的模塊。該檢測(cè)方法的分辨率和檢測(cè)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(xiàng)技術(shù),設(shè)計(jì)和構(gòu)建了具有納米分辨的微小光斑光強(qiáng)分布檢測(cè)系統(tǒng),檢測(cè)用光纖探針的有效孔徑為30 nm,能夠?qū)Υ郎y(cè)光斑進(jìn)行直徑為30 nm 尺寸范圍的光強(qiáng)采樣檢測(cè)。該系統(tǒng)與之前基于壓電陶瓷管進(jìn)行掃描的測(cè)量系統(tǒng)不同[12],該掃描系統(tǒng)能夠帶動(dòng)光纖探針頂端在一個(gè)平面(x-y平面)內(nèi)并結(jié)合第三維(z軸)的線性移動(dòng),可實(shí)現(xiàn)真正意義上光斑光強(qiáng)三維分布納米分辨檢測(cè),并具有后續(xù)圖像重構(gòu)處理簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好、便于操作等特點(diǎn)。

1微小光斑光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)

整個(gè)微小光斑光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括探針探測(cè)部分、對(duì)準(zhǔn)與掃描部分、輔助觀測(cè)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(bǔ)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(guò)光斑處理模塊產(chǎn)生待測(cè)微小光斑,本文用顯微物鏡來(lái)做光斑處理器時(shí),光束經(jīng)過(guò)顯微物鏡聚焦后形成的焦斑就是一個(gè)微米級(jí)小光斑,以這個(gè)小焦斑為待測(cè)光斑,該檢測(cè)系統(tǒng)就可以測(cè)量焦點(diǎn)附近光場(chǎng)分布。具有納米分辨率的高精度平移臺(tái)帶動(dòng)光纖探針在被測(cè)區(qū)域進(jìn)行光強(qiáng)掃描,光纖探針另一端的光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)微小光斑光強(qiáng)檢測(cè)。圖中橫向(x-y平面)監(jiān)測(cè)模塊,可觀測(cè)光纖探針的橫向位置,與三維對(duì)準(zhǔn)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(cè)量掃瞄。縱向(z軸)監(jiān)測(cè)模塊用于對(duì)光纖探針的縱向位置進(jìn)行監(jiān)測(cè),同樣與三維對(duì)準(zhǔn)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(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的左前側(cè)視圖和右側(cè)視圖。

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

在橫向(x-y平面)監(jiān)測(cè)模塊和縱向(z軸)監(jiān)測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)輔助作用下,可以正確地把光纖探針移動(dòng)到待測(cè)光場(chǎng),檢測(cè)裝置調(diào)試操作結(jié)束。光強(qiáng)檢測(cè)原理如圖3所示,檢測(cè)用的光纖探針的有效孔徑為30 nm,能夠?qū)Υ郎y(cè)光斑進(jìn)行直徑為30 nm 尺寸范圍的光強(qiáng)采樣檢測(cè)。驅(qū)動(dòng)光纖探針的三維納米平臺(tái)單步移動(dòng)分辨為0.1 nm,能夠帶動(dòng)光纖探針在x-y-z三維空間范圍內(nèi)進(jìn)行30 μm×30 μm×10 μm范圍進(jìn)行逐行、逐層的線性掃描采樣運(yùn)動(dòng),通過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)待測(cè)光場(chǎng)的三維空間光強(qiáng)的檢測(cè)。

圖2　檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2　Picture of the detection system

圖3　光強(qiáng)檢測(cè)原理示意圖Fig.3　Detection principle

圖4　橫截面上檢測(cè)光強(qiáng)分布Fig.4　The light intensity distribution on the cross section of detection

2實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與討論

利用微小光斑光強(qiáng)檢測(cè)裝置對(duì)He-Ne激光器產(chǎn)生的高斯光束經(jīng)過(guò)低數(shù)值孔徑透鏡聚焦所產(chǎn)生的焦點(diǎn)區(qū)域光強(qiáng)分別進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)用10×顯微物鏡的擴(kuò)束鏡,針孔為25 μm,準(zhǔn)直鏡為雙膠合透鏡且焦距f=200 mm,擴(kuò)束準(zhǔn)直后光斑的直徑D=10 mm,會(huì)聚透鏡為雙膠合透鏡且焦距f=100 mm,會(huì)聚透鏡實(shí)際數(shù)值孔徑NA=0.04。

由于工作物鏡的實(shí)際數(shù)值孔徑非常小,所以高斯光束的瑞利距離很長(zhǎng),在200 μm范圍。實(shí)驗(yàn)時(shí),控制電控平臺(tái)找到焦點(diǎn)區(qū)域,然后鎖緊電控平臺(tái),此時(shí),光軸(z軸)方向納米平臺(tái)位于會(huì)聚透鏡后焦點(diǎn)遠(yuǎn)離會(huì)聚透鏡區(qū)域,壓電陶瓷通電,設(shè)此位置為納米平臺(tái)z軸的坐標(biāo)初始位置,記為z=0,給納米平臺(tái)通電后,納米平臺(tái)z軸會(huì)由初始位置逐漸靠近會(huì)聚透鏡,用相對(duì)坐標(biāo)值來(lái)表示。本實(shí)驗(yàn)在焦平面前后沿光軸10 μm范圍內(nèi)進(jìn)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(jìn)行分析,如圖4如示。利用Mathematica軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的光強(qiáng)分布進(jìn)行高斯擬合,擬合高斯函數(shù)表達(dá)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(cè)面位置的束腰參數(shù),背景噪聲c=-0.170 388,高斯光束中心強(qiáng)度最大點(diǎn)坐標(biāo)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(qiáng)圖。

從圖4中可以明顯看出,實(shí)際測(cè)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(jì)規(guī)律性。如圖5(a)所示SCAN軸是掃描軸,掃描時(shí),光纖探針沿著SCAN軸從x=0的位置逐點(diǎn)掃描探測(cè)到x=15的位置,邊掃描邊記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù),然后x方向壓電陶瓷平臺(tái)帶動(dòng)探針快速回SCAN軸的x=0位置,返回過(guò)程并不記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這是一個(gè)連續(xù)進(jìn)行的過(guò)程,成為一個(gè)單行掃描周期。完成一個(gè)單行掃描周期后,探針在y方向壓電陶瓷平移臺(tái)的載動(dòng)下,沿STEP軸以掃描前設(shè)定的確定步長(zhǎng)走一步,然后進(jìn)入下一個(gè)單行掃描周期,得到測(cè)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(shí)測(cè)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(gè)單步掃描周期中抽取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)然后進(jìn)行求和,這些點(diǎn)來(lái)自不同的單步掃描周期,在時(shí)間上不是緊密聯(lián)系的,是從不同時(shí)間段內(nèi)抽出的點(diǎn),但是具有相同的x坐標(biāo)。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(jìn)行實(shí)測(cè)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(qiáng)最大值出現(xiàn)隨機(jī)漂移,這是因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期使用氣體激光器作為光源,沒(méi)有考慮到氣體激光器的溫漂的影響對(duì)測(cè)量結(jié)果影響如此嚴(yán)重,因此必須對(duì)光源做相應(yīng)的處理,以消除功率不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性的影響。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明:本檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的空間分辨率可以達(dá)到30~50 nm,并且具有可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、便于操作等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中。

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(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(hào)：TN 247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.002

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金(14ZR1428500)

收稿日期：2015-04-08