专利名称:高密度光栅偏振相关自成像的探测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高密度光栅，特别是一种高密度光栅偏振相关自成像的探测方法和装置，是一种周期为入射光波长2.5倍左右的高密度光栅偏振相关自成像测量的方法和装置。
背景技术：
光栅是一种非常重要的色散光学元件，泰伯在1836年发现在接近光栅表面的特定距离处会出现与光栅结构相同的像，称为泰伯效应或光栅自成像效应，它是指光栅在单色光的照明下在周期距离上出现光栅的衍射像，它具有和原光栅相同的周期。泰伯效应是一个基本的光学现象，早已被人们深入地研究过，最近，人们在泰伯效应上又取得了新的进展，认识到分数泰伯距离上仍有光栅的自成像效应，并且发展了一整套简单规则来对其进行解释。[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)]这些研究成果极大地丰富了人们对光栅自成像效应的认识。当光栅周期远大于入射光波长时，可以用傅立叶变换方法很好的解释泰伯效应，但是对于高密度光栅，由于其周期和入射光波长相比拟，对于不同偏振态的入射光，其泰伯像也会不一样，这时这种标量方法将不再适用，必须求助于矢量方法，比如有限元、严格耦合波以及时域有限差分法。时域有限差分法是一种基于麦克斯韦方程的很强大的模拟电磁波传播的工具[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)]，目前已经广泛的应用于各种电磁场问题的求解，当然也包括衍射光学元件的分析。
扫描近场光学显微镜(以下简称为SNOM)是利用头部开口为纳米级的光纤探针作为接收或发射光信号装置，在距离表面小于一个波长的范围内对物体表面进行超过衍射极限分辨率的测量，得到普通光学显微镜得不到的微观表面信息。扫描近场光学显微镜探针工作时距离表面小于一个波长，很容易与表面接触，这对于高精度光栅表面来说会造成很大的损伤，甚至使整个光栅成为废品。扫描近场光学显微镜也可以在接近物体表面处对物体表面成像[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，pp1346]，Bozhevolnyi、Smolyaninov等就利用近场光学显微镜得到了光栅的泰伯像。周长河，罗红心结合光栅自成像效应和SNOM技术，提出了一种无损检测高密度光栅表面质量的技术(周常河，罗红心，“光栅表面质量无损检测方法和装置，”发明专利，申请号03151091.4)，但是他们在检测光栅表面质量的过程中对于入射光的偏振状态并不特别关注，本实用新型特别引入1/4波片和偏振片，首先将入射的线偏振激光转化为圆偏光，通过偏振片的旋转实现TE波(入射光电矢量平行于光栅槽)和TM波(入射光电矢量垂直于光栅槽)的转换，这样利用SNOM技术，可以观察到高密度光栅的偏振相关自成像。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高密度光栅偏振相关自成像的探测方法和装置，以实现检测高密度光栅在不同偏振态入射光下的自成像效应；同时可以通过微动平台精确控制光栅与扫描探针之间的距离，尽可能的在泰伯面上扫描，提高了测量精度。
本实用新型的技术解决方案如下一种高密度光栅偏振相关自成像的探测装置，其特征在于包括一激光器，沿该激光器出射的激光束方向依次设1/4波片、偏振片、高密度光栅和头部开口的光纤探针，该高密度光栅放在微动平台上，该微动平台由计算机精确控制在激光束方向的移动，所述的光纤探针由压电陶瓷管驱动进行扫描，该压电陶瓷管固定在一精密三维调节架上，该精密三维调节架上有三个相互垂直方向的调节旋钮，以调节所述的光纤探针的扫描位置，所述的三维调节架固定在一底座上，该底座固定在防震平台上，所述的光纤探针的尾部经光电探测器与计算机相连。
所述的激光器为He-Ne激光器。
本实用新型的原理主要是利用高密度光栅的偏振自成像效应。一维周期光栅复振幅透过率可表示为g(x)=Σn=-∞∞cnexp(i2πndx)n=0,±1,±2,...(1)]]>
其中d为周期，物场分布的空间频谱为G(fx)=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)---(2)]]>各平面波分量传播过程中仅产生相移，则有H(fx)=exp(-iπλzfx2)exp(ikz)---(3)]]>观察平面得到场分布频谱为G(fx)=G(fx)H(fx)=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)exp(-iπλzfx2)exp(ikz)---(4)]]>=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)exp[-iπλz(nd)2]exp(ikz)]]>设沿光路传输方向为z方向，当满足条件z=2md2λ,]]>exp[-iλπz(nd)2]=1,]]>在这一特殊情况下，G(fx)=Σn=-∞∞cnδ(fx-nd)exp(ikz)=G(fx)exp(ikz)---(5)]]>光场的复振幅为g′(x)＝g(x)exp(ikz)，强度分布I(x)＝|g′(x)|2＝|g(x)|2，与原物相同。于是在zt=2d2λ]]>的整数距离上，可以观察到与原物相同的像。Zt则称为泰伯距离。光栅的菲涅耳衍射场沿x、z均为周期性变化，在Zt处所得的泰伯像周期与光栅周期相同。在某些泰伯距离的整数分之一处也会出现泰伯像，只是出现的泰伯像的周期与原光栅不同。
对于高密度光栅由于其周期和入射光波长相比拟，或者小于入射光波长，这时在分析光栅衍射时必须考虑偏振的影响，此时傅立叶积分方法不再适用，必须利用矢量方法进行分析。我们采用时域有限差分方法分析了偏振效应在不同周期振幅型光栅自成像中的影响，光栅周期变化范围为一倍波长到四倍波长。时域有限差分算法是一种基于麦克斯韦方程的严格矢量方法，我们知道光也是一种电磁波，所以也满足麦克斯韦方程，在各向同性介质中，麦克斯韦方程可以写成▿×E=-μ∂H∂t-σ*H---(6)]]>▿×H=ϵ∂E∂t+σE---(7)]]>其中ε，μ，σ和σ*分别为介电常数、磁导率、电导率和等效磁阻率。利用Yee氏网格和中心差分格式，可以将麦克斯韦方程进行差分处理，对于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)]]>可以得到这样三个差分方程，其中Δz、Δx和Δt分别为空间步长和时间步长，i和k分别为x、z方向的网格单元个数，n为时间步长个数。通过给予一定的初始条件，就可以模拟电磁场时域上的传播。对于TM情况可以做类似的处理。
对于不同周期的光栅，我们分别比较了不同偏振态入射光情况下，1/2泰伯距离上亮条纹中心的平均能流密度的比，定义为TETM=<|E→(x,z,t)×H→(x,z,t)|>tTE<|E→(x,z,t)×H→(x,z,t)|>tTMz=0.5Z,x=0.75d---(11)]]>其中z＝0.5Zt是确定在1/2泰伯距离上，x＝0.75d是在0附近的亮条纹的中心。结果如图2所示，当光栅周期在2λ和3λ之间时，其自成像的差别尤其明显，我们称之为偏振相关自成像效应[Y.Lu，C.Zhou，S.Wang，and B.Wang，“Polarization-dependentTalbot effect，”J.Opt.Soc.Am.A(录用)]。
我们利用一片1/4波片和一片偏振片控制入射光的偏振态，通过由电脑控制的微动平台精确控制光栅和扫描探针之间的距离，这样就能精确地在泰伯距离上得到高密度光栅不同偏振态下的自成像效应。
光栅的泰伯像可以用CCD进行观察与测量，但常用的商用CCD探测器的最小像素尺寸在4～5微米左右，这远大于高密度光栅的周期(一微米左右)，因此，CCD探测器不适合于观察高密度光栅泰伯像的细节信息。
本实用新型的优点1、与周常河等人的光栅表面质量无损检测装置相比，实现并实验检测高密度光栅在不同偏振态入射光下的自成像效应；同时可以通过微动平台精确控制光栅与扫描探针之间的距离，尽可能的在泰伯面上扫描，提高了测量精度。
2、测量速度快，通常一次测量在几分钟之内就可完成。
3、对环境要求不高，不需要真空或其它特殊的环境要求，可以现场及时进行检测
图1为本实用新型的测量装置图。其中1为激光器；2为激光束；3为1/4波片；4为偏振片；5为高密度光栅；6为光栅的泰伯像；7为微动平台；8为光纤探针；9为压电陶瓷管；10为精密三维调节架；101为调节架竖直方向调节旋钮；102、103为精密三维调节架水平方向调节旋钮；104为固定底座，以保证三维调节架的稳固；11为光电探测器；12为计算机。
图2偏振相关自成像的时域有限差分算法计算结果。显示了不同偏振态下，亮条纹中心与暗条纹中心的平均能流密度比随光栅周期变化的关系，可以看出当光栅周期在2λ和3λ之间时，其偏振自成像的差别尤其明显。
图3、图4和图5为本实用新型装置实验测得的密度为630l/mm振幅型光栅在1/2泰伯距离处的偏振泰伯像。
图3为该光栅在入射光为TE偏振时的泰伯像。
图4为该光栅在入射光为TM偏振时的泰伯像。
图5是沿着光栅槽方向做了统计平均处理，以便去除光栅表面缺陷带来的影响，其中实线为TE情况，虚线为TM情况，这个实验结果清楚显示了不同偏振态下光栅的自成像之间的差别。
本实用新型如图1所示，采用一种纳米开口光纤扫描探针系统，扫描探针为近场显微镜的光纤探针，开口为50-80纳米，扫描系统为压电陶瓷与三维调整架相结合。同时将光栅放在微动平台上，微动台由电脑控制，可以精确到每步30nm，因此可以精确控制光栅和扫描探针之间的距离，尽可能地使探针在泰伯面上扫描，这非常适合于高密度光栅自成像的扫描。另外我们通过使用一片1/4波片和一片偏振片，调节入射光的偏振态，从而实现了高密度光栅偏振相关自成像的测量。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
先请参阅图1，图1也是本实用新型高密度光栅偏振相关自成像的探测装置实施例结构示意图。由图可见，本实用新型高密度光栅偏振相关自成像的探测装置，包括一激光器1，沿该激光器1出射的激光束2方向依次设1/4波片3、偏振片4、高密度光栅5和光纤探针8，该高密度光栅5放在微动平台7上，由计算机12精确控制该微动平台7在激光束2方向的移动，头部开口的光纤探针8由压电陶瓷管9驱动进行扫描，该压电陶瓷管9固定在一精密三维调节架10上，该精密三维调节架10上有三个相互垂直方向的调节旋钮101、102、103，以调节所述的光纤探针8的扫描位置，所述的三维调节架10固定在一底座104上，该底座104固定在防震平台上，所述的光纤探针8的尾部经光电探测器11与计算机12相连。
在本实施中，激光器1采用He-Ne激光器，其出射的激光束2为线偏振光，经过1/4波片3变成圆偏振光，再通过偏振片4精确控制入射光的偏振态，然后照射在高密度光栅5上，在光栅后的泰伯距离处形成光栅的泰伯像6，光栅放在微动平台7上，由计算机12精确控制它在z方向的移动，精度为每步30nm，头部开口50nm的光纤探针8由压电陶瓷管9驱动对泰伯像6进行扫描，扫描范围4.5μm×4.5μm。压电陶瓷管9固定在精密三维调节架10上，通过三维调节架10上三个调节旋钮101、102、103调节光纤探针8的扫描位置，对光栅的泰伯像6进行精确的扫描；三维调节架10固定在底座104上，通过底座固定在防震平台上，以最大可能减少外界震动对测量精度的影响；光纤探针8探测的光信号经光纤传导进入光电探测器11，这里使用光电倍增管，将光信号转化成电信号，由计算机12进行采集，并显示在计算机屏幕上。扫描所得数据进行统计平均处理等更进一步的分析。
图3、4和5为密度为630l/mm(入射光波长为0.6328μm，光栅周期约为2.5倍波长)振幅型光栅的扫描测量结果。光栅采用全息方法制成，基底为玻璃，表面为铬层。图3、4分别为TE、TM情况下扫描得到的1/2泰伯距离处的二维强度分布图。图5是沿着光栅槽方向做了统计平均处理，以去除光栅表面缺陷带来的影响，其中实线为TE情况，虚线为TM情况，我们可以清楚的得到不同偏振态下高密度光栅的自成像。
本实用新型装置非常适合于几个微米范围之内的高密度光栅偏振相关自成像的测量，扫描精度可以达到50nm，具有重要的学术价值和应用前景。
权利要求
1.一种高密度光栅偏振相关自成像的探测装置，其特征在于包括一激光器(1)，沿该激光器(1)出射的激光束(2)方向依次设1/4波片(3)、偏振片(4)、高密度光栅(5)和光纤，该高密度光栅(5)放在微动平台(7)上，由计算机(12)精确控制该微动平台(7)在激光束(2)方向的移动，头部开口的光纤探针(8)由压电陶瓷管(9)驱动进行扫描，该压电陶瓷管(9)固定在一精密三维调节架(10)上，该精密三维调节架(10)上有三个相互垂直方向的调节旋钮(101、102、103)，以调节所述的光纤探针(8)的扫描位置，所述的三维调节架(10)固定在一底座(104)上，该底座(104)固定在防震平台上，光纤探针(8)的尾部经光电探测器(11)与计算机(12)相连。
2.根据权利要求
1所述的高密度光栅偏振相关自成像的探测装置，其特征在于所述的激光器(1)为He-Ne激光器。
专利摘要
一种高密度光栅偏振相关自成像的探测装置，包括一激光器，沿该激光器出射的激光束方向依次设1/4波片、偏振片、高密度光栅和头部开口的光纤探针，该高密度光栅放在微动平台上，该微动平台由计算机精确控制在激光束方向的移动，所述的光纤探针由压电陶瓷管驱动进行扫描，所述的光纤探针的尾部经光电探测器与计算机相连。本实用新型可检测高密度光栅在不同偏振态入射光下的自成像效应，测量精度高。
文档编号G01Q60/18GKCN2911666SQ200620041241
公开日2007年6月13日 申请日期2006年4月21日
发明者周常河, 陆云清 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan