一种应用纳米光学天线进行红外分光的方法技术

本发明专利技术涉及一种红外分光的方法，具体涉及一种应用纳米光学天线进行红外分光的方法和装置，是一种用纳米光学天线作为单色原件，通过实验测量、计算机模拟和矩阵运算进行红外分光的方法；利用不同偏振角度下各种波长的红外光透过率不同模拟得到透过率系数矩阵B，实际测量得到实际光强矩阵A，通过公式进行矩阵运算得到被测光光谱；该方法光路结构简单，抗震性好，稳定性高；本发明专利技术主要应用在红外分光方面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的
为纳米光学，具体涉及一种应用纳米光学天线进行红外分光的方法，是一种光路结构简单，抗震性好，稳定性高的红外分光方法。
技术介绍
纳米光学天线是近年来纳米光学方向新兴的前沿课题，广泛应用于新型光源、高密度数据存储、光刻、太阳能电池、光学显微镜及拉曼散射等领域，然而，有关纳米光学天线在红外光谱范围进行分光的应用尚未见报道。现阶段，国内外关于红外分光技术的应用主要是傅立叶变换红外分光光度计，其原理是根据光的相干性得到光的干涉图，再利用计策机进行快速傅里叶变换将其变为光谱图，其实现分光性能的关键部件是迈克尔逊干涉仪，但是由于其要求入射光与反射光时刻保持平行，且准直光路很难调节，往往由于一些震动等外在因素而不稳定。
技术实现思路
本专利技术针对以上现状及问题，提出了一种新的红外分光方法，用纳米光学天线作为单色原件，通过实验测量、计算机模拟和矩阵运算得到红外光谱，该方法光路结构简单，抗震性好，稳定性高，且为纳米光学天线在红外分光技术的应用提出了新的思想。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种应用纳米光学天线进行红外分光的装置，包括测量光路和计算机；测量光路由红外光源、偏振片、纳米光学天线、运动控制器、红外探测器和数据采集器组成，计算机用于纳米光学天线透射率的模拟、运动控制器和数据采集器的设置以及数据的处理运算。红外光源、偏振片、纳米光学天线、红外探测器在同一光轴上依次放置，其中纳米光学天线固定在运动控制器上，偏振片相对纳米光学天线的偏振方向初始值是0°，通过运动控制器控制纳米光学天线相对偏振片旋转，使入射到纳米光学天线上的红外光的偏振角在0°~180°之间。一种应用纳米光学天线进行红外分光的方法，按照以下步骤进行：a、通过RSOFT-Fullwave对纳米光学天线模型进行模拟，得到不同偏振角下各个波长的透射率，得到系数矩阵B：b、通过测量得到不同偏振角下的光强A：c、由得到待测光源光谱，其中X是偏振片各个波长透过率系数矩阵，可表示为：Y是探测器各个波长响应度系数矩阵,可以通过定标得到，表示为：本专利技术的突出特点在于，对于一个纳米光学天线只进行一次模拟得到不同偏振角下各个波长的透射率，即得到系数矩阵，在实际测量中只需采集不同偏振角度的光强，通过计算机处理数据可更方便的得到待测光源光谱，并且依次串联的测量光路结构更简单、稳定，抗震效果更好。附图说明下面通过附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1为应用纳米光学天线进行红外分光的装置；图2为纳米光学天线模型图；图3为模拟纳米光学天线在0°、45°和90°偏振角下不同波长的红外光透过率光谱图；图中1为红外光源、2为偏振片、3为纳米光学天线、4为运动控制器、5为红外探测器、6为数据采集器、7为计算机、8为水平轴、9为纳米光学天线模型、10为天线的长轴方向、11为天线的短轴方向、12为天线的竖直轴方向、13为天线的基底。具体实施方式下面实施例结合附图对本专利技术作进一步的描述。如图1所示，一种应用纳米光学天线进行红外分光的装置，红外光源1依次通过偏振片2、纳米光学天线3、探测器5和数据采集器6，其中纳米光学天线固定在运动控制器4上，由红外光源1、偏振片2、纳米光学天线3、运动控制器4、探测器5和数据采集器6构成测量光路；计算机用于纳米光学天线透射率的模拟、运动控制器和数据采集器的设置以及数据的处理运算。其中所述纳米光学天线与模拟纳米光学天线模型相同。具体如下：红外光源1发出红外光，通过偏振片2后变成偏振光，偏振光照射到纳米光学天线3上后到达探测器4，探测器连接数据采集器5采集红外光光强。其中红外光源1、偏振片2、纳米光学天线3及探测器4在同一水平轴8上；其中所说的偏振方向，如图2所示，是定位在光学天线的长轴方向11上的。开始时通过调节偏振片2或者纳米光学天线3，使入射光的偏振角度为0°（与光学天线的长轴方向11平行）时采集一次数据；通过运动控制器4使纳米光学天线3旋转5°，即使入射到光学天线上的光的偏振方向变为5°，再次采集数据；依次增大偏振角度，每间隔5°采集一次数据，一直到180°，得到的不同偏振角度的光强度矩阵为：对纳米光学天线3进行模拟时采用的方法是时域有限差分方法（FDTD），采用的模块是基于FDTD算法的RSOFT软件中的Fullwave模块，模型为Drude模型。入射光源设置为平面波，边界条件为完全匹配层（PML）。如图2为长方体条形纳米光学天线结构示意图，纳米光学天线10的材料是金，其长轴为2.10μm，短轴为0.20μm，垂直轴为0.10μm。纳米光学天线10制备在基底13上，所述基底材料是氟化钙。光源发出平面波，从天线下方沿垂直轴向上入射，平面波偏振的方向与天线长轴平行。边界条件设置为PML（完全匹配层，Perfectlymatchedlayer），计算区域大小为长轴方向3000nm、短轴方向1000nm、垂直轴方向1200nm，为了兼顾计算效率和准确性，计算的网格大小为10nm*10nm*10nm，金纳米线及其附近的网格大小为5nm*5nm*5nm。由于选择的纳米光学天线3是对称结构，偏振角0°和180°时各个波长透射率相同，5°和175°时各个波长透过率相同，以此类推。所以选择从0°到90°每间隔5°模拟计算一次各个波长的透射率；由于模拟纳米光学天线对3um到10um的红外光透射效果更好，所以选择红外波段为3um~10um；如图3所示列举了偏振角是0°、45°和90°时各个波长的透射率光谱图；通过对以上各个角度的模拟可以得到系数矩阵B为：由于将上述公式变为矩阵形式可表示为：由上述公式可得被测光谱矩阵为：即最后通过光谱辐射定标得到被测光光谱。可以通过拟合插值的方法在模拟得到的不同偏振角下各个波长的透射率光谱图上插入更多的偏振角下各个波长的透射率数值，而使偏振角间隔缩小，在实际测量时也使偏振角的间隔对应缩小，可以得到更加准确的被测光光谱图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用纳米光学天线进行红外分光的装置，其特征在于：包括测量光路和计算机（7）；测量光路由红外光源（1）、偏振片（2）、纳米光学天线（3）、运动控制器（4）、红外探测器（5）和数据采集器（6）组成，计算机（7）用于纳米光学天线透射率的模拟、运动控制器和数据采集器的设置以及数据的处理运算。

【技术特征摘要】
1.一种应用纳米光学天线进行红外分光的装置，其特征在于：包括测量光路和计算机（7）；测量光路由红外光源（1）、偏振片（2）、纳米光学天线（3）、运动控制器（4）、红外探测器（5）和数据采集器（6）组成，计算机（7）用于纳米光学天线透射率的模拟、运动控制器和数据采集器的设置以及数据的处理运算。2.根据权利要求1所述的一种应用纳米光学天线进行红外分光的装置，其特征在于红外光源（1）、偏振片（2）、纳米光学天线（3）、红外探测器（5）在同一光轴上依次放置，所述纳米光学天线（3）固定在运动控制器（4）上，通过运动控制器（4）控制纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘默，元光，李春，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37