一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法，所述系统包括：照明模块，用于向等离激元等样品发射不同偏振态的入射光，所述入射光激发等离激元等样品生成纳米尺度光场；扫描近场光学显微镜装置，所述扫描近场光学显微镜装置用于对所述纳米尺度光场进行近场逐点扫描，将纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；偏振调制模块，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号；偏振检测及解调模块，用于解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法
本专利技术涉及近场光学和纳米光学
，更具体地，涉及一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法。
技术介绍
在纳米光学和近场光学领域中，矢量分布或电场的偏振是非常重要的物理量。首先，纳米光学器件与入射光作用后产生的光场分布是三维矢量场，掌握这个光场的矢量分布信息，可以更充分的理解纳米尺度上光与物质相互作用的机理；其次，根据纳米光场的矢量分布信息，可以设计偏振相关的对比度机制，进一步提升扫描近场光学显微镜系统成像的光学分辨率；最后，纳米光场矢量场测量可以为求解近场光学中的逆问题提供更详实的数据参考，进而促进对纳米光学器件的形貌与构成的反演、以及扫描近场光学显微镜成像机制等研究的发展。纳米光场的矢量分布具有非横波性、非同质性、纳米局域性等特点。纳米光场矢量场的纵向电场分量不能忽略，在表面等离激元(SurfacePlasmonPolariton,简称SPP)等应用中，纵向电场分量甚至起主导作用，同时，在局域等离激元(LocalizedSurfacePlasmon，简称LSP)等研究中也不具有确定的能流方向，所以纳米光场将不再能用横波和纵波来简单区分。其次，由于与光场发生相互作用的结构处于亚波长纳米尺度，光与纳米结构相互作用后的纳米光场分布将呈现出纳米尺度的非同质特性，即纳米光场不同位置处的振幅、相位和偏振可能会存在显著的差异，且这种差异对应的空间尺度是纳米量级。纳米光场矢量分布的上述特点，决定了矢量场测量方法的技术特征必须以能实现超衍射光学分辨率为前提，同时还需要对电磁场的纵向分量敏感。扫描近场光学显微镜系统具有光学超衍射极限的成像性能，所以可采用扫描探针将近场光场散射至远场、再进行偏振测量的方法来实现对纳米尺度光场的矢量场偏振测量。目前，主要有两种基于扫描近场光学显微镜系统实现近场矢量场偏振测量的方式。第一种方式是采用基于外差或伪外差干涉仪的相位分辨型扫描近场光学显微镜系统，分别测量包含纵向分量在内的两个正交分量的复振幅后，再经过探针标定、软件拟合等技术逐点合成出纳米光场的矢量场偏振，此方法可以得到近场偏振的斯托克斯参数，但是仪器系统及算法复杂，无法快速实时地进行近场偏振测量。第二种方式是采用普通的扫描近场光学显微镜系统，然后在远场采用离散旋转检偏器的方式逐点合成出纳米光场的的矢量场偏振，此方法简便易行、对系统的要求低，可以得到近场偏振的方向、大小和椭偏度信息，但是无法确定偏振的旋性，且同样无法快速实时地进行近场偏振测量。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法，解决了现有技术中无法确定偏振的旋性，无法快速实时地进行近场偏振测量的问题。根据本专利技术的一个方面，提供一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，包括：照明模块，用于向等离激元样品发射不同偏振态的入射光，所述入射光激发等离激元样品生成纳米尺度光场；扫描近场光学显微镜装置，所述扫描近场光学显微镜装置用于对所述纳米尺度光场进行近场逐点扫描，将纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；偏振调制模块，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号；偏振检测及解调模块，用于解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；基于偶数阶倍频解调方法获取所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。作为优选的，所述照明模块包括激光器，所述激光器输出激光的传输光路上依次设置有扩束准直透镜、四分之一波片、二分之一波片、起偏器、偏振控制器。作为优选的，所述扫描近场光学显微镜装置包括扫描台、扫描头和控制器；所述扫描台用于放置等离激元样品，且所述扫描台上开设有用于传输所述入射光的通光孔；所述扫描头可移动设于所述扫描台上方，所述扫描头上设有扫描功能探针，所述扫描功能探针用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数，得到远场光束；所述控制器连接所述扫描头和扫描台，用于同步控制所述扫描头和扫描台，使所述扫描头对准等离激元样品。作为优选的，所述扫描功能探针包括近场探针，所述近场探针的针尖部粘附有对电场敏感的金属纳米微粒或对光频磁场敏感的高折射率介质纳米微粒，所述纳米微粒用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数。作为优选的，还包括光学成像及选择模块；所述光学成像及选择模块设于所述偏振调制模块与所述扫描头间；所述光学成像与选择模块包括依次设置的长工作距物镜及场镜、可调光阑与狭缝和准直镜；所述长工作距物镜及场镜用于收集所述远场光束，并对所述扫描功能探针及所述等离激元样品成像；所述可调光阑与狭缝，用于选择成像视场，并降低所述近场探针侧壁以及等离激元样品非测量区域的背景散射噪声；所述准直镜的前焦点与所述可调光阑或狭缝的中心位置重合，用于将所述成像视场内的远场光束准直为平行光束。作为优选的，所述偏振调制模块包括依次设置的旋转四分之一波片、检偏器；所述旋转四分之一波片连接有驱动控制器；所述驱动控制器用于驱动所述旋转四分之一波片转动连续改变所述旋转四分之一波片的快轴方向；所述检偏器的偏振透光方向为水平方向，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号。作为优选的，所述旋转四分之一波片包括四分之一波片、中空旋转台；所述四分之一波片装载于所述中空旋转台上，所述中空旋转台内部设有无刷直流电机，所述无刷直流电机用于驱动所述中空旋转台旋转，所述无刷直流电机连接所述驱动控制器；或者，所述旋转四分之一波片还可以包括偏振调制器、四分之一波片组；所述偏振调制器置于四分之一波片之间；所述偏振调制器可以是液晶相位延迟器或光弹调制器，通过周期性调节所述偏振调制器产生的相位延迟实现所述旋转四分之一波片的功能。作为优选的，所述偏振检测及解调模块包括聚焦场镜、光电探测器和锁相放大器；所述聚焦场镜用于对所述偏振调制信号进行聚焦；所述光电探测器用于接收聚焦后的偏振调制信号，并输出调制电信号；所述锁相放大器连接所述光电探测器，所述锁相放大器用于对所述偏振电信号进行锁相和解调，并输出至所述扫描近场光学显微镜装置的控制器。一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测方法，包括：S1、通过激光激发等离激元等样品生成纳米尺度光场，通过各向同性的球形纳米微粒为近场传感单元，将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；S2、对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，输出偏振调制信号；依次通过快轴方向匀速改变的旋转四分之一波片和静置的水平检偏器对偏振实现高速调制，快轴的旋转频率为系统的基频；S3、解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；基于偶数阶倍频解调方法标定所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。作为优选的，所述步骤S3具体包括：通过二倍频正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波处理，得到所述偏振调制信号的二倍频解调信号；通过四倍频正余弦信号对所述偏振调制信号进行傅里叶积分变换及低通滤波处理，得到所述偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，包括：照明模块，用于向等离激元样品发射不同偏振态的入射光，所述入射光激发等离激元样品生成纳米尺度光场；扫描近场光学显微镜装置，所述扫描近场光学显微镜装置用于对所述纳米尺度光场进行近场逐点扫描，将纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；偏振调制模块，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号；偏振检测及解调模块，用于解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；基于偶数阶倍频解调方法获取所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。

【技术特征摘要】
1.一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，包括：照明模块，用于向等离激元样品发射不同偏振态的入射光，所述入射光激发等离激元样品生成纳米尺度光场；扫描近场光学显微镜装置，所述扫描近场光学显微镜装置用于对所述纳米尺度光场进行近场逐点扫描，将纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数；偏振调制模块，用于对所述远场斯托克斯参数进行偏振调制，得到偏振调制信号；偏振检测及解调模块，用于解调所述偏振调制信号，输出所述偏振调制信号的偶数阶倍频解调信号；基于偶数阶倍频解调方法获取所述偶数阶倍频解调信号的系统参数，通过所述偶数阶倍频信号和所述系统参数得到所述远场斯托克斯参数，基于所述远场斯托克斯参数还原出近场斯托克斯参数。2.根据权利要求1所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述照明模块包括激光器，所述激光器输出激光的传输光路上依次设置有扩束准直透镜、四分之一波片、二分之一波片、起偏器、偏振控制器。3.根据权利要求1所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述扫描近场光学显微镜装置包括扫描台、扫描头和控制器；所述扫描台用于放置等离激元样品，且所述扫描台上开设有用于传输所述入射光的通光孔；所述扫描头可移动设于所述扫描台上方，所述扫描头上设有扫描功能探针，所述扫描功能探针用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数，得到远场光束；所述控制器连接所述扫描头和扫描台，用于同步控制所述扫描头和扫描台，使所述扫描头对准等离激元样品。4.根据权利要求3所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述扫描功能探针包括近场探针，所述近场探针的针尖部粘附有对电场敏感的金属纳米微粒或对光频磁场敏感的高折射率介质纳米微粒，所述纳米微粒用于将所述纳米尺度光场的近场斯托克斯参数转换为远场斯托克斯参数。5.根据权利要求4所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，还包括光学成像及选择模块；所述光学成像及选择模块设于所述偏振调制模块与所述扫描头间；所述光学成像与选择模块包括依次设置的长工作距物镜及场镜、可调光阑与狭缝和准直镜；所述长工作距物镜及场镜用于收集所述远场光束，并对所述扫描功能探针及所述等离激元样品成像；所述可调光阑与狭缝，用于选择成像视场，并降低所述近场探针侧壁以及等离激元样品非测量区域的背景散射噪声；所述准直镜的前焦点与所述可调光阑或狭缝的中心位置重合，用于将所述成像视场内的远场光束准直为平行光束。6.根据权利要求1所述的纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统，其特征在于，所述偏振调制模块包括依次...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琳，白本锋，张小萌，王佳，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11