本发明专利技术提出一种利用多向激发表面等离子体共振全息显微术测量低维材料面内光学各向异性的方法。激光器发出的细激光束经过扩束准直系统后形成线偏振平行光，经过光束入射方向控制装置和光束偏振态调控装置后，进入表面等离子体共振激发装置并激发表面等离子体波，与放置于激发装置上方的样品发生相互作用后形成携带样品信息的物光波，引入一束与物光波相干的已知光束作为参考光波，二者进入全息成像系统，相互干涉并在相机靶面形成离轴全息图。通过多次改变光束的入射角和面内投影方向，得到多幅全息图，由计算机读取后进行数值重建及数据拟合，最终测量得到样品的面内光学各向异性参量。相较传统的拉曼光谱技术，此方法避免了实验数据与庞大数据库比对的需求，可以实现宽场准动态测量。宽场准动态测量。宽场准动态测量。
【技术实现步骤摘要】
一种测量低维材料面内光学各向异性的方法
[0001]本专利技术涉及光学领域，特别涉及光学精密测量领域。
技术介绍
[0002]二维材料、一维材料、量子点材料等低维材料因某一个或某几个维度尺寸十分受限而展现出量子效应，其性能常与体块材料有很大差异。在这些特性中，面内光学各向异性在新型光学元件制备、微纳光电子器件开发、半导体器件改良等方面均起着重要作用。然而，目前常用的表征低维材料面内光学各向异性的拉曼光谱术(D.A.Chenet,et al.“In
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plane anisotropy in mono
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and few
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layer ReS2 probed by Raman spectroscopy and scanning transmission electron microscopy,”Nano letters,15,5667
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5672(2015))，具有信号不直观、难以实时监测和宽场测量等缺陷。表面等离子体共振全息显微术(Surface plasmon resonance holographic microscopy,SPRHM)具有灵敏度高、快速实时、非破坏性、非侵入性、宽场定量测量等优点，在病毒检测、生物样本分析、微纳器件检测等领域已获得广泛应用。利用SPRHM并结合计算机控制程序及解调算法，可以实时表征低维材料样品的面内光学各向异性，并监测其在外界(如力、热、声、光、电、磁等)刺激下产生的微弱变化。
技术实现思路
[0003]为实现上述目的，本专利技术提出一种利用多向激发SPRHM测量低维材料面内光学各向异性的方法。如图1所示，SPRHM中照射表面等离子体共振激发装置的光线空间方位角可以分成两个部分，与样品表面法线的夹角为入射角，合适的入射角可以满足波矢匹配条件，激发表面等离子体共振；入射光线在样品平面的投影所处的方向(简称为面内方向)决定了表面等离子体波的传播方向及其面内电场的振动方向。利用低维材料样品原子层对面内不同振动方向电场响应的差异性，以不同方向入射光波激发表面等离子体共振，通过SPRHM测量在相应共振情况下反射光波的复振幅信息，从而对位于金属表面近场区域低维材料面内光学各向异性的定量表征。
[0004]技术方案
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用多向激发SPRHM测量低维材料的面内光学各向异性，其特征在于包括如下步骤：
[0006]步骤1、线偏振平行光以共振角入射到表面等离子体共振激发结构上激发表面等离子体波。
[0007]步骤2、改变入射光束的面内方向入射角θ，反射光束作为物光波与参考光波发生离轴干涉，记录得到不同面内方向、入射角对应的离轴全息图
[0008]步骤3、根据波动光学理论，数值模拟光波的衍射重建过程，对全息图进行数值重建，获得物光波场的振幅和相位分布信息；
[0009]步骤4、根据菲涅耳公式，由数值重建的物光波场的振幅和相位拟合计算样品在各
面内方向下的复折射率。
[0010]所述步骤2包含以下要点：
[0011]a.面内方向的变化范围应为360度一周，并保证有足够多的采样点；
[0012]b.入射角的变化范围应包含步骤1中各面内方向下的共振角；
[0013]所述步骤4包含以下要点：
[0014]a.利用菲涅耳公式，理论计算得到不同样品复折射率下多组强度反射率曲线及反射相移曲线；
[0015]b.将同一面内方向下不同入射角的强度反射率及反射相移实验数据与a中获得的理论曲线拟合，获得该面内方向下样品的复折射率；
[0016]c.重复b，获得所有面内方向下样品的复折射率。
[0017]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：包括待测样品，一台激光器，一套扩束准直装置，一套光束入射方向控制装置，一套光束偏振态调控装置，一套表面等离子体共振激发装置，一套全息成像系统，一台相机和一台计算机及相应的固定装置。如图2所示，所述激光器发出的细激光束经过所述扩束准直装置准直后形成线偏振平面波，再依次经过所述光束入射方向控制装置和光束偏振态调控装置后，进入所述表面等离子体共振激发装置并激发表面等离子体共振，放置于所述表面等离子体共振激发装置上方近场区域的低维材料样品与表面等离子体波发生相互作用，被所述表面等离子体共振激发装置反射的反射光波携带样品信息，作为物光波，进入所述全息成像系统。从所述激光器中引入一束与物光波相干的已知光束作为参考光波，与物光波干涉并在所述相机上形成离轴全息图。通过所述光束入射方向控制装置多次改变光束的面内方向和入射角，得到多幅全息图，由所述计算机读取后进行数值重建及数据拟合，最终测量得到样品的面内光学各向异性参量。
[0018]有益效果
[0019]本专利技术避免了传统拉曼光谱技术无法进行宽场测量、测量信号需要与庞大数据库比对的不足，利用单一系统并结合基础光学数值重建算法，便可以测得低维材料的面内光学各向异性参量。本专利技术涉及的测量系统具有较高的时间分辨率，可实现低维材料面内光学各向异性的准动态监测，对低维材料相关物性变化的研究和拓展其应用具有重要意义。
附图说明
[0020]图1为样品表面、入射光波、入射光波在水平面内投影方向和入射角示意图；
[0021]图2为利用多向激发方法测量低维材料面内光学各向异性的方法示意图；
[0022]图3为利用多向激发方法测量低维材料面内光学各向异性的方法实施例光路图；
[0023]图1中：1
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入射光波，2
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入射光波在样品表面的投影，3
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样品表面的法线，4
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样品表面，5
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面内投影方向6
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入射角θ；
[0024]图2中：1
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激光器，2
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扩束准直装置，3
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光束入射方向控制装置，4
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光束偏振态调控装置，5
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包含待测样品的表面等离子体共振激发装置，6
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全息成像装置，7
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相机；
[0025]图3中：1
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632.8nm激光器，2
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物镜，3
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针孔，4
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凸透镜，5
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二维振镜(检流计控制偏转反射镜)，6
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凸透镜，7
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非偏振分束镜，8
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1阶涡旋半波片，9、10
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焦距相同的凸透镜，11
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高数值孔径油浸显微物镜，12
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盖玻片，13
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厚度为1.5nm的铬薄膜，14
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厚度为50nm的金薄膜，15
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待测样品，16
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凸透镜，17
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渥拉斯顿棱镜，18<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种利用多向激发表面等离子体共振全息显微术测量低维材料面内光学各向异性的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：偏振平行光以共振角入射到表面等离子体共振激发结构上激发表面等离子体波；步骤2：改变入射光束的面内方向入射角θ，反射光束作为物光波与参考光波发生离轴干涉，记录得到不同面内方向、入射角对应的离轴全息图面内方向的变化范围应包含完整的面内一周，入...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵建林，罗祥元，张继巍，米婧宇，豆嘉真，王灵珂，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
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