基於四波橫(héng)向(xiàng)剪切幹(gān)涉法的超表麵光(guāng)學(xué)表(biǎo)征

更新時(shí)間：2023-07-24

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自從(cóng)J. B. Pentry教授在1996年(nián)開始提(tí)出超材(cái)料(liào)結構的(dí)負折射原理(lǐ)，Roger M. Walser教授1999年正(zhèng)式提出了超材料metamaterial的名詞(cí)。現如(rú)今，超材料已經(jīng)從最初材(cái)料性研(yán)究(jiū)，慢慢的過度到器件(jiàn)方(fāng)向，而由(yóu)於(yú)微納工(gōng)藝的發(fā)展，亞微(wēi)米(mǐ)乃至納(nà)米(mǐ)級(jí)周期性(xìng)結(jié)構得以(yǐ)實(shí)現，超材(cái)料在(zài)可見光和(hé)近(jìn)中(zhōng)紅(hóng)外等(děng)區(qū)域(yù)的(dí)研究近(jìn)年來(lái)也(yě)逐漸增(zēng)多，由(yóu)此衍(yǎn)生的(dí)超(chāo)表(biǎo)麵，超透鏡等也變成了光學前沿和(hé)技(jì)術(shù)熱點，甚至(zhì)於被譽為(wéi)光學(xué)領(lǐng)域新的革(gé)命(mìng)性技術(shù)。

原理知識

超(chāo)表麵是由(yóu)大量亞波(bō)長單(dān)元在二維(wéi)平(píng)麵上(shàng)周期或(huò)非周期(qī)排布而構成(chéng)的(dí)人(rén)工(gōng)結構(gòu)陣列(liè)，能(néng)夠對電磁(cí)波(bō)進行靈(líng)活(huó)操控。由(yóu)於(yú)超表麵具有(yǒu)超(chāo)薄(báo)結構和較(jiào)強(qiáng)的可自主設(shè)計性(xìng)而(ér)受(shòu)到(dào)廣大研究(jiū)者青睞。超(chāo)透(tòu)鏡是一種二維平麵(miàn)透鏡結構，其(qí)體積極小(xiǎo)，重量(liáng)輕，易(yì)於(yú)集成(chéng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光振(zhèn)幅(fú)，相位(wèi)，偏(piān)振等(děng)參(cān)量(liáng)的(dí)靈(líng)活(huó)調控，在(zài)超(chāo)分(fēn)辨顯(xiǎn)微成像，全息光學，消色差透鏡(jìng)等方麵有重要應用(yòng)。

業(yè)內(nèi)痛(tòng)點

超(chāo)表(biǎo)麵的目(mù)前發展主(zhǔ)要局限(xiàn)於(yú)光(guāng)學設計能(néng)力，在(zài)宏(hóng)觀基底(dǐ)材料上(shàng)的(dí)製造(zào)數(shù)十億納米級結構的非均匀(yún)組裝的(dí)能(néng)力(lì)以及加(jiā)工成(chéng)型後測(cè)量能(néng)力。對於成型後的測量，學(xué)術(shù)界主要使(shǐ)用(yòng)以(yǐ)下幾種(zhǒng)方法：第一橢(tuǒ)偏(piān)法(fǎ)，該方法應(yīng)用(yòng)麵較(jiào)窄(zhǎi)，僅(jǐn)適(shì)用(yòng)於基(jī)於正交(jiāo)光偏(piān)振之間的(dí)相位差測量；第(dì)二(èr)幹(gān)涉測量法，通常(cháng)是基於兩束光(其(qí)中(zhōng)一束用作參考(kǎo))交(jiāo)匯在檢測平(píng)麵(miàn)上(shàng)進行(háng)幹(gān)涉(shè)。但(dàn)是該(gāi)方(fāng)法(fǎ)對(duì)實驗環境要求高(gāo)，抗(kàng)震能力低，導致靈敏度差(chà)，而(ér)且(qiě)對(duì)機械結構(gòu)要(yào)求很嚴(yán)格(gé)，不(bù)易(yì)於(yú)實(shí)施(shī)。業(yè)界有(yǒu)提出三(sān)光束(shù)幹涉的(dí)方法，其中第三(sān)束(shù)光用(yòng)於分(fēn)析(xī)實(shí)驗期間的(dí)環(huán)境(jìng)變(biàn)化，但(dàn)是這樣(yàng)會使(shǐ)設備結(jié)構更(gēng)為(wéi)復雜。第三(sān) 掃(sǎo)描(miáo)近(jìn)場光學(xué)顯微鏡(jìng)法(fǎ)，該方(fāng)法(fǎ)提供接近衍射(shè)極(jí)限(xiàn)的分辨率(shuài)，並(bìng)允(yǔn)許對任意復雜(zá)納米顆(kē)粒(lì)陣(zhèn)列(liè)的近(jìn)場相(xiāng)位響應進行成(chéng)像(xiàng)，但是(shì)這(zhè)種(zhǒng)方法是一(yī)種(zhǒng)侵入式測量方法(fǎ)，而且(qiě)太依賴(lài)於納米(mǐ)探(tàn)針針尖的性(xìng)能。第(dì)四間(jiān)接(jiē)測量方法，如針(zhēn)對(duì)超透鏡(jìng)的偏振轉(zhuǎn)換(huàn)效(xiào)率的(dí)測量(liáng)等(děng)方法。上述的幾(jī)種方法均為部分表(biǎo)征(zhēng)或間接(jiē)測(cè)量(liáng)，那麼(mó)有沒(méi)有(yǒu)一種(zhǒng)更(gēng)有效(xiào)的(dí)能(néng)直接的測量手(shǒu)段(duàn)呢(ní)？今(jīn)天(tiān)借著本(běn)文，和大(dà)家(jiā)介紹一下Phasics公司的基於(yú)四(sì)波橫向(xiàng)剪切幹涉(shè)技術(shù)的(dí)波前(qián)傳(chuán)感器(qì)在(zài)超表麵方麵的(dí)測(cè)量(liáng)方案。

測量(liáng)原理(lǐ)

四波(bō)橫(héng)向剪切(qiē)幹涉方案(àn)一(yī)般采用二維(wéi)光柵作(zuò)為(wéi)分(fēn)光器(qì)件，利用二(èr)維(wéi)光柵(zhà)將待(dài)測波前(qián)分為四(sì)束，並使它(tā)們發(fā)生橫向(xiàng)剪(jiǎn)切(qiē)幹涉，此(cǐ)時(shí)得(dé)到的(dí)單幅載頻幹涉圖種包(bāo)含兩正交(jiāo)方向(xiàng)的差分波前(qián)信息，通過(guò)特定(dìng)的(dí)分析和定(dìng)量(liáng)計算(suàn)梳理(lǐ)（反(fǎn)傅(fù)裏葉變(biàn)換(huàn)）的(dí)波前(qián)重構，可實(shí)現瞬(shùn)態波(bō)前檢測。四波剪(jiǎn)切式波前傳感器的硬(yìng)件一(yī)般由兩個簡單的元件組(zǔ)成:一(yī)個(gè)普(pǔ)通(tōng)的相機(jī)和(hé)一個二(èr)維衍射光柵。

方案(àn)介(jiè)紹

通常(cháng)，在檢(jiǎn)測(cè)超表麵或者超(chāo)透(tòu)鏡(jìng)時，我(wǒ)們(mén)會(huì)使(shǐ)用上圖(tú)的(dí)架構，構成(chéng)顯微成(chéng)像方(fāng)案。該(gāi)方案裏，光(guāng)源(yuán)照明部(bù)分(fēn)由(yóu)激(jī)光驅動白(bái)光(guāng)光(guāng)源(通(tōng)常建議選用(yòng)由(yóu)我司(sī)代(dài)理的Energetiq Technologies公司的(dí)EQ-99X係(xì)列產品加(jiā)單色(sè)儀），當(dāng)然也(yě)可以選用非相幹光(guāng)源(yuán)。顯微(wēi)物(wù)鏡(jìng)的(dí)倍(bèi)數(shù)和焦距可根據(jù)待測(cè)樣品(pǐn)靈活選定，波前(qián)的表(biǎo)征由(yóu)法國Phasics公(gōng)司的(dí)波前(qián)傳感器SID4係(xì)列產品完(wán)成(chéng)。該產品可(kě)以覆蓋從紫(zǐ)外到中(zhōng)遠(yuǎn)紅外(wài)波段(duàn)的測(cè)試(shì)要求。SID4係(xì)列(liè)波前(qián)傳感(gǎn)器可以直接和業內(nèi)標準(zhǔn)顯(xiǎn)微鏡對接(jiē)，無需(xū)中轉(zhuǎn)器件(jiàn)。測量時(shí)，通過(guò)樣(yàng)品的(dí)光(guāng)在SID4係列波前(qián)傳(chuán)感(gǎn)器上被顯(xiǎn)微(wēi)鏡成(chéng)像，再通過軟件(jiàn)分析幹涉圖(tú)像，即可得出波前相(xiāng)位(wèi)畸(jī)變(biàn)。每次(cì)測量時都(dū)需要在拍(pāi)攝待測物(wù)體的(dí)圖(tú)像之(zhī)前，獲(huò)取參考圖像，然後從目(mù)標圖(tú)像中減去參考圖像(xiàng)以補(bǔ)償入射(shè)光束(shù)的(dí)本身缺陷引(yǐn)入的(dí)誤差。

針對(duì)大尺(chǐ)寸(cùn)結(jié)構的(dí)超透鏡，則可以(yǐ)直(zhí)接通過(guò)單通的方(fāng)法(fǎ)進行測(cè)量，如下圖：