照明模式SNOM中样品对近场光场分布的影响

在同时考虑样品的形貌及材料光学参量和入射光偏振模式的情况下,利用基于边界元方法编写的二维矢量电磁场计算程序,对工作在照明模式下的扫描近场光学显微镜（Scanning Near-field Optical Microscope,SNOM）的近场矢量电磁场分布进行了数值计算模拟研究.结果表明,在没有表面形貌特征时,探针的光能量透射率随样品材料的折射率和损耗角的增加而增大,而样品表面光斑尺寸受折射率和损耗角的影响很小;对有形貌特征的探针扫描像研究结果表明,SNOM的分辨率随着样品的折射率和损耗角的增加而提高;对SNOM不同的工作模式的扫描成像信号进行的计算结果表明,恒定间距扫描方式比恒定高度扫描方式对样品表面的细节有较强的分辨能力.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

用相位掩模法制作光纤光栅的技术

准分子激光照射相位掩模后,在近场形成周期的条纹分布,利用近场光强对光敏光纤进行曝光,可以在纤芯中写人光栅。对光纤光栅折射率分布进行合理假设,运用耦合模理论计算了光纤光栅的反射率,对其反射率与相关参数的关系进行了讨论,并且分析了用相位掩模技术制造光纤光栅的影响因素,得出要获得窄带宽高反射率光栅需有适当的折射率调制和大的光纤光栅长度的结论。另外还导出了掩模板后表面的近场光强分布和光纤光栅的周期公式。     

利用光栅的衍射光强测量液体折射率

介绍了一种利用光栅的一级衍射光斑光强测量待测液体折射率的方法,简称光栅光强法。阐明了光栅光强法测量液体折射率的实验原理,组建实验装置,测量了水-丙三醇、蛋白-pH10缓冲液两种混合液体的折射率和光栅衍射光强的关系曲线,测量得到的无水乙醇的折射率与理论值的相对误差小,具有实验装置易于搭建、操作简单的特点,在实验教学研究等领域具有一定的研究和应用价值。     

扫描近场光学显微镜的光耦合偶极子模型

为了研究扫描近场光学显微镜中探针和粗糙样品表面的耦合相互作用,提出了一种光耦合偶极子模型.在该模型中,探针和样品突起都由光极化偶极子表示,在准静态电磁场近似的情况下样品表面的诱导极化效应由影像偶极子表示,应用偶极子辐射理论可以得到系统的自洽场方程.此模型提供了一种直观分析扫描近场光学显微镜中探针和样品相互作用机理的方法.在此基础上,进一步讨论了金属样品的近场成像特点和其特有的局域光学共振现象.数值结果表明：不同于一般的介质样品,金属样品的近场图像与入射光频率直接相关,改变入射光的频率,获得的样品近场图像的形状和对比度都会发生变化.特别是当入射光频率处于样品极化共振范围内时,金属纳米粒子的极化率会出现光极化共振,这样就可以获得样品粒子的最大有效尺寸,为提高系统的分辨率提供了一条重要途径.     

SFM/SNOM结合的扫描探测显微镜

采用光纤探针的扫描近场光学显微镜 (SNOM)存在某些弱点 ,如探针特别脆 ,不易贴近样品表面扫描 ,探针的转输效率低等。近年来发展了将SFM /SNOM结合起来的扫描探测显微镜。利用微加工工艺技术 ,将小孔集成在悬臂探针中 ,使探针既能批量制备 ,又具有很好的重复性。探针悬臂在垂直于样品表面方向上的弹性常数较小 ,针尖不易损坏。在接触模式中利用这种SFM /SNOM组合探针可将样品的形貌像、摩擦力和光学透射像等信息同时记录下来。对于综合研究样品表面的介观性质十分有利。     

准分子介质中的弛豫振荡(英文)

本文描述了稀有气体卤化物准分子介质中光强的弛豫振荡,使用的高压混合气体由稀有气体.卤素和相应地缓冲(稀有)气体所组成.借助氩离子激光束(514.5nm)探测激活介质,测得三原子准分子Xe_2Cl的弛豫振荡周期值为4nm左右.系统用相对论强电子束进行泵浦.在对准分子介质的光学增益观测中,发现了光场强度弛豫振荡的有趣现象.这种振荡表明了光强与被激励介质间的相互作用.本文首次描述了准分子介质中的这种振荡,其物理学机制可以认为是:光强增加导致受激发射速率增加使得粒子数反转下降,这就引起光学增益减小,而光学增益的减小反过来又导致光强的减弱.我们假设,高压混合气体被电子束泵浦后形成均匀加宽的四能级系统,而激光下能级是空的.利用微扰方法,建立起了描述腔内光子数密度变化R_1的微分方程如下:(?)_1+B(?)_1+Cn_1=D.进一步,类比无线电技术中RLC线路理论,可以得到弛豫振荡的周期T为T=2α[t.τ/(p-1)]~(1/2).其中,p——是泵浦函数,t——是腔内光子寿命,τ——是除受激发射之外,其他一切因素造成的激发态寿命.由这一公式计算出的周期T理论值和实验中观测到的值基本上是一致的.这样,反过来就可由测量弛豫振荡周期,去确定泵浦函数或原子寿命,并和其他方法相佐证.     

一种探针-样品距离的切变力控制新方法

报道了近场扫描光学显微镜(Near-filed Scanning Optics Microscope NSOM)中一种基于切变力的探针 样品间距控制新方法.条形压电蜂鸣器片的上表面电极被沿着中心线分成两半,一半用于驱动,其上施加振荡源谐振频率进行激励,另一半上粘附光纤探针,并利用压电效应作为光纤探针的振幅传感器.当受振动激励的光纤探针由远处逐渐接近样品表面时,由于样品与探针之间的切变力阻尼作用使得探针的振幅减小,通过检测探针振幅的变化可以控制探针与样品的间距.我们建立了一套探针 样品间距探测控制系统并利用该系统获得了CD盘片表面8μm×8μm范围内的切变力形貌图.     

一种探针-样品距离的切变力控制新方法

报道了近场扫描光学显微镜(Near-filed Scanning Optics Microscope-NSOM)中一种基于切变力的探针-样品间距控制新方法.条形压电蜂鸣器片的上表面电极被沿着中心线分成两半,一半用于驱动,其上施加振荡源谐振频率进行激励,另一半上粘附光纤探针,并利用压电效应作为光纤探针的振幅传感器.当受振动激励的光纤探针由远处逐渐接近样品表面时,由于样品与探针之间的切变力阻尼作用使得探针的振幅减小,通过检测探针振幅的变化可以控制探针与样品的间距.我们建立了一套探针-样品间距探测控制系统并利用该系统获得了CD盘片表面8μm×8μm范围内的切变力形貌图.     

基于InP的全光高速相机的理论和实验研究

为了评估基于瞬态光栅的全光高速相机系统中激发光强与图像信号之间的对应关系,验证基于磷化铟（InP）建立该相机的可行性。针对InP材料从理论上分析了从光子入射激发载流子,到载流子影响折射率,再到折射率影响衍射效率过程中各物理量值之间的关系;并建立了基于衍射光收集的图像探测系统获取InP内部的瞬态光栅分布图像。理论结果给出了针对InP材料的激发光强与载流子浓度的关系,探针激光为 1064 nm时载流子浓度与折射率之间的关系,以及瞬态光栅为矩形光栅时折射率与衍射效率之间的关系,特别指出在基于InP和1064 nm探针激光的高速相机系统中,若时间分辨为1 ps量级,对于532 nm激发光,系统的灵敏度为1.3105 Wcm-2量级。实验结果证明了基于InP和1064 nm探针光可以建立全光高速相机系统,并根据所获得图像得出系统的空间分辨好于5.04 lp/mm。     

基于InP的全光高速相机的理论和实验研究

为了评估基于瞬态光栅的全光高速相机系统中激发光强与图像信号之间的对应关系,验证基于磷化铟（InP）建立该相机的可行性。针对InP材料从理论上分析了从光子入射激发载流子,到载流子影响折射率,再到折射率影响衍射效率过程中各物理量值之间的关系;并建立了基于衍射光收集的图像探测系统获取InP内部的瞬态光栅分布图像。理论结果给出了针对InP材料的激发光强与载流子浓度的关系,探针激光为 1064 nm时载流子浓度与折射率之间的关系,以及瞬态光栅为矩形光栅时折射率与衍射效率之间的关系,特别指出在基于InP和1064 nm探针激光的高速相机系统中,若时间分辨为1 ps量级,对于532 nm激发光,系统的灵敏度为1.3105 Wcm-2量级。实验结果证明了基于InP和1064 nm探针光可以建立全光高速相机系统,并根据所获得图像得出系统的空间分辨好于5.04 lp/mm。     

基于液相AFM及干涉频谱法的多孔氧化铝薄膜在线测量系统研究

介绍了多孔氧化铝薄膜(PA)厚度在线测量系统的工作原理、系统结构及独特性能。在白光(宽光谱)照射下,薄膜的上表面和下表面反射的两路光线发生干涉,产生了携带薄膜光学厚度信息的反射光谱。同时,利用液相原子力显微镜(AFM)实时获得的PA膜的表面形貌信息,根据膜系统的Maxwell-Garnette有效介电常数理论,经相干势近似计算得到薄膜的有效折射率,进而得到此时PA膜的物理厚度。使用该系统对PA膜氧化制备过程进行了在线扫描和膜厚测量试验,成功的获得了PA样品的实时表面形貌图像,得到样品的孔隙率和有效折射率。并根据样品反射光谱,利用反射干涉频谱法计算得到氧化150和180 min时,PA膜厚分别为5.35和6.25 μm。本系统具有测量简便、实时性好、无损及测量精确的特点,在实时测量和监控膜厚的同时可获得样品的表面形貌、孔隙率、有效折射率等信息。     

格兰-泰勒棱镜空气隙厚度的测量

为了测量格兰一泰勒棱镜空气隙的厚度,分析了棱镜对单模高斯光束的影响.结果表明.经过棱镜后的透射光强随着光束在棱镜端面上的入射角变化呈现周期性的振荡,且振荡特性与入射光的波长,光强分布特性、棱镜结构角及宅气隙的厚度有关.对于给定波长的入射单模高斯光束,由于棱镜的结构角在棱镜胶合之前可以精确测得,所以通过分析这种振荡特性便町以得出棱镜空气隙的厚度.据此设计实验.测出了透射光强随入射角的周期性变化关系.利用计算机编程.間隔改变0.0001 mm作为理论计算中的空气隙厚度的取值.计算实验测得的透射光强振荡周期与理论计算值的相对偏差的平均值,对于样品棱镜,当该值为4.35%时取值最小,此时对应的空气隙厚度为0.0143 mm.     

基于阵列波导光栅的高精度折射率传感器研究

设计和研究了基于阵列波导光栅的高精度折射率传感器.该传感器利用阵列波导光栅的阵列波导区域对相位差敏感的特性,通过在阵列波导区域挖槽来测量通过沟槽的液体的折射率变化.由于阵列波导之间的相位差变化会导致输出波导的输入面的最大光强位置的变化,所以通过入射窄带光源并计算其中两个输出波导的功率比的变化,就可以得到实时的折射率变化.利用傅里叶光学和光波动理论的方法建立数学模型,经过综合考虑各种因素,设计了合理的参数,通过拟合得到折射率变化和光功率比的解析式.这种方法能够有效地消除仪器的不稳定性、内部损耗和环境影响带来的测量误差,提高测量精度.     

大口径衍射光栅10 ps激光损伤阈值测量（英）

在采用啁啾脉冲放大技术的高功率短脉冲激光装置中,终端衍射光栅的损伤阈值是限制装置输出能力的瓶颈之一。提出了测量大口径光栅损伤阈值的方法。该方法通过在线监测采集大口径光斑的同发近场光强分布情况和相应的光栅损伤图像,并经过一系列后期图像数据处理,建立起能量与损伤点的对应关系,经过一个测试光斑便可获得所有通量下的光栅损伤特性。该测量方法对光斑均匀性没有硬性要求,为损伤测量装置中难以解决的光斑均匀性问题提出了新的应对思路和方法。     

大口径衍射光栅10 ps激光损伤阈值测量（英）

在采用啁啾脉冲放大技术的高功率短脉冲激光装置中,终端衍射光栅的损伤阈值是限制装置输出能力的瓶颈之一。提出了测量大口径光栅损伤阈值的方法。该方法通过在线监测采集大口径光斑的同发近场光强分布情况和相应的光栅损伤图像,并经过一系列后期图像数据处理,建立起能量与损伤点的对应关系,经过一个测试光斑便可获得所有通量下的光栅损伤特性。该测量方法对光斑均匀性没有硬性要求,为损伤测量装置中难以解决的光斑均匀性问题提出了新的应对思路和方法。     

离子束溅射薄膜光学常数表征的光斑效应

利用离子束溅射沉积制备了光学薄膜。基于椭圆偏振测量技术,研究了折射率、膜层厚度和表面层厚度与测试光斑大小的关系。研究结果表明,随着样品表面测试光斑尺寸的增加,薄膜折射率变小,膜层厚度、表面层厚度增加。使用反射光谱法和轮廓仪分别验证了各光学常数的光斑效应。研究结果表明,光学薄膜的折射率与膜层厚度具有弱横向非均匀性,采用大尺寸测量光斑能弱化这种非均匀性。     

OCT图像法测量折射率

基于光程匹配原理提出了一种用光学相干断层成像(OCT)系统获得的图像测量样品折射率的方法。通过分析光程匹配原理,给出用OCT图像法测量样品折射率的原理及过程。以玻璃载波片和黄瓜组织为样品进行实验。实验结果表明,用OCT图像法获得的载玻片和黄瓜组织的折射率测量值分别为1.499和1.353,与发表或已知的折射率结果相吻合,测试结果的随机误差可小于0.01。另外,使用OCT图像法通过短时间所采集的两幅图像可对横向扫描任意位置的折射率同时进行测量。该方法进一步简化了基于光程匹配原理的折射率测量法的过程,缩短了测量时间,是一种快速测量样品折射率的实用方法。     

飞秒脉冲通过多层体光栅后的衍射光强分布

基于单层体光栅的耦合波理论和矩阵光学知识,推导出飞秒脉冲通过多层体光栅衍射后的耦合波方程,并由此得到衍射光强谱和瞬时衍射效率表达式.研究结果发现衍射光强谱和瞬时衍射光强分布是与多层体光栅的结构参量,如中间填充层厚度、光栅层厚度、光栅常量及体光栅材料的折射率调制度有关系的.通过调节这些参量,获得了不同形状和不同宽度的衍射脉冲.该结果可用于设计基于多层体光栅的光通信和光脉冲整形器件.