基于四波橫向剪切干涉法的超表面光學表征

更新時間：2023-07-24

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自從J. B. Pentry教授在1996年開始提出超材料結(jié)構(gòu)的負折射原理，Roger M. Walser教授1999年正式提出了超材料metamaterial的名詞?，F(xiàn)如今，超材料已經(jīng)從最初材料性研究，慢慢的過度到器件方向，而由于微納工藝的發(fā)展，亞微米乃至納米級周期性結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)，超材料在可見光和近中紅外等區(qū)域的研究近年來也逐漸增多，由此衍生的超表面、超透鏡等也變成了光學前沿和技術(shù)熱點，甚至于被譽為光學領(lǐng)域新的革命性技術(shù)。

原理知識

超表面是由大量亞波長單元在二維平面上周期或非周期排布而構(gòu)成的人工結(jié)構(gòu)陣列，能夠?qū)﹄姶挪ㄟM行靈活操控。由于超表面具有超薄結(jié)構(gòu)和較強的可自主設(shè)計性而受到廣大研究者青睞。超透鏡是一種二維平面透鏡結(jié)構(gòu)，其體積極小，重量輕，易于集成，可實現(xiàn)對入射光振幅、相位、偏振等參量的靈活調(diào)控，在超分辨顯微成像、全息光學、消色差透鏡等方面有重要應(yīng)用。

業(yè)內(nèi)痛點

超表面的目前發(fā)展主要局限于光學設(shè)計能力，在宏觀基底材料上的制造數(shù)十億納米級結(jié)構(gòu)的非均勻組裝的能力以及加工成型后測量能力。對于成型后的測量，學術(shù)界主要使用以下幾種方法：第一橢偏法，該方法應(yīng)用面較窄，僅適用于基于正交光偏振之間的相位差測量；第二干涉測量法，通常是基于兩束光(其中一束用作參考)交匯在檢測平面上進行干涉。但是該方法對實驗環(huán)境要求高，抗震能力低，導致靈敏度差，而且對機械結(jié)構(gòu)要求很嚴格，不易于實施。業(yè)界有提出三光束干涉的方法，其中第三束光用于分析實驗期間的環(huán)境變化，但是這樣會使設(shè)備結(jié)構(gòu)更為復雜。第三掃描近場光學顯微鏡法，該方法提供接近衍射極限的分辨率，并允許對任意復雜納米顆粒陣列的近場相位響應(yīng)進行成像，但是這種方法是一種侵入式測量方法，而且太依賴于納米探針針尖的性能。第四間接測量方法，如針對超透鏡的偏振轉(zhuǎn)換效率的測量等方法。上述的幾種方法均為部分表征或間接測量，那么有沒有一種更有效的能直接的測量手段呢？今天借著本文，和大家介紹一下Phasics公司的基于四波橫向剪切干涉技術(shù)的波前傳感器在超表面方面的測量方案。

測量原理

四波橫向剪切干涉方案一般采用二維光柵作為分光器件，利用二維光柵將待測波前分為四束，并使它們發(fā)生橫向剪切干涉，此時得到的單幅載頻干涉圖種包含兩正交方向的差分波前信息，通過特定的分析和定量計算梳理（反傅里葉變換）的波前重構(gòu)，可實現(xiàn)瞬態(tài)波前檢測。四波剪切式波前傳感器的硬件一般由兩個簡單的元件組成:一個普通的相機和一個二維衍射光柵。

方案介紹

通常，在檢測超表面或者超透鏡時，我們會使用上圖的架構(gòu)，構(gòu)成顯微成像方案。該方案里，光源照明部分由激光驅(qū)動白光光源(通常建議選用由我司代理的Energetiq Technologies公司的EQ-99X系列產(chǎn)品加單色儀），當然也可以選用非相干光源。顯微物鏡的倍數(shù)和焦距可根據(jù)待測樣品靈活選定，波前的表征由法國Phasics公司的波前傳感器SID4系列產(chǎn)品完成。該產(chǎn)品可以覆蓋從紫外到中遠紅外波段的測試要求。SID4系列波前傳感器可以直接和業(yè)內(nèi)標準顯微鏡對接，無需中轉(zhuǎn)器件。測量時，通過樣品的光在SID4系列波前傳感器上被顯微鏡成像，再通過軟件分析干涉圖像，即可得出波前相位畸變。每次測量時都需要在拍攝待測物體的圖像之前，獲取參考圖像，然后從目標圖像中減去參考圖像以補償入射光束的本身缺陷引入的誤差。

針對大尺寸結(jié)構(gòu)的超透鏡，則可以直接通過單通的方法進行測量，如下圖：