纳米分辨微小光斑光强分布检测系统设计

刘仲之++单秋霞++马振新++董祥美

摘要： 介绍了现有的微小光斑测量技术，针对纳米分辨率检测精度要求，对纳米分辨微小光斑光强分布检测技术进行深入研究，设计和构建了具有纳米分辨的微小光斑光强分布检测系统。利用该检测系统进行了低数值孔径弱聚焦下所形成的微光场光强分布检测实验，得到较好的光强分布图。实验结果表明，该检测系统具有可靠性高、稳定性好、便于操作等优点。

关键词： 光强分布检测； 微小光斑； 纳米分辨率

中图分类号： TN 247文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.01.002

Intensity distribution measuring system design of

small light spot with nanometer resolution

LIU Zhongzhi， SHAN Qiuxia， MA Zhenxin， DONG Xiangmei

（School of OpticalElectrical and Computer Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： After introducing the existing measuring technique， the intensity distribution measuring technique of small light spot with nanometer resolution is investigate deeply based on requirements of nanometer resolution testing. Intensity distribution measuring system of small light spot was designed and constructed. By using intensity distribution measuring system which conducts light field intensity distribution detection experiment under low numerical aperture， a good surface of intensity distribution is obtained. The experimental results show that the intensity distribution measuring system has advantages of high reliability， good stability， and userfriendly interface.

Keywords： intensity distribution measurement； small light spot； nanometer resolution

引言

微小光斑光强检测技术具有重要的理论研究意义和广泛的应用前景。譬如在光信息存储、光学微操纵、光学加工、成像及光电检测等领域中就普遍存在对微小光斑光强分布检测的需求，并且对光强分布检测分辨率的要求越来越高[15]。此外，在研究特殊标量或矢量光束的传输及聚焦特性等工作中，也需借助高分辨率微小光斑光强分布检测技术对特殊微光斑的实际能量分布、形状和尺寸进行精确的测量和评价[67]。

现在常用的微小光斑光强检测技术有：套孔法、刀口扫描法、狭缝扫描法、CCD成像法和小孔扫描法[812]。套孔法由于实验上很难做到孔与光束同心，精确度难保证且只适用于测量形状规则、能量分布对称的高斯光束；刀口扫描法和狭缝扫描法测量精度比较高，即使是高功率的激光，也能够精确地测量微米级光斑，最小光斑直径可到1 μm[910]，但这两种方法通常也用于测量形状规则、能量分布对称的高斯光束，仅适合一般实验室激光光束直径测量的需要；CCD法虽然可以测量不规则形状的光斑，但CCD像素间距一般为几个到几十个微米，其间距限制了测量精度，同时对于高功率激光，CCD存在饱和现象，如用衰减片会引起光束畸变，所以一般仅适用于低功率的光束检测[11]。

探针扫描法是对微小光斑的光强直接用小孔进行局部采样，进行光电探测，并驱动小孔精密扫描，而得到微小光斑的光强分布。该方法原理类似于扫描近场光学显微技术的原理，但是不包含控制探针与被测样品间距的模块。该检测方法的分辨率和检测精度取决于小孔的大小和扫描精度。

本文正是基于光纤探针和压电陶瓷扫描这两项技术，设计和构建了具有纳米分辨的微小光斑光强分布检测系统，检测用光纤探针的有效孔径为30 nm，能够对待测光斑进行直径为30 nm 尺寸范围的光强采样检测。该系统与之前基于压电陶瓷管进行扫描的测量系统不同[12]，该扫描系统能够带动光纤探针顶端在一个平面（xy平面）内并结合第三维（z轴）的线性移动，可实现真正意义上光斑光强三维分布纳米分辨检测，并具有后续图像重构处理简单、可靠性高、稳定性好、便于操作等特点。

光学仪器第38卷

第1期刘仲之，等：纳米分辨微小光斑光强分布检测系统设计

1微小光斑光强检测系统

整个微小光斑光强检测系统主要包括探针探测部分、对准与扫描部分、辅助观测部分和数据处理部分。系统结构图如图1所示，光束入射侧移补偿片、分光镜和可调光阑后，被分光镜反射后垂直向上传播，再经过光斑处理模块产生待测微小光斑，本文用显微物镜来做光斑处理器时，光束经过显微物镜聚焦后形成的焦斑就是一个微米级小光斑，以这个小焦斑为待测光斑，该检测系统就可以测量焦点附近光场分布。具有纳米分辨率的高精度平移台带动光纤探针在被测区域进行光强扫描，光纤探针另一端的光电探测器进行光电转换，实现微小光斑光强检测。图中横向（xy平面）监测模块，可观测光纤探针的横向位置，与三维对准模块形成闭环，精确控制光纤探针的横向定位、扫描区域选择和测量扫瞄。纵向（z轴）监测模块用于对光纤探针的纵向位置进行监测，同样与三维对准模块形成闭环，精确控制光纤探针纵向位置。图2为本文微小光斑光强检测系统的左前侧视图和右侧视图。