光学探针干涉相位测量中相位误差补偿装置

摘要

本发明提供一种光学探针干涉相位测量中相位误差补偿装置，包括：扫描近场光学显微镜模块用于对待测样品进行三维扫描，外差干涉光路模块用于测量待测样品的光场相位并对环境变化对相位引起的误差进行补偿，信号采集与同步解调模块用于对接收到的信号进行解调得到对应点的光场振幅和相位信息并输出到上位机；上位机用于根据输出的光场振幅和相位信息，生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布图，实现空间任意高度截面的场分布测量和3D立体场分布测量。上述装置能够对现有纳米光场相位测量中的漂移和误差进行实时补偿，减小外界环境对测量结果的影响，提高测量结果的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光场的相位测量技术领域，尤其涉及一种光学探 针干涉相位测量中相位误差补偿装置。

背景技术

纳米光场相位测量是近年来国际兴起的研究热点。通过相位分布 可以得到强度分布所得不到的更深层次的信息，对研究光场的特性具 有重要意义。

在现有的纳米光场相位测量技术中，存在利用孔径型近场光学探 针进行光场相位测量的方法。该测量方法中只有一个测量干涉仪，没 有相位补偿参考干涉仪，因此不具有相位误差补偿功能，且该方法的 测量结果容易受外界环境扰动影响，不利于提高纳米光场相位测量精 度。

鉴于此，如何克服现有纳米光场相位测量中的漂移和误差以提高 测量结果的精度成为当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种光学探针干涉相位测量中相位误差补偿装置，能 够对现有纳米光场相位测量中的漂移和误差进行实时补偿，减小外界 环境对测量结果的影响，提高测量结果的精度。

第一方面，本发明提供一种光学探针干涉相位测量中相位误差补 偿装置，包括：扫描近场光学显微镜模块，外差干涉光路模块，信号 采集与同步解调模块，上位机；

所述扫描近场光学显微镜模块，包括：扫描台、扫描头、控制箱 和固定于所述扫描头上的近场光学孔径探针；

所述扫描台为压电陶瓷三维扫描台，用于承载待测样品和扫描头；

所述控制箱，用于控制所述扫描台，接收相位解调模块输出的光 场振幅和相位信息，将所述光场振幅和相位信息输出到所述上位机；

所述外差干涉光路模块，包括：光源，第一光分束器，第二光分 束器、第三光分束器、第一声光移频器、第二声光移频器、第一光合 束器、第二光合束器；

所述信号采集与同步解调模块，包括：第一光电探测器、第二光 电探测器、相位解调模块、锁相参考信号发生器；

所述光源经过所述第一光分束器得到测量光和补偿参考光，所述 测量光经过所述第一声光移频器后得到频移后的测量光，所述补偿参 考光经过所述第二声光移频器后得到频移后的补偿参考光，所述频移 后的测量光和所述频移后的补偿参考光存在预设频差，所述第二光分 束器将所述频移后的测量光分为第一测量光和第二测量光，所述第三 光分束器将所述频移后的补偿参考光分为第一补偿参考光和第二补偿 参考光，第一测量光对所述待测样品进行照明，所述近场光学孔径探 针对所述待测样品进行XYZ三维扫描，采集所述待测样品表面的近场 光信息并将所述近场光信息与第一补偿参考光通过第一光合束器进行 干涉合成一路光通过第一光电探测器输入到所述相位解调模块；第二 补偿参考光和第二测量光通过第二光合束器进行干涉合成一路光，通 过第二光电探测器之后输入输入到所述相位解调模块；所述锁相参考 信号发生器将所述第一声光移频器和所述第二声光移频器的频差引起 的拍频信号作为解调的参考信号输入到所述相位解调模块；所述相位 解调模块采用差分输入模式接收所述测量信号、所述差分信号和所述 参考信号，解调得到当前位置对应点的光场振幅和相位信息，并将所 述光场振幅和相位信息输出到所述控制箱；

所述上位机，用于根据所述控制箱输出的光场振幅和相位信息， 生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布图， 实现空间任意高度截面的场分布测量和3D立体场分布测量。

可选地，所述装置的光路为基于光纤的光路。

可选地，所述第一光分束器，第二光分束器、第三光分束器、第 一光合束器和第二光合束器均为光纤耦合器。

可选地，所述光纤为单模光纤。

可选地，所述光纤为保偏光纤。

可选地，所述装置的光路为空间光光路。

可选地，所述第一光分束器为用于空间光路的分光棱镜或半透半 反镜；

和/或，

所述第二光分束器为用于空间光路的分光棱镜或半透半反镜；

和/或，

所述第三光分束器为用于空间光路的分光棱镜或半透半反镜。

可选地，所述第一光电探测器为雪崩二极管或PIN管或光电倍增 管；

和/或，

所述第二光电探测器为雪崩二极管或PIN二极管或光电倍增管。

可选地，所述相位解调模块为商用锁相放大器，或基于锁相放大 器原理搭建的相位解调模块。

由上述技术方案可知，本发明的光学探针干涉相位测量中相位误 差补偿装置，针对相位测量中的漂移和误差，提出基于结构共光路的 双干涉仪光路，共模抑制信号处理，对相位漂移和误差进行实时补偿， 不依赖后期的大量数据处理，可以无需对误差来源有先验的预判，可 以同时补偿多重因素引起的相位误差，可以减小外界环境对测量结果 的影响，提高测量结果的精度。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的光学探针干涉相位测量中相位误差 补偿装置的结构示意图；

附图标记：

1、光源；2、第一光分束器；3、第二光分束器；4、第三光分束 器；5、第一光合束器；6、第二光合束器；7、第一声光移频器；8、 第二声光移频器；9、近场光学孔径探针；10、扫描台；11、扫描头； 12、第一光电探测器；13、第二光电探测器；14、锁相参考信号发生 器；15、相位解调模块；16、控制箱；17、上位机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明一实施例提供的光学探针干涉相位测量中相位误差 补偿装置的结构示意图，如图1所示，本实施例的光学探针干涉相位 测量中相位误差补偿装置，包括：扫描近场光学显微镜模块，外差干 涉光路模块，信号采集与同步解调模块，上位机17；

所述扫描近场光学显微镜模块，包括：扫描台10、扫描头11、控 制箱16和固定于所述扫描头11上的近场光学孔径探针9；

所述扫描台10为压电陶瓷三维扫描台，用于承载待测样品和扫描 头11；

所述控制箱16，用于控制所述扫描台10，接收相位解调模块15 输出的光场振幅和相位信息，将所述光场振幅和相位信息输出到所述 上位机17；

所述外差干涉光路模块，包括：光源1，第一光分束器2，第二光 分束器3、第三光分束器4、第一声光移频器7、第二声光移频器8、 第一光合束器5、第二光合束器6；

所述信号采集与同步解调模块，包括：第一光电探测器12、第二 光电探测器13、相位解调模块15、锁相参考信号发生器14；

所述光源1经过所述第一光分束器2得到测量光和补偿参考光， 所述测量光经过所述第一声光移频器7后得到频移后的测量光，所述 补偿参考光经过所述第二声光移频器8后得到频移后的补偿参考光， 所述频移后的测量光和所述频移后的补偿参考光存在预设频差，所述 第二光分束器3将所述频移后的测量光分为第一测量光和第二测量光， 所述第三光分束器4将所述频移后的补偿参考光分为第一补偿参考光 和第二补偿参考光，第一测量光对所述待测样品进行照明，所述近场 光学孔径探针9对所述待测样品进行XYZ三维扫描，采集所述待测样 品表面的近场光信息并将所述近场光信息与第一补偿参考光通过第一 光合束器5进行干涉合成一路光通过第一光电探测器12输入到所述相 位解调模块15；第二补偿参考光和第二测量光通过第二光合束器6进 行干涉合成一路光，通过第二光电探测器13之后输入输入到所述相位 解调模块15；所述锁相参考信号发生器14将所述第一声光移频器7 和所述第二声光移频器8的频差引起的拍频信号作为解调的参考信号 输入到所述相位解调模块15；所述相位解调模块15采用差分输入模式 接收所述测量信号、所述差分信号和所述参考信号，解调得到当前位 置对应点的光场振幅和相位信息，并将所述光场振幅和相位信息输出 到所述控制箱16；

所述上位机17，用于根据所述控制箱16输出的光场振幅和相位信 息，生成同步的空间位置拓扑形貌图以及对应的光场振幅，相位分布 图，实现空间任意高度截面的场分布测量和3D立体场分布测量。

可理解的是，本实施例中，第一光电探测器12将光信号转换为电 信号后，将该电信号作为测量信号输入到所述相位解调模块15；第二 光电探测器13将光信号转换为电信号后，将该电信号作为差分信号输 入到所述相位解调模块15。

可理解的是，在本实施例中，第一补偿参考光和第一测量光组成 相位测量干涉光路，第二补偿参考光和第二测量光组成补偿参考干涉 光路，相位测量干涉光路和补偿参考干涉光路的对应臂长相等，放置 位置也相同，在结构上是共光路的，因此受外界环境影响也是相当的。 两个干涉光路的区别是相位测量干涉光路要经过样品，并利用近场光 学孔径探针收集样品的光场相位信息，而补偿参考干涉仪不经过样品 和近场光学孔径探针。利用结构共光路和共模抑制原理，可以很好地 消除环境引起的相位误差。

在一具体应用中，本实施例的所述装置的光路可以为基于光纤的 光路，所述第一光分束器2，第二光分束器3、第三光分束器4、第一 光合束器5和第二光合束器6均可以为光纤耦合器。

在具体应用中，举例来说，所述光纤可以为单模光纤，也可以为 保偏光纤。

在另一具体应用中，本实施例的所述装置的光路可以为空间光光 路，所述第一光分束器2可以为用于空间光路的分光棱镜或半透半反 镜，和/或所述第二光分束器3可以为用于空间光路的分光棱镜或半透 半反镜，和/或所述第三光分束器4可以为用于空间光路的分光棱镜或 半透半反镜。

在具体应用中，本实施例的所述第一光电探测器12可以为雪崩二 极管或PIN管或光电倍增管；

和/或，

所述第二光电探测器13可以为雪崩二极管或PIN二极管或光电倍 增管。

在具体应用中，本实施例的所述相位解调模块15为商用锁相放大 器，或基于锁相放大器原理搭建的相位解调模块。

本实施例的光学探针干涉相位测量中相位误差补偿装置基于孔径 型探针扫描近场光学显微镜(scanning near-field optical microscopy， 简称SNOM)和两个结构共光路光纤激光外差干涉仪组成。可以以纳 米量级的分辨率同步测量近场光场的振幅和相位信息。两个干涉仪一 个作为相位测量干涉仪，另一个作为相位误差补偿参考干涉仪，利用 结构共光路和共模抑制原理实现实时的误差补偿。光源经过分束器和 声光移频器后变为四路带有频差的光束。其中两路组成测量干涉仪， 另外两路组成补偿干涉仪。由于两个干涉仪共光路。所以外界变化引 起的相位误差是基本相同的。其中一路光束用于被测样品照明，利用 近场光学孔径探针扫描，同时收集样品表面的近场光信息。该信息经 过解调就可以得到待测的相位。最后利用相位解调模块解调，并将测 量数据同步采集存储到上位机(即计算机)。

本实施例的光学探针干涉相位测量中相位误差补偿装置，针对相 位测量中的漂移和误差，提出基于结构共光路的双干涉仪光路，共模 抑制信号处理，对相位漂移和误差进行实时补偿，不依赖后期的大量 数据处理，可以无需对误差来源有先验的预判，可以同时补偿多重因 素引起的相位误差，减小外界环境对测量结果的影响，提高了测量结 果的精度。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部 分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于 一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法 实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘 等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载 的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的 权利要求保护的范围。