一种测量二维材料复折射率的方法

摘要

本发明公开了一种测量二维材料复折射率的方法，通过基于角度扫描的表面等离子体共振全息显微术高灵敏度测量二维材料复折射率参量。位于金属表面近场区域二维材料的复折射率参量，决定了表面等离子体共振过程中反射相移随处于激发角附近激发光入射角变化的共振曲线，其中复折射率的实部决定了共振曲线的位置，虚部决定了共振曲线的斜率。利用二次曝光数字全息干涉术测量不同入射角下的反射光波相位值，可实现二维材料样品复折射率参量的高灵敏度测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光学精密测量领域，尤其涉及一种利用角度扫描表面等离子体共振全息显微术测量二维材料复折射率的方法。

背景技术

二维材料是具有原子层厚度的结构材料，其以高载流子迁移率、高热导率、高机械强度、带隙可调等特性被广泛研究和应用。复折射率是二维材料的一个重要光学参量，对其进行精确测量表征在二维材料的研究和应用中具有意义。Wang等利用皮计量法测量了不同波长下石墨烯的复折射率，但操作与计算过程复杂(X.Wang,et al.“Strong anomalousoptical dispersion of graphene:complex refractive index measured byPicometrology,”Opt.Express 16(26),22105-22112(2008))。表面等离子体共振技术是近年来出现的一种可以高灵敏度测量金属表面近场区域介质相关物性参量的方法。例如，通过检测在激发表面等离子体共振时反射光波强度及相位的微小变化，可以实现金属表面近场区域样品折射率参量的精确解调，其理论测量精度可达10

发明内容

为了克服现有方法和技术的不足，本发明提出一种新的测量二维材料复折射率的方法。本发明的思想在于：在特定的表面等离子体共振激发角附近，入射角度的微小变化会使反射相移产生灵敏响应。当金属膜上方的待测样品为具有复折射率的二维材料时，其折射率的实部及虚部均影响反射相移随入射角度变化的关系曲线，通过利用表面等离子体共振全息显微术测量反射光波相位，在已知二维材料厚度的条件下可高灵敏度测量样品的复折射率参量。

理论上，计算出当不同复折射率的二维材料处于金属膜上方时，反射光波的反射相移随特定范围内激发光波入射角度变化的关系曲线；实验上，利用基于角度扫描的表面等离子体共振全息显微术，记录特定范围内不同激发光波入射角度下携带样品信息的反射光波的全息图并解调出反射光波的相位信息，通过与不同复折射率对应的理论关系曲线进行最小二乘拟合，计算出样品的复折射率。

技术方案

本发明所采用技术方案的特征包括如下步骤：

步骤1：构建由电介质层1、金属层、电介质层2组成的表面等离子体共振激发结构1。已知电介质层1的折射率，金属层和电介质层2的介电常数，计算表面等离子体共振激发角。

步骤2：在上述激发角附近固定一角度作为入射角，以表面等离子体共振激发结构1为共振模型，用菲涅耳公式计算发生表面等离子体共振时的反射相移1。再以电介质层1、金属层、待测二维材料、电介质层2作为激发结构计算反射相移2。反射相移2减去反射相移1得到反射相移差。连续改变入射角并通过上述方法计算反射相移差，得到一系列入射角与反射相移差的对应数据，绘出曲线图。

步骤3：在计算模型中改变待测二维材料的复折射率，理论计算的反射相移差随入射角变化的关系曲线将发生改变，即不同的复折射率参量对应不同的变化曲线。其中，复折射率的虚部影响曲线的斜率，实部影响曲线的位置。多次改变模型中二维材料的复折射率，绘出多条反射相移差随入射角变化的理论曲线。根据理论曲线，选取实验上合适的入射角扫描范围。

步骤4：用一束平行光入射到金属-电介质1界面处激发表面等离子体共振，反射光波与由同一激光器出射的另一束平行光发生干涉，形成全息图并被图像采集器件接收。调节入射角至步骤3选取的最小入射角，分别记录通过激发结构1与激发结构2形成的全息图1与全息图2。数值重建两幅全息图可得到反射光波的相位1与相位2。将相位2减去相位1得到相位差，其在理论上与反射相移差相等。利用上述方法逐步增大入射角度并记录系列全息图，最终得到反射光波相位差随入射角变化的实验数据。

步骤5：将实验测得的相位差随入射角变化的数据，与理论计算得到的不同复折射率对应的反射相移差随入射角变化的理论曲线进行最小二乘拟合，反推出待测样品的复折射率参量。

有益效果

本发明提出的角度扫描表面等离子体共振全息显微测量方法通过依次记录特定范围内不同入射角度下的全息图，对全息图进行数值重建，结合最小二乘拟合方法，可以高灵敏度测量二维材料的复折射率参量。系统结构紧凑，能有效避免环境影响，且操作简单，灵敏度高，可以进行宽场测量。

附图说明

图1：是本发明涉及的角度扫描表面等离子体共振全息显微系统光路图；

图中：1-He-Ne激光器，2-光纤耦合装置，3-准直透镜，4-半波片，5-会聚透镜，6-消偏振分光棱镜(接电控位移台)，7-油浸物镜，8-表面等离子体共振激发结构，9-成像透镜，10-沃拉斯顿棱镜，11-偏振片，12-图像采集器件。

图2：是反射相移差随入射角度变化的理论曲线，图中三条曲线对应具有不同实部的复折射率；

图3：是反射相移差随入射角度变化的理论曲线，图中三条曲线对应具有不同虚部的复折射率。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明涉及的一种结合角度扫描装置的表面等离子体共振全息显微系统如图1所示，包括He-Ne激光器1，光纤耦合装置2，准直透镜3，半波片4，会聚透镜5，消偏振分光棱镜(接电控位移台)6，油浸物镜7，表面等离子体共振激发结构8，成像透镜9，沃拉斯顿棱镜10，偏振片11，图像采集器件12。

所述的一种测量二维材料复折射率方法的工作原理如下：

发生表面等离子体共振时，若激发结构中各层介质的厚度、折射率、入射光波长均已确定，在特定的激发角附近，入射角度的微小变化将导致反射相移产生急剧变化。图2和图3所示为反射相移差随入射角度变化的理论曲线。前者为固定待测二维材料样品复折射率的实部，逐步增加虚部的理论曲线；后者为固定待测二维材料样品复折射率的虚部，逐步增加实部的理论曲线。可以直观地看出，当复折射率虚部增加时，理论曲线逐渐平缓，即折射率的虚部影响曲线斜率；当复折射率实部增加时，理论曲线逐渐右移，即折射率的实部影响曲线位置。因此，可根据入射角度与反射相移差的对应关系唯一地确定待测样品的复折射率参量。

所述的一种测量二维材料复折射率方法的工作流程如下：

如图1所示，He-Ne激光器1(波长为632.8nm)发出的线偏振光经光纤耦合装置2耦合进光纤，经准直透镜3与半波片4后变为45°偏振的平行光，之后经会聚透镜5与消偏振分光棱镜6后在油浸物镜的后焦平面上会聚，被物镜准直后入射到金属—电介质界面激发表面等离子体共振；反射光经消偏振分光棱镜6、成像透镜9后通过沃拉斯顿棱镜10和偏振片11实现离轴干涉，形成的全息图被图像采集器件12接收。其中，消偏振分光棱镜6固定于电控位移台上，通过改变分光棱镜的横向位移实现入射角度的连续变化。首先，理论计算处于激发角附近的入射角的变化范围，以及不同二维材料复折射率对应的反射相移差随入射角变化的理论曲线。其次，实验上通过电控位移台调节入射角至变化范围内的最小入射角，利用二次曝光法，分别记录不含样品的背景全息图与包含样品的全息图，通过控制电控位移台使入射角以0.05°的增量逐步加大，以同样的方式记录系列全息图。再次，利用计算机数值重建各全息图的相位分布，分别将样品全息图与背景全息图的相位相减，得到反射光波的相位差，即可获得系列入射角度与相位差的对应数据。最后，通过与理论曲线进行二次拟合，可反推出二维材料的复折射率参量。