基于四波橫向剪切干涉法的超表面光學(xué)表征

自從J. B. Pentry教授在1996年開始提出超材料結(jié)構(gòu)的負(fù)折射原理，Roger M. Walser教授1999年正式提出了超材料metamaterial的名詞。現(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(jí)周期性結(jié)構(gòu)得以實(shí)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(xué)前沿和技術(shù)熱點(diǎn)，甚至于被譽(yù)為光學(xué)領(lǐng)域新的革命性技術(shù)。

原理知識(shí)

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(jìn)行靈活操控。由于超表面具有超薄結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的可自主設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)、消色差透鏡等方面有重要應(yīng)用。

業(yè)內(nèi)痛點(diǎn)

超表面的目前發(fā)展主要局限于光學(xué)設(shè)計(jì)能力，在宏觀基底材料上的制造數(shù)十億納米級(jí)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(duì)于成型后的測量，學(xué)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(jìn)行干涉。但是該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高，抗震能力低，導(dǎo)致靈敏度差，而且對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)要求很嚴(yán)格，不易于實(shí)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(shí)驗(yàn)期間的環(huán)境變化，但是這樣會(huì)使設(shè)備結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。第三 掃描近場光學(xué)顯微鏡法，該方法提供接近衍射極限的分辨率，并允許對(duì)任意復(fù)雜納米顆粒陣列的近場相位響應(yīng)進(jìn)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(duì)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(shí)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(jì)算梳理（反傅里葉變換）的波前重構(gòu)，可實(shí)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(gè)簡單的元件組成:一個(gè)普通的相機(jī)和一個(gè)二維衍射光柵。

方案介紹

通常，在檢測超表面或者超透鏡時(shí)，我們會(huì)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(dòng)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(dāng)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)顯微鏡對(duì)接，無需中轉(zhuǎn)器件。測量時(shí)，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(shí)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(biāo)圖像中減去參考圖像以補(bǔ)償入射光束的本身缺陷引入的誤差。

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

測量結(jié)果

 超透鏡光學(xué)函數(shù)測量結(jié)果

    超透鏡PSF、MTF測試結(jié)果

超表面測量結(jié)果

本文相關(guān)設(shè)備

SID4波前傳感器-法國Phasics                        EQ99超連續(xù)光源-美國Energetiq

TLS可調(diào)單色光源-中國Zolix

作者：楊振 先鋒科技股份有限公司成都辦公室 銷售經(jīng)理