基于四波横向剪切干涉法的超表面光学表征

自从J. B. Pentry教授在1996年开始提出超材料结构的负折射原理，Roger M. Walser教授1999年正式提出了超材料metamaterial的名词。现如今，超材料已经从最初材料性研究，慢慢的过度到器件方向，而由于微纳工艺的发展，亚微米乃至纳米级周期性结构得以实现，超材料在可见光和近中红外等区域的研究近年来也逐渐增多，由此衍生的超表面、超透镜等也变成了光学前沿和技术热点，甚至于被誉为光学领域新的革命性技术。

原理知识

超表面是由大量亚波长单元在二维平面上周期或非周期排布而构成的人工结构阵列，能够对电磁波进行灵活操控。由于超表面具有超薄结构和较强的可自主设计性而受到广大研究者青睐。超透镜是一种二维平面透镜结构，其体积极小，重量轻，易于集成，可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面有重要应用。

业内痛点

超表面的目前发展主要局限于光学设计能力，在宏观基底材料上的制造数十亿纳米级结构的非均匀组装的能力以及加工成型后测量能力。对于成型后的测量，学术界主要使用以下几种方法：第一椭偏法，该方法应用面较窄，仅适用于基于正交光偏振之间的相位差测量；第二干涉测量法，通常是基于两束光(其中一束用作参考)交汇在检测平面上进行干涉。但是该方法对实验环境要求高，抗震能力低，导致灵敏度差，而且对机械结构要求很严格，不易于实施。业界有提出三光束干涉的方法，其中第三束光用于分析实验期间的环境变化，但是这样会使设备结构更为复杂。第三 扫描近场光学显微镜法，该方法提供接近衍射极限的分辨率，并允许对任意复杂纳米颗粒阵列的近场相位响应进行成像，但是这种方法是一种侵入式测量方法，而且太依赖于纳米探针针尖的性能。第四间接测量方法，如针对超透镜的偏振转换效率的测量等方法。上述的几种方法均为部分表征或间接测量，那么有没有一种更有效的能直接的测量手段呢？今天借着本文，和大家介绍一下Phasics公司的基于四波横向剪切干涉技术的波前传感器在超表面方面的测量方案。

测量原理

四波横向剪切干涉方案一般采用二维光栅作为分光器件，利用二维光栅将待测波前分为四束，并使它们发生横向剪切干涉，此时得到的单幅载频干涉图种包含两正交方向的差分波前信息，通过特定的分析和定量计算梳理（反傅里叶变换）的波前重构，可实现瞬态波前检测。四波剪切式波前传感器的硬件一般由两个简单的元件组成:一个普通的相机和一个二维衍射光栅。

方案介绍

通常，在检测超表面或者超透镜时，我们会使用上图的架构，构成显微成像方案。该方案里，光源照明部分由激光驱动白光光源(通常建议选用由我司代理的Energetiq Technologies公司的EQ-99X系列产品加单色仪），当然也可以选用非相干光源。显微物镜的倍数和焦距可根据待测样品灵活选定，波前的表征由法国Phasics公司的波前传感器SID4系列产品完成。该产品可以覆盖从紫外到中远红外波段的测试要求。SID4系列波前传感器可以直接和业内标准显微镜对接，无需中转器件。测量时，通过样品的光在SID4系列波前传感器上被显微镜成像，再通过软件分析干涉图像，即可得出波前相位畸变。每次测量时都需要在拍摄待测物体的图像之前，获取参考图像，然后从目标图像中减去参考图像以补偿入射光束的本身缺陷引入的误差。

针对大尺寸结构的超透镜，则可以直接通过单通的方法进行测量，如下图：

测量结果

 超透镜光学函数测量结果

    超透镜PSF、MTF测试结果

超表面测量结果

本文相关设备

SID4波前传感器-法国Phasics                        EQ99超连续光源-美国Energetiq

TLS可调单色光源-中国Zolix

作者：杨振 先锋科技股份有限公司成都办公室 销售经理