專利名稱：相移干涉表面等離子體波顯微鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種相移干涉表面等離子體波顯微鏡，屬顯微測量技術領域。
SPM是利用P波激發表面等離子體波，其光反射系數 是靠近激發表面介質折射率n的函數，以此作為成象的原理。 通常是復數，當介質有結構時，折射率有一分布，記作n(x，y)，其反射系數可以記作 ，用CCD對反射光成象，得到象I(x,y)=I0r~p(x,y)r~p*(x,y)=I0R(x,y)---(1)]]>由于表面等離子體波是一個共振激發過程，n的微小變化可引起 的巨大變化，所以SPM對折射率的變化非常靈敏。
從(1)式不難看出，雖然 是復數，可以記作 但在原有的SPM技術中成象只反應R(x，y)＝rp2(x，y)的特性，而失去了相位(x，y)的特性。
毫無疑問，(x，y)同樣帶有待測結構的信息。這就是說已有SPM技術沒有充分收集激發表面等離子體波技術可以得到的信息。
本發明設計的相移干涉表面等離子體波顯微鏡(Phase shift IntesferometrySurface Plasmon Microscopy，簡稱PSISPM)，包括激光器、擴光束器、起偏器、傳感部件、透鏡、CCD成像系統、計算機，還包括1/4波片和檢偏器。激光器發出的激光通過擴光束器和起偏器后成為含有P波和S波的平行光束，該光束經傳感部件的光反射面反射后出射，經透鏡成像在CCD成像系統上，其中1/4波片和撿偏器組成相位補償器，對通過透鏡后的P波和S波進行相位補償，當撿偏器旋轉0-180°時，得到相位補償0-360°，CCD成像系統得到各種不同相位補償的圖像，最后由計算機處理顯示出具有振幅信息和相位信息的圖形。
本發明設計的相移干涉表面等離子體波顯微鏡的優點是將相移干涉技術和表面等離子體波技術結合起來，從而不僅可以得到象rp(x，y)而且可以得到象p(x，y)。
圖2為本發明設計的相移干涉表面等離子體波顯微鏡裝置的結構示意圖。
圖1和圖2中，1是激光光源，2是擴光束器，3是起偏器，4是表面等離子體波激發系統即傳感部件，5是透鏡，6是1/4波片，7是檢偏器，8是CCD成象系統，9是計算機。
如果去掉圖2中的1/4波片和檢偏器，即為已有的SPM系統，所以將已有的SPM系統改造為PSISPM系統非常簡單，只要加進一個1/4波片和一個檢偏器就可以了。但是有一點值得指出在SPM系統，入射波只含P波，在PSISPM系統中，入射波即含P波又含S波。
本發明相移干涉表面等離子體波顯微鏡光學原理如下激光器發出的單色光，經擴光束系統變成寬光束平行的光，經起偏器變成線偏振光。此線偏振光即含P波又含S波。由于S波不能激發表面等離子體波，所以它的反射系數 其中rs＝1，s是一個常數，同待測樣品的折射率近似無關。P波的反射系數如(1)式所示。1/4波片的快軸同P波成45°角，將P波和S波變成圓偏振光。如果檢偏器的檢偏方向同P波成θ角，則薄膜任意點x，y成象的結果為 (3)式的結果等價于Es波和 波干涉，但有相移 。由于π/2是一個常數，所以I(x，y，θ)的值同相移θ有關。改變θ的值，(3)式的結果等價于一個相移干涉儀。所以本系統稱作PSISPM系統。
在其他不變的情況下，改變θ，I(x，y，θ)是一個周期為π的類似正弦函數，其中最大值為(rpEp+Es)2，最小值為(rpEp-Es)2。
(3)式中Es/Ep的比值可以從起偏器的方位角α知道。
Es/Ep＝tgα改變α的值，可以改變Es/Ep。通常可選擇Es/Ep為0.5左右。根據測量的I(x，y，θ)和θ的多組數據，用最小二乘法擬合可以求得rp(x，y)和p(x，y)-s。由于s是一個常數，可以事先算出。實際可以得到p(x，y)。由于數據是由多組數據擬合得到的。所以不僅會得到(x，y)的信息，而rp(x，y)比單次測量的SPM方法要好。
圖2所示原理裝置即為本發明的一個實施例的光學系統圖。機械部分按慣例沒有給出，其參數如下激光器用He-Ne激光器即可以，功率約為1.5-3mW即可。擴光束系統為一倒置望遠鏡。其光束的大小根據研究對象確定。通常光束直徑約為2-4mm。起偏器選用吸收片偏振器即可。由于平行玻璃片為現成產品，所以激發棱鏡的折射率應同平行玻璃片相一致。平行玻璃片的金膜最好用薄膜系列，即膜厚d＜dc。dc為理論上反射系數可以為零的金膜厚度。d取40-45nm即可。1/4波片最好用零級1/4波片。檢偏器最好用吸收偏振片。棱鏡偏振器在旋轉時可能引起光束的平移。CCD最好用分辨率較高的。起偏器3和檢偏器7可以旋轉。并有定位指示，機械系統有一個-2精密轉臺。
顯微鏡使用中的調節過程如下1.調節起偏器，使入射光只有P波，這時系統相當于SPM系統，按SPM系統調節-2轉臺，得到SPM象。
2.調節起偏器，使tgα＝27°或附近，使入射光即有P波又有S波。
3.轉動檢偏器，每轉一個角度得到一個I(x，y，θ)的象，得到多組數據[θ，I(x，y，θ)]。
4.對數據[θ，I(x，y，θ)]進行處理，即可以得到rp(x，y)和p(x，y)。
權利要求
1.一種相移干涉表面等離子體波顯微鏡，該顯微鏡包括激光器、擴光束器、起偏器、傳感部件、透鏡、CCD成像系統、計算機，其特征在于還包括1/4波片和檢偏器，激光器發出的激光通過擴光束器和起偏器后成為含有P波和S波的平行光束，該光束經傳感部件的光反射面反射后出射，經透鏡成像在CCD成像系統上，其中1/4波片和撿偏器組成相位補償器，對通過透鏡后的P波和S波進行相位補償，當撿偏器旋轉0-180°時，得到相位補償0-360°，CCD成像系統得到各種不同相位補償的圖像，最后由計算機處理顯示出具有振幅信息和相位信息的圖形。
全文摘要
本發明涉及一種相移干涉表面等離子體波顯微鏡,該顯微鏡包括激光器、擴光束器、起偏器、傳感部件、透鏡、CCD成像系統、計算機、1/4波片和檢偏器。激光器發出的激光通過擴光束器和起偏器后成為含有P波和S波的平行光束,經傳感部件的光反射面反射后出射,經透鏡成像在CCD成像系統上,其中1/4波片和撿偏器組成相位補償器,對通過透鏡后的P波和S波進行相位補償,當撿偏器旋轉0－180°時,得到相位補償0－360°,CCD成像系統得到各種不同相位補償的圖像,最后由計算機處理顯示出具有振幅信息和相位信息的圖形。本發明設計的顯微鏡的優點是將相移干涉技術和表面等離子體波技術結合起來,從而不僅可以得到象γ
文檔編號G01N21/21GK1342897SQ01136669
公開日2002年4月3日 申請日期2001年10月26日 優先權日2001年10月26日
發明者郭繼華, 郭峻, 王東生, 隋森芳 申請人:清華大學