一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器

1.本发明属于微机电系统和微位移器件技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器。


背景技术：

2.微位移传感器作为传感器的重要分支，通常用于将位移、位置、形变、振动、尺寸等物理量转换为易于定量检测、便于作信息传输与处理的电学量，在精密测量，微细加工，微电子制造等领域具有广泛的应用。随着半导体器件，mems加工以及集成化系统的发展，对于高精密位移传感器的小型化、集成化提出了更高的要求。目前，小型化、集成化的微位移传感器多基于电学结构，传感原理以电位式、电容式等电学原理为主，将机械位移转换成与之有固定函数关系的电阻、电容或电压信号输出。此类传感器分辨率仅为毫米/纳米量级，且受电磁干扰，抗环境干扰能力差。目前，基于光栅衍射干涉的光学式微位移传感器由于具有免疫电磁干扰的优点，近年来受到广泛关注。然而，受限于激光波长衍射极限限制，此类传感器光学周期为100nm量级，整体分辨率为0.1nm量级。综上所述，传统的光栅式微位移传感器虽然免疫电磁干扰，但分辨率难以突破0.1nm量级。上述器件难以满足高性能光刻机(7nm及以下节点)双工件台定位、超精密机床刀头定位等超精密加工与测量应用对于超高分辨(皮米级)微位移传感器的需求。


技术实现要素：

3.针对上述传统的光栅式微位移传感器分辨率难以突破0.1nm量级的技术问题，本发明提供了一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，突破光学衍射极限，传统的光栅式微位移传感器光学周期仅为100nm量级，而该方法利用一维圆孔微结构(周期为10nm量级)，通过光学激发的方式激发面内spp自成像效应，通过近场探针的移动检测周期性光强变化推算位移，并结合高倍细分电路，将分辨率提高至1-10pm量级。较传统光栅式位移传感器分辨率可提高1-2个数量级。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，包括激光器、反射棱镜、显微物镜、样品台、样品、探针，所述激光器的光路方向上设置有反射棱镜，所述反射棱镜的反射光路上设置有显微物镜，所述反射棱镜反射的光通过显微物镜入射到样品台，所述样品台上放置有样品，所述样品的正上方设置有探针。
6.还包括压电陶瓷管、光电倍增管、z方向驱动器、xy方向驱动器、计算机控制与图像处理系统，所述探针与压电陶瓷管固定连接，所述压电陶瓷管分别与z方向驱动器、xy方向驱动器电性连接。
7.所述压电陶瓷管电性连接有光电倍增管，所述光电倍增管与z方向驱动器电性连接。
8.所述z方向驱动器、xy方向驱动器均与计算机控制与图像处理系统电性连接。
9.所述激光器采用hene激光器或ar
+
激光器，所述hene激光器的波长为632.8nm，所述ar
+
激光器的波长为514nm；所述样品采用50
±
10nm厚度的金或银薄膜，所述样品蒸发到薄盖玻片上；所述探针采用半径50-100nm的铝涂层玻璃纤维尖端。
10.所述压电陶瓷管的直径为6.35mm，所述压电陶瓷管的长为25mm，所述压电陶瓷管的壁厚为0.5mm；所述压电陶瓷管的最大扫描范围为10μm
×
10μm；所述光电倍增管的参数转换灵敏度2
×
105v/w，所述光电倍增管的分辨率为20nw。
11.一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器的测量方法，包括下列步骤：
12.s1、激光束发出的波长为λ0的光经过反射棱镜折射进入显微物镜中，光束经准直之后，从金属薄膜样品背向入射到金属薄膜样品下表面，所述入射方向沿z向入射；
13.s2、在金属薄膜样品上，沿x方向分布有一排圆孔，间隔距离为a，圆孔直径为0.5a，当入射光照射在圆孔阵列结构上时，每个纳米孔相当于一个次波源，并在动量匹配原理作用下激发了金属薄膜样品中的spp震荡；
14.s3、金属薄膜样品表面等离子体波在金属薄膜表面以波长λ
sp
沿y方向传输，不同次波源产生的spp波，在薄膜表面发生相干叠加，在薄膜表面激发自成像效应；
15.s4、此时，在距离小孔一定距离处会观测到周期在x方向上等同于圆孔阵列周期a的图案，定义在y方向上，自成像的重复周期为自成像距离τ；
16.s5、金属薄膜样品表面的spp波会在空间中激发近场光强分布，该光强分布与spp波空间分布相同，利用扫描探针，将近场光分量散射至远场并进行收集；
17.s6、通过z方向驱动器和xy方向驱动器控制位于探针顶端的压电陶瓷管，使探针始终位于金属薄膜样品上方固定高度h处，当h小于spp倏逝场范围时，远场探测器会检测到被散射到远场的光信号；
18.s7、光信号进一步经光电倍增管接收并放大为电信号，当探针相对于金属薄膜样品位移时，探针所处位置的近场光分量强度变化，并导致远场探测到的散射光强随之改变。
19.所述s2中光束以平面波方式入射，垂直照射在金属薄膜背面；金属薄膜上的小孔出射的电磁场被近似看作一个偶极子辐射出的电磁场，偶极子的振荡频率与入射光的频率相同：
[0020][0021]
所述λ0是入射光的波长，所述c为真空中光速。
[0022]
所述s4中等离子体激元沿y方向传输到等离子远场，直到近轴泰伯距离τ处精确呈现自成像，所述τ的表达式为：
[0023][0024]
所述a为孔阵列的空间周期，所述λ
sp
为等离子体激元的波长；为保证获得较好的spp周期性自成像图，孔阵列的空间周期小于等于等离子体激元的波长，即a≤λ0。
[0025]
所述等离子体激元的波长与入射光波长满足以下关系：
[0026][0027]
所述ε为金属在spp振荡频率下的介电函数。
[0028]
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
[0029]
本发明利用一维圆孔微结构，通过光学激发的方式激发面内spp自成像效应，在金属薄膜面内方向观测到与一维圆孔结构参数一致的空间近场光强分布。并且本发明利用近场探针提取该周期性近场光分量，当近场探针相对于一维圆孔金属微纳结构发生位移时，探针所提取的光分量强度相应发生周期性变化。因此，可以通过检测光强大小推算位移量。结合高倍细分电路，实现皮米级分辨率的位移测量。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0031]
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0032]
图1为本发明的结构示意图；
[0033]
图2为本发明的泰伯效应图；
[0034]
图3为本发明的检测区域放大图；
[0035]
图4为本发明的纳米孔的排列方式图；
[0036]
图5为本发明的探针沿x轴移动距离δx与散射光强i的函数图；
[0037]
图6为本发明的圆孔周期与光学周期的函数图；
[0038]
图7为本发明的结合5000倍电位细分板后的圆孔周期与分辨率的函数关系图。
[0039]
其中：1为激光器，2为反射棱镜，3为显微物镜，4为样品台，5为样品，6为探针，7为压电陶瓷管，8为光电倍增管，9为z方向驱动器，10为xy方向驱动器，11为计算机控制与图像处理系统。
具体实施方式
[0040]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0041]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施
例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0042]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0043]
在本实施例中，如图1所示，由激光器1、反射棱镜2、显微物镜3、样品台4、样品5、探针6、压电陶瓷管7、光电倍增管8、z方向驱动器9、xy方向驱动器10、计算机控制与图像处理系统11组成。检测区域示意图如图2所示。激光束1发出的波长为λ0的光经过反射棱镜2折射进入显微物镜3中，光束经准直之后，从金属薄膜样品5背向入射到薄膜下表面(入射方向沿z向)。在金属薄膜样品5上，沿x方向分布有一排圆孔，间隔距离为a，圆孔直径为0.5a。当入射光照射在圆孔阵列结构上时，每个纳米孔相当于一个次波源，并在动量匹配原理作用下激发了金属薄膜样品5中的spp震荡。表面等离子体波在金属薄膜样品5表面以波长λ
sp
沿y方向传输。不同次波源产生的spp波，在金属薄膜样品5表面发生相干叠加，在金属薄膜样品5表面激发自成像效应。此时，在距离小孔一定距离处会观测到周期在x方向上等同于圆孔阵列周期a的图案，如图2所示。定义在y方向上，自成像的重复周期为自成像距离τ。
[0044]
金属薄膜样品5表面的spp波会在空间中激发近场光强分布，该光强分布与spp波空间分布相同。利用扫描探针6，可以将近场光分量散射至远场并进行收集，如图3所示。通过z方向驱动器9和xy方向驱动器10控制位于探针6顶端的压电陶瓷管7，使探针6始终位于金属薄膜样品5上方固定高度h处。当h小于spp倏逝场范围时，远场探测器会检测到被散射到远场的光信号。该信号进一步经光电倍增管8接收并放大为电信号。当探针相对于金属薄膜样品5位移时，探针所处位置的近场光分量强度变化，并导致远场探测到的散射光强随之改变。
[0045]
具体分析如下：
[0046]
其中，光束以平面波方式入射，垂直照射在金属薄膜样品5的背面；
[0047]
其中，金属薄膜样品5上的小孔出射的电磁场可以被近似看作一个偶极子辐射出的电磁场，偶极子的振荡频率与入射光的频率相同：
[0048][0049]
其中：λ0是入射光的波长，c为真空中光速。
[0050]
其中，等离子体激元沿y方向传输到等离子远场，直到近轴泰伯距离τ处精确呈现自成像。其中，τ的表达式为：
[0051][0052]
式中，a为孔阵列的空间周期，λ
sp
为等离子体激元的波长。
[0053]
其中，为保证获得较好的spp周期性自成像图，结构周期应小于等于等离子体的波长，即a≤λ0；
[0054]
其中，等离子体的波长与入射光波长满足以下关系：
[0055][0056]
其中，光在平坦的金属表面上转换为sp模式后传播，但由于金属吸收产生的损失而逐渐减弱。这种衰减取决于金属在sp振荡频率下的介电函数ε。在实际应用中，银是在可见光谱中损失最低的金属，光的衰减较小。
[0057]
其中，使用的探针为半径50-100nm的铝涂层玻璃纤维尖端。
[0058]
其中，探针沿金属薄膜表面，始终保持同一距离平行移动，由于金属涂层的探针对sp传播会造成影响，最大信号在距离接触约30nm处进行测量。
[0059]
具体实施方式参数如下：
[0060]
激光器1光源参数：光源为hene或ar
+
激光器，即632.8nm或514nm；
[0061]
浸油显微物镜3的倍数为40
×
，n.a.＝1.3；
[0062]
样品5为50
±
10nm厚度的金/银薄膜，蒸发到薄盖玻片上；
[0063]
占空比d/a约为0.5；
[0064]
银的介电常数ε＝-130.83+i3.32，|ε|》》1，所以λsp≈λ0；
[0065]
使用的探针6为半径50-100nm的铝涂层玻璃纤维尖端，损耗小，灵敏度高；
[0066]
压电陶瓷管7直径为6.35mm，长25mm，壁厚0.5mm。最大扫描范围为10μm
×
10μm；
[0067]
光电倍增管8参数转换灵敏度2
×
105v/w，分辨率20nw。
[0068]
激光器1发射出波长为632.8nm的激光束经过反射棱镜，被折射至显微物镜3准直后得到平面波，以垂直方向从金属薄膜样品5背面入射。如图4所示，纳米孔个数为10，空间周期为a＝50nm，直径为d＝25nm，计算得其泰伯距离τ＝7.90nm。
[0069]
平面光通过样品后在一倍泰伯距离(7.90nm)处形成自成像，被探针平行扫描后，如图5、图6所示，光电倍增管8接收到散射光强，散射光强随位移的变化呈现周期性的正弦变化规律。光学周期与圆孔周期保持一致，如图7所示，再结合5000倍的细分电路，使分辨率提高至1-10pm量级。
[0070]
综上所述，基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器利用spp强局域特性，突破光学衍射极限，传统的光栅式微位移传感器光学周期仅为100nm量级，而该方法利用一维圆孔微结构(周期为10nm量级)，通过光学激发的方式激发面内spp自成像效应，通过近场探针的移动检测周期性光强变化推算位移，并结合5000倍的细分电路，将分辨率提高至1-10pm量级。较传统光栅式位移传感器分辨率可提高1-2个数量级。
[0071]
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，其特征在于：包括激光器(1)、反射棱镜(2)、显微物镜(3)、样品台(4)、样品(5)、探针(6)，所述激光器(1)的光路方向上设置有反射棱镜(2)，所述反射棱镜(2)的反射光路上设置有显微物镜(3)，所述反射棱镜(2)反射的光通过显微物镜(3)入射到样品台(4)，所述样品台(4)上放置有样品(5)，所述样品(5)的正上方设置有探针(6)。2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，其特征在于：还包括压电陶瓷管(7)、光电倍增管(8)、z方向驱动器(9)、xy方向驱动器(10)、计算机控制与图像处理系统(11)，所述探针(6)与压电陶瓷管(7)固定连接，所述压电陶瓷管(7)分别与z方向驱动器(9)、xy方向驱动器(10)电性连接。3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，其特征在于：所述压电陶瓷管(7)电性连接有光电倍增管(8)，所述光电倍增管(8)与z方向驱动器(9)电性连接。4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，其特征在于：所述z方向驱动器(9)、xy方向驱动器(10)均与计算机控制与图像处理系统(11)电性连接。5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，其特征在于：所述激光器(1)采用hene激光器或ar
+
激光器，所述hene激光器的波长为632.8nm，所述ar
+
激光器的波长为514nm；所述样品(5)采用50
±
10nm厚度的金或银薄膜，所述样品(5)蒸发到薄盖玻片上；所述探针(6)采用半径50-100nm的铝涂层玻璃纤维尖端。6.根据权利要求2所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，其特征在于：所述压电陶瓷管(7)的直径为6.35mm，所述压电陶瓷管(7)的长为25mm，所述压电陶瓷管(7)的壁厚为0.5mm；所述压电陶瓷管(7)的最大扫描范围为10μm
×
10μm；所述光电倍增管(8)的参数转换灵敏度2
×
105v/w，所述光电倍增管(8)的分辨率为20nw。7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：s1、激光束发出的波长为λ0的光经过反射棱镜折射进入显微物镜中，光束经准直之后，从金属薄膜样品背向入射到金属薄膜样品下表面，所述入射方向沿z向入射；s2、在金属薄膜样品上，沿x方向分布有一排圆孔，间隔距离为a，圆孔直径为0.5a，当入射光照射在圆孔阵列结构上时，每个纳米孔相当于一个次波源，并在动量匹配原理作用下激发了金属薄膜样品中的spp震荡；s3、金属薄膜样品表面等离子体波在金属薄膜表面以波长λ
sp
沿y方向传输，不同次波源产生的spp波，在薄膜表面发生相干叠加，在薄膜表面激发自成像效应；s4、此时，在距离小孔一定距离处会观测到周期在x方向上等同于圆孔阵列周期a的图案，定义在y方向上，自成像的重复周期为自成像距离τ；s5、金属薄膜样品表面的spp波会在空间中激发近场光强分布，该光强分布与spp波空间分布相同，利用扫描探针，将近场光分量散射至远场并进行收集；s6、通过z方向驱动器和xy方向驱动器控制位于探针顶端的压电陶瓷管，使探针始终位于金属薄膜样品上方固定高度h处，当h小于spp倏逝场范围时，远场探测器会检测到被散射到远场的光信号；
s7、光信号进一步经光电倍增管接收并放大为电信号，当探针相对于金属薄膜样品位移时，探针所处位置的近场光分量强度变化，并导致远场探测到的散射光强随之改变。8.根据权利要求7所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器的测量方法，其特征在于：所述s2中光束以平面波方式入射，垂直照射在金属薄膜背面；金属薄膜上的小孔出射的电磁场被近似看作一个偶极子辐射出的电磁场，偶极子的振荡频率与入射光的频率相同：所述λ0是入射光的波长，所述c为真空中光速。9.根据权利要求7所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器的测量方法，其特征在于：所述s4中等离子体激元沿y方向传输到等离子远场，直到近轴泰伯距离τ处精确呈现自成像，所述τ的表达式为：所述a为孔阵列的空间周期，所述λ
sp
为等离子体激元的波长；为保证获得较好的spp周期性自成像图，孔阵列的空间周期小于等于等离子体激元的波长，即a≤λ0。10.根据权利要求7所述的一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器的测量方法，其特征在于：所述等离子体激元的波长与入射光波长满足以下关系：所述ε为金属在spp振荡频率下的介电函数。

技术总结
本发明属于微机电系统和微位移器件技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体激元自成像的皮米级微位移传感器，包括激光器、反射棱镜、显微物镜、样品台、样品、探针，所述激光器的光路方向上设置有反射棱镜，所述反射棱镜的反射光路上设置有显微物镜，所述显微物镜的光路方向上设置有样品台，所述样品台上放置有样品，所述样品的正上方设置有探针。本发明利用一维圆孔微结构，通过光学激发的方式激发面内SPP自成像效应，在金属薄膜面内方向观测到与一维圆孔结构参数一致的空间近场光强分布。本发明可以通过检测光强大小推算位移量。结合高倍细分电路，实现皮米级分辨率的位移测量。实现皮米级分辨率的位移测量。实现皮米级分辨率的位移测量。


技术研发人员：辛晨光 张梦迪 李孟委
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/22