[发明专利]一种用于微区空间相干图样的光学系统及其工作方法

说明书

本发明涉及一种用于微区空间相干图样的光学系统，该系统包括沿光路依次设置的显微镜(2)、第一全反镜(3)、第一透镜(4)、双缝(5)、第一双缝干涉成像透镜(7)、第二全反镜(9)；该系统还包括沿第二全反镜(9)的反射光路上依次设置的成像透镜(11)、第三全反镜(13)、第二双缝干涉成像透镜(14)和电荷耦合器件(16)；双缝、第一双缝干涉成像透镜、第二全反镜、成像透镜和第二双缝干涉成像透镜为可移动元件，通过各可移动元件在光路上的放置或去除形成不同的光学路径。本发明还提出了该系统的工作方法。该系统和方法能通过干涉图样的采集来测量微纳尺度下的光源的空间相干性以及相干面积，弥补现有光学显微系统的不足。

技术领域

本发明涉及一种光学成像领域，具体涉及一种用于微区空间相干图样的光学系统及其工作方法。

背景技术

具有空间相干性的光源在照明、显示、测量以及信息处理等方面已经展现出极其重要的应用价值。光源在空间不同区域可能具有不固定的相位差，只有在一定空间范围内的光波才有相对固定的相位差，使得只有一定空间内的光波才是相干的，这种特性叫做波的空间相干性。研究光源的空间相干性，不仅有利于设计和制备不同结构和不同尺度的高质量相干光源，而且有利于通过相干性质反过来研究发光物质的形态和属性。目前用来研究光场空间相干性的典型装置是杨氏双缝，它可用来比较两个狭缝处光场的相位关系。从狭缝出来的两束光在相遇区域若满足振动方向相同、振动频率相同、相位相同或相位差保持恒定，那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。

随着微纳米技术的飞速发展，对光与物质相互作用的研究进入微纳尺度的领域，使纳米光子学得到极大发展。纳米光子学领域所发现的一些独特的光子学性质，使其有可能应用于具有快速、低损耗、高带宽等信息处理的集成光子学回路。对微纳尺度光源的性质研究以及通过光学现象来研究微纳尺度的发光物质的形态，可以指导相关人员设计和制备新颖的光子学器件，推动光子学领域的发展。显微镜技术是微纳米领域非常重要的研究观测手段，它利用不同的成像原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，供人们提取微细结构的信息。光学显微镜是最古老的一种，也是其他各类显微镜的基础，在微纳米技术及其分支学科中的研究及应用极其广泛，对微纳米相关技术以及光学性质的研究发展起到了重要的推动作用。

利用已有的光学显微镜系统可以采集样品的明场图像以及荧光显微图像，结合光谱仪可以表征材料的发光性质，如荧光、拉曼、倍频等线性/非线性光学性质。但是基于目前的系统来研究微纳尺度下光源的空间相干性，或者利用相干性来研究物质形态都存在诸多挑战。由于存在衍射极限，光学显微镜的分辨率在亚微米量级，为了提高其分辨率，人们利用激光诱导材料自身的光学信号，在收集光路中加入微孔对激光光斑以外的区域进行遮挡。虽然这种方法显著提高了光学分辨率及成像质量，但是也存在显著的不足之处。通过微孔收集到的信号来自于激光激发的整体区域，而对空间相干性的测试，需要在这个整体区域内精确的选择两个微小的区域，对这两个区域的发射光进行相干性研究。而目前的显微系统存在两个主要挑战：1)如何精确的选择感兴趣的两个区域进行测量；2)如何对这两个区域出射的光信号进行相干图样的采集以及光谱的测量。因此需要在显微镜的成像及信号采集光路上进一步发展和创新。

发明内容

为了解决常规光学显微技术在进行微纳样品光学表征时选择区域的盲目性以及光学性质测量的局限性，本发明提供了一种用于微区空间相干图样的光学系统及其工作方法，该系统和方法可精确选择微纳光源两个不同区域进行空间干涉图样，能够判别微纳光源是否具有空间相干性，并测量其相干面积，弥补现有光学显微技术的不足。

本发明提出的一种用于微区空间相干图样的光学系统，该系统包括沿光路依次设置的显微镜、第一全反镜、第一透镜、双缝、第一双缝干涉成像透镜、第二全反镜；该系统还包括沿第二全反镜的反射光路上依次设置的成像透镜、第三全反镜、第二双缝干涉成像透镜和电荷耦合器件；其中，双缝、第一双缝干涉成像透镜、第二全反镜、成像透镜和第二双缝干涉成像透镜为可移动元件，通过各可移动元件在光路上的放置或去除形成不同的光学路径。