【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于光學(xué)測(cè)量，具體涉及一種基于表面等離子體共振全息顯微術(shù)的金層厚度測(cè)量方法，該方法利用發(fā)生表面等離子體共振時(shí)反射光波的相位信息對(duì)金層厚度的微小變化有超高靈敏度的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)金層厚度的高精度快速測(cè)量。
技術(shù)介紹
1、表面等離子體共振技術(shù)在介質(zhì)物性參量測(cè)量、生物細(xì)胞動(dòng)態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。其不僅能對(duì)金屬界面近場(chǎng)區(qū)域處樣品的折射率、濃度等微小變化進(jìn)行高靈敏度探測(cè)，也可對(duì)金屬薄層，尤其是金層的厚度變化有高靈敏度響應(yīng)。表面等離子體共振一般由kretschmann結(jié)構(gòu)激發(fā)，包含棱鏡-金層-電介質(zhì)層，如圖1所示。當(dāng)一束p偏振光波通過棱鏡以特定角度入射到金層表面時(shí)，會(huì)使金層表面的自由電子發(fā)生集體震蕩，入射光波的能量被耦合進(jìn)表面等離子體波中，反射光波的強(qiáng)度和相位也相應(yīng)發(fā)生顯著變化，此時(shí)即發(fā)生了表面等離子體共振。值得注意的是，發(fā)生表面等離子體共振時(shí)，相比于反射光波的強(qiáng)度信息，反射光波的相位信息對(duì)近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)樣品的微小變化具有更高的響應(yīng)靈敏度。
2、金層的厚度對(duì)于表面等離子體共振的激發(fā)效率至關(guān)重要。在特定激發(fā)波長(zhǎng)下，金層太薄或太厚都會(huì)使激發(fā)表面等離子體共振的效率變低。尤其對(duì)于相位探測(cè)技術(shù)而言，金層的厚度直接決定了反射光波相位變化的梯度和范圍。因此，為了得到最佳金層厚度并高效激發(fā)表面等離子體共振，十分有必要對(duì)金層的厚度進(jìn)行高精度測(cè)量表征。臺(tái)階儀是一種用于測(cè)量薄膜厚度的商業(yè)化儀器，其通過輕觸樣品表面實(shí)現(xiàn)金層厚度的測(cè)量，但臺(tái)階儀所用觸頭硬度較高，可能對(duì)樣品表面造成損害。橢偏儀是另一種表征金層厚度的有效手段，但其存在光路結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)后處理
3、現(xiàn)有技術(shù)中，研究人員基于表面等離子體共振技術(shù)提出了一種傳感器（zl201610576077.2），通過得到隨著入射角變化的兩正交偏振光波相位變化量差值測(cè)量雙層或多層金屬薄層厚度，不能對(duì)單一金層進(jìn)行直接測(cè)量，且存在測(cè)量過程繁瑣、測(cè)量精度受限的問題。進(jìn)一步地，表面等離子體共振全息顯微術(shù)兼具數(shù)字全息術(shù)可對(duì)光波復(fù)振幅進(jìn)行寬場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量及表面等離子體共振高靈敏度的優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)獲得近場(chǎng)區(qū)域處的強(qiáng)度和相位圖像。zl201710613735.5中通過對(duì)表面等離子體共振強(qiáng)度和相位圖像的同時(shí)解調(diào)可實(shí)現(xiàn)金層上方電介質(zhì)薄層厚度的測(cè)量，無法對(duì)金層厚度進(jìn)行測(cè)量。cn202211232389.3中表面等離子體共振全息顯微術(shù)也可實(shí)現(xiàn)金屬薄層厚度測(cè)量，但其僅適用于兩種金屬層均存在的模型，同樣不能直接測(cè)量單一金層厚度。
4、綜上，盡管已有多種現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金層厚度的測(cè)量，但都不能對(duì)單一金層厚度進(jìn)行無損、快速、簡(jiǎn)便和高精度的直接測(cè)量，且存在后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜的問題。目前仍然缺乏一種直接、非侵入、免預(yù)處理、具有納米級(jí)精度的金層厚度測(cè)量表征方法。因此，發(fā)展一種快捷簡(jiǎn)便且具有納米級(jí)測(cè)量精度的金層測(cè)量方法具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、要解決的技術(shù)問題
2、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提出一種基于表面等離子體共振全息顯微術(shù)的金層厚度測(cè)量方法。該方法通過實(shí)驗(yàn)記錄發(fā)生表面等離子體共振時(shí)乙醇溶液揮發(fā)過程中反射光波的相位變化曲線，并結(jié)合反射相移隨電介質(zhì)折射率變化的理論曲線，最終實(shí)現(xiàn)金層厚度的高精度快速測(cè)量。
3、技術(shù)方案
4、本專利技術(shù)的思想在于：首先建立包含棱鏡-金層-電介質(zhì)溶液層在內(nèi)的表面等離子體共振模型，實(shí)驗(yàn)上利用表面等離子共振全息顯微系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄發(fā)生表面等離子體共振時(shí)乙醇溶液揮發(fā)過程中的數(shù)字全息圖并進(jìn)行數(shù)值重建，可得到反射光波的相位變化曲線。在模型其它參量已知而僅有金層厚度未知時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相位曲線可唯一確定金層厚度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金層厚度的高精度測(cè)量。
5、本專利技術(shù)提供一種基于表面等離子體共振全息顯微術(shù)的金層厚度測(cè)量方法，包括如下步驟：
6、步驟1：在棱鏡結(jié)構(gòu)中，未滴取乙醇溶液樣品，利用表面等離子體共振全息顯微系統(tǒng)記錄一幅不包含樣品信息的背景全息圖；
7、步驟2：在金層表面滴定一滴乙醇溶液，再利用表面等離子體共振全息顯微系統(tǒng)連續(xù)記錄包含乙醇溶液的樣品全息圖，直至乙醇溶液揮發(fā)至純水；
8、步驟3：實(shí)驗(yàn)曲線的測(cè)量：
9、對(duì)圖像采集器件記錄的背景全息圖和樣品全息圖進(jìn)行數(shù)值重建，處理得到去除了背景相位的乙醇溶液表面等離子體共振相位圖像，在乙醇溶液樣品區(qū)域中選取一矩形區(qū)域并對(duì)其取均值，得到相位值隨著乙醇溶液揮發(fā)的實(shí)驗(yàn)曲線；
10、基于該實(shí)驗(yàn)曲線得到三個(gè)特征參量；
11、步驟4：理論曲線的繪制：
12、利用理論公式，計(jì)算得到表面等離子體共振模型中反射光波的反射相移差隨電介質(zhì)折射率n3變化的理論曲線，所述反射相移差定義為當(dāng)電介質(zhì)層分別為乙醇溶液和空氣時(shí)對(duì)應(yīng)的反射光波反射相移的差值；
13、基于該理論曲線得到三個(gè)特征參量；
14、步驟5：金層厚度的解調(diào)：
15、利用表面等離子體共振全息顯微系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)曲線和由表面等離子體共振模型計(jì)算得到的理論曲線的三個(gè)特征參量分別相等，由特征參量解調(diào)金層厚度。
16、進(jìn)一步地，所述步驟4理論曲線的繪制過程為：
17、在表面等離子體共振模型中，反射光波的反射系數(shù)表示為：
18、
19、其中，rj,n為第j層和第n層介質(zhì)間的反射系數(shù)；
20、j代表第j層介質(zhì)；
21、n代表表面等離子體共振模型包含的總層數(shù)，對(duì)于三層模型，j=1，n=3；
22、rj,j+1為相鄰兩層介質(zhì)間的反射系數(shù)；
23、rj+1,n為第j+1層和第n層介質(zhì)間的反射系數(shù)；
24、dj+1為第j+1層的厚度；
25、kzj為光波在第j層介質(zhì)中沿z方向的波矢；
26、kz(j+1)為光波在第j+1層介質(zhì)中沿z方向的波矢；
27、為第j層介質(zhì)的介電常數(shù)與光波在第j層介質(zhì)中沿z方向的波矢之比；
28、為第j+1層介質(zhì)的介電常數(shù)與光波在第j+1層介質(zhì)中沿z方向的波矢之比；
29、為第j層的介電常數(shù)；
30、和θ分別為入射光波的波長(zhǎng)和入射角；
31、反射光波的反射相移計(jì)算如下：
32、
33、其中，im(r1,3)和re(r1,3)分別代表反射系數(shù)r1,3的虛部和實(shí)部；
34、利用上述公式，計(jì)算得到表面等離子體共振模型中反射光波的反射相移差隨電介質(zhì)折射率n3變化的理論曲線。
35、進(jìn)一步地，所述步驟2的乙醇溶液體積比為，折射率為1.3440?riu，所述步驟2的純水折射率為1.3317?riu。
36、進(jìn)一步地，所述步驟3的全息圖數(shù)值重建基于標(biāo)量衍射理論和卷積法；基于二次曝光法得到乙醇溶液表面等離子體共振相位圖像。
37、進(jìn)一步地，所述步驟3的相位值與所述步驟4的反射相移差相等。
38、進(jìn)一步地，所述步驟3和4的特征參量分別為：乙醇滴液揮發(fā)初始時(shí)刻下的反射相移差值，溶液本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于表面等離子體共振全息顯微術(shù)的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟4理論曲線的繪制過程為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟2的乙醇溶液體積比為，折射率為1.3440?RIU，所述步驟2的純水折射率為1.3317?RIU。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟3的全息圖數(shù)值重建基于標(biāo)量衍射理論和卷積法；基于二次曝光法得到乙醇溶液表面等離子體共振相位圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟3的相位值與所述步驟4的反射相移差相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟3和4的特征參量分別為：乙醇滴液揮發(fā)初始時(shí)刻下的反射相移差值，溶液揮發(fā)至純水時(shí)刻下的反射相移差值，以及起始和最終時(shí)刻下反射相移差的變化范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟5由特征參量解調(diào)金層厚度的步驟為：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于表面等離子體共振全息顯微術(shù)的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟4理論曲線的繪制過程為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟2的乙醇溶液體積比為，折射率為1.3440?riu，所述步驟2的純水折射率為1.3317?riu。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金層厚度測(cè)量方法，其特征在于：所述步驟3的全息圖數(shù)值重建基于標(biāo)量衍射理論和卷積法；基于二次曝...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：戴思清，徐浩宇，王竹青，趙建林，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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