本發(fā)明涉及的技術(shù)領(lǐng)域為納米光學(xué)，具體涉及一種應(yīng)用納米光學(xué)天線進(jìn)行紅外分光的方法，是一種光路結(jié)構(gòu)簡單，抗震性好，穩(wěn)定性高的紅外分光方法。

背景技術(shù)：

納米光學(xué)天線是近年來納米光學(xué)方向新興的前沿課題， 廣泛應(yīng)用于新型光源、高密度數(shù)據(jù)存儲、光刻、太陽能電池、光學(xué)顯微鏡及拉曼散射等領(lǐng)域，然而，有關(guān)納米光學(xué)天線在紅外光譜范圍進(jìn)行分光的應(yīng)用尚未見報道。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外關(guān)于紅外分光技術(shù)的應(yīng)用主要是傅立葉變換紅外分光光度計，其原理是根據(jù)光的相干性得到光的干涉圖，再利用計策機(jī)進(jìn)行快速傅里葉變換將其變?yōu)楣庾V圖，其實現(xiàn)分光性能的關(guān)鍵部件是邁克爾遜干涉儀，但是由于其要求入射光與反射光時刻保持平行，且準(zhǔn)直光路很難調(diào)節(jié)，往往由于一些震動等外在因素而不穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對以上現(xiàn)狀及問題，提出了一種新的紅外分光方法，用納米光學(xué)天線作為單色原件，通過實驗測量、計算機(jī)模擬和矩陣運算得到紅外光譜，該方法光路結(jié)構(gòu)簡單，抗震性好，穩(wěn)定性高，且為納米光學(xué)天線在紅外分光技術(shù)的應(yīng)用提出了新的思想。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種應(yīng)用納米光學(xué)天線進(jìn)行紅外分光的裝置，包括測量光路和計算機(jī)；測量光路由紅外光源、偏振片、納米光學(xué)天線、運動控制器、紅外探測器和數(shù)據(jù)采集器組成，計算機(jī)用于納米光學(xué)天線透射率的模擬、運動控制器和數(shù)據(jù)采集器的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的處理運算。

紅外光源、偏振片、納米光學(xué)天線、紅外探測器在同一光軸上依次放置，其中納米光學(xué)天線固定在運動控制器上，偏振片相對納米光學(xué)天線的偏振方向初始值是0°，通過運動控制器控制納米光學(xué)天線相對偏振片旋轉(zhuǎn)，使入射到納米光學(xué)天線上的紅外光的偏振角在0°~180°之間。

一種應(yīng)用納米光學(xué)天線進(jìn)行紅外分光的方法，按照以下步驟進(jìn)行：

a、通過RSOFT-Fullwave對納米光學(xué)天線模型進(jìn)行模擬，得到不同偏振角下各個波長的透射率，得到系數(shù)矩陣B：

b、通過測量得到不同偏振角下的光強A：

c、由得到待測光源光譜，其中X是偏振片各個波長透過率系數(shù)矩陣，可表示為：

Y是探測器各個波長響應(yīng)度系數(shù)矩陣, 可以通過定標(biāo)得到，表示為：

本發(fā)明的突出特點在于，對于一個納米光學(xué)天線只進(jìn)行一次模擬得到不同偏振角下各個波長的透射率，即得到系數(shù)矩陣，在實際測量中只需采集不同偏振角度的光強，通過計算機(jī)處理數(shù)據(jù)可更方便的得到待測光源光譜，并且依次串聯(lián)的測量光路結(jié)構(gòu)更簡單、穩(wěn)定，抗震效果更好。

附圖說明

下面通過附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為應(yīng)用納米光學(xué)天線進(jìn)行紅外分光的裝置；

圖2為納米光學(xué)天線模型圖；

圖3為模擬納米光學(xué)天線在0°、45°和90°偏振角下不同波長的紅外光透過率光譜圖；

圖中1為紅外光源、2為偏振片、3為納米光學(xué)天線、4為運動控制器、5為紅外探測器、6為數(shù)據(jù)采集器、7為計算機(jī)、8為水平軸、9為納米光學(xué)天線模型、10為天線的長軸方向、11為天線的短軸方向、12為天線的豎直軸方向、13為天線的基底。

具體實施方式

下面實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

如圖1所示，一種應(yīng)用納米光學(xué)天線進(jìn)行紅外分光的裝置，紅外光源1依次通過偏振片2、納米光學(xué)天線3、探測器5和數(shù)據(jù)采集器6，其中納米光學(xué)天線固定在運動控制器4上，由紅外光源1、偏振片2、納米光學(xué)天線3、運動控制器4、探測器5和數(shù)據(jù)采集器6構(gòu)成測量光路；計算機(jī)用于納米光學(xué)天線透射率的模擬、運動控制器和數(shù)據(jù)采集器的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的處理運算。其中所述納米光學(xué)天線與模擬納米光學(xué)天線模型相同。

具體如下：

紅外光源1發(fā)出紅外光，通過偏振片2后變成偏振光，偏振光照射到納米光學(xué)天線3上后到達(dá)探測器4，探測器連接數(shù)據(jù)采集器5采集紅外光光強。其中紅外光源1、偏振片2、納米光學(xué)天線3及探測器4在同一水平軸8上；其中所說的偏振方向，如圖2所示，是定位在光學(xué)天線的長軸方向11上的。

開始時通過調(diào)節(jié)偏振片2或者納米光學(xué)天線3，使入射光的偏振角度為0°（與光學(xué)天線的長軸方向11平行）時采集一次數(shù)據(jù)；通過運動控制器4使納米光學(xué)天線3旋轉(zhuǎn)5°，即使入射到光學(xué)天線上的光的偏振方向變?yōu)?°，再次采集數(shù)據(jù)；依次增大偏振角度，每間隔5°采集一次數(shù)據(jù)，一直到180°，得到的不同偏振角度的光強度矩陣為：

對納米光學(xué)天線3進(jìn)行模擬時采用的方法是時域有限差分方法（FDTD），采用的模塊是基于FDTD算法的RSOFT軟件中的Fullwave模塊，模型為Drude模型。入射光源設(shè)置為平面波，邊界條件為完全匹配層（PML）。

如圖2為長方體條形納米光學(xué)天線結(jié)構(gòu)示意圖，納米光學(xué)天線10的材料是金，其長軸為2.10μm，短軸為0.20μm，垂直軸為0.10μm。納米光學(xué)天線10制備在基底13上，所述基底材料是氟化鈣。光源發(fā)出平面波，從天線下方沿垂直軸向上入射，平面波偏振的方向與天線長軸平行。邊界條件設(shè)置為PML（完全匹配層，Perfectly matched layer），計算區(qū)域大小為長軸方向3000nm、短軸方向1000nm、垂直軸方向1200nm，為了兼顧計算效率和準(zhǔn)確性，計算的網(wǎng)格大小為10nm*10nm*10nm，金納米線及其附近的網(wǎng)格大小為5nm*5nm*5nm。

由于選擇的納米光學(xué)天線3是對稱結(jié)構(gòu)，偏振角0°和180°時各個波長透射率相同，5°和175°時各個波長透過率相同，以此類推。所以選擇從0°到90°每間隔5°模擬計算一次各個波長的透射率；由于模擬納米光學(xué)天線對3um到10um的紅外光透射效果更好，所以選擇紅外波段為3um~10um；如圖3所示列舉了偏振角是0°、45°和90°時各個波長的透射率光譜圖；通過對以上各個角度的模擬可以得到系數(shù)矩陣B為：

由于

將上述公式變?yōu)榫仃囆问娇杀硎緸椋?/p>

由上述公式可得被測光譜矩陣為：

即

最后通過光譜輻射定標(biāo)得到被測光光譜。

可以通過擬合插值的方法在模擬得到的不同偏振角下各個波長的透射率光譜圖上插入更多的偏振角下各個波長的透射率數(shù)值，而使偏振角間隔縮小，在實際測量時也使偏振角的間隔對應(yīng)縮小，可以得到更加準(zhǔn)確的被測光光譜圖。