光学涡旋提升相干傅里叶散射术扫描效率：实现纳米颗粒快速检测的新策略

《Optics and Lasers in Engineering》：Optical vortex for enhancing scanning efficiency in coherent Fourier scatterometry systems

本文创新性地将光学涡旋（OAM）光束引入相干傅里叶散射术（CFS）系统，通过涡旋光束固有的光斑扩展效应增大纳米颗粒引起的远场不对称区域，从而放宽扫描步长限制。实验表明该方法将扫描时间缩短至传统高斯光束的1/3，并成功检测到45 nm颗粒，突破了原有灵敏度极限，为柔性基底表面缺陷的高效检测提供了新思路。

　　

光学涡旋实现光斑扩展

通过光学涡旋实现光斑扩展：在我们的CFS系统中，高数值孔径物镜对紧聚焦光束的电场的描述基于Richards-Wolf矢量衍射理论。电场在柱坐标中的三个分量（E_x, E_y, E_z）由特定积分公式给出。这里，k=2π/λ是光的波数，f是消球差透镜的焦距，θ代表极角。

结果

我们依次应用拓扑荷从0到5的涡旋相位图案，并获取每个光束的左右和上下差分信号。样品在40 μm × 2 μm区域内以0.1 μm的步长进行扫描。入射光频率为30 KHz，并采用相同频率进行解调。

结论

总之，将涡旋光束整合到CFS系统中，扩展了由纳米颗粒引起的远场不对称区域的范围，并增加了携带颗粒特征差分信号的扫描线数量。这一增强放宽了对扫描步长的限制，允许采用更大的步长，从而减少了总扫描时间。实验结果表明，涡旋光束将扫描时间缩短至非涡旋光束所需时间的三分之一，且无灵敏度损失。