反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置的製作方法

2023-12-09 20:36:41

專利名稱：反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置，屬於微納結構的光學性質測量技術領域。
背景技術：
微納結構是指結構單元在微米或者納米量級的微細結構。由於周期性的微納結構具有類似於半導體能帶的光子能帶，可以控制光子的局域和傳輸，所以在諸多科研技術領域，如光通信、光存儲、光發射、光子計算機等都有廣泛的用途，是21世紀的重要信息功能材料。周期性微納結構的帶隙特性直接決定著其可以實現的功能，所以帶隙結構的準確測定就顯得尤為重要。目前的測定方法主要是採用透射法，即讓雷射束通過光纖引導後水平地入射到水平放置的樣品上，在樣品的另一側測量雷射束的透射譜，從而獲得待測樣品的帶隙特性。然而，由於樣品的厚度很薄，一般為幾十微米，而從光纖出射的雷射直徑一般都在數百微米，很難實現入射光束和微結構的精密對準，部分入射光損失，從而導致耦合效率低下，直接影響到測量結果的準確性。雖然目前已經有人提出採用在微結構的前端添加微型鍥形波導結構來提高耦合效率，但效果仍然很不理想。

發明內容
本發明需要解決的技術問題是克服上述帶隙特性測量方法的不足，提供一種通過測量微結構的反射譜來確定帶隙結構，不需要考慮精密對準和耦合效率問題，大大降低技術難度的反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置。
本發明的技術解決方案是反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置，其特點在於它由雷射器、第一反射鏡、聚焦準直系統、偏振器、第二反射鏡、第三反射鏡、探測光纖、光功率計、樣品臺以及計算機組成。所述的雷射器為連續可調諧寬譜雷射器。雷射器發出的雷射依次經過第一反射鏡反射、聚焦準直系統聚焦準直，並經偏振器檢偏後形成一束均勻的平面波，再被第二反射鏡和第三反射鏡反射後，該平面波傾斜入射到水平放置在樣品臺上的被測樣品表面上，探測光纖直接靠近樣品表面探測，探測的反射光譜信號進入光功率計測試。當入射波長λ在樣品表面內的波矢K=2/eff=2sin]]>與樣品上周期圖形的倒格矢相匹配時就會激發一個導波模式，使得光能量沿樣品表面傳播，從而導致反射譜能量急劇減少，出現導波異常，當入射波長λ在樣品表面內的波矢K=2/eff=2sin]]>與樣品上周期圖形的倒格矢不相匹配時，反射譜不出現異常，為正常反射譜。光功率計檢測反射譜信號，轉換成電信號後輸入計算機，計算機輸出反射譜波形，經人工判讀導波異常點(λeff，T)並記錄好等待處理，改變入射波長和入射角度，重複測量反射譜並記錄導波異常點(λeff，T)，將所有的導波異常點輸入計算機繪製出反射率T隨等效波長λeff的變化圖，此即帶隙結構圖。
所述的第三反射鏡可以上下移動，並且可以繞o2軸轉動，初始角度與水平面夾角22°，轉動幅度為±15°角的範圍內，每次轉動角度小於1°，從而控制樣品面上的入射角θ在14°～74°之間。
所述的探測光纖與樣品表面間沒有濾波或者偏振裝置，直接靠近樣品表面探測反射光譜並送至光功率計，且探測光纖可繞被測區域o1並垂直紙面的軸轉動進行多次測量，轉動範圍為10°～80°，每次轉動角度小於5°。
本發明與現有帶隙測量裝置相比有如下優點1.由於是測量反射譜，不需要考慮複雜的精密對準和耦合效率問題，大大降低了技術的實現難度。
2.不需要在樣品和探測光纖間添加偏振或濾波裝置，使系統大大簡化。
3.只有當入射光的頻率與微結構的導波模式匹配時，才會使反射光的能量損失一部分，所以反射光的能量較高，有利於提高探測精度。
4.測試時只需調節一片反射鏡和探測光纖，操作方便易行。


圖1為本發明的示意圖；圖2為本發明實施例中樣品的結構和空間方位角示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明由雷射器1、第一反射鏡2、聚焦準直系統3、偏振器4、第二反射鏡5、第三反射鏡13、探測光纖10、光功率計9、樣品臺7以及計算機8組成，第一反射鏡2和第二反射鏡5為與光束成45°放置，第三反射鏡13初始角度與水平面夾角22°，聚焦準直系統3和偏振器4放置在第一反射鏡2後，並在第二反射鏡5之前，被測樣品6放於樣品臺7上。由雷射器1發出的雷射束以45°角射向反射鏡2，經過反射鏡2反射後、雷射束通過聚焦準直系統3聚焦準直，經聚焦準直後的雷射束形成一束均勻的平面波，再經偏振器4檢偏，再被反射鏡5和反射鏡13反射，該平面波12再以44°角傾斜入射到被水平放置在樣品臺7上的被測樣品6的上表面上，反射鏡13可以上下移動，並且可以繞垂直紙面的o2軸轉動，初始角度與水平面夾角22°，轉動幅度為±15°角的範圍內，每次轉動角度小於1°，使平面波12在±30°角的範圍內轉動，從而控制樣品面上的入射角θ在14°～74°之間。聚焦準直系統3、偏振器4、反射鏡2、反射鏡5和反射鏡13均為對應於入射波段的常規標準件。光功率計9為測量動態範圍小於0.01db、敏感波段與入射波段相匹配的光功率計。探測光纖10與樣品表面間沒有放置濾波器或者偏振裝置，直接靠近樣品6的上表面探測反射光譜11，探測光纖10可繞垂直紙面的軸o1轉動進行多次測量，轉動範圍為10°～80°，每次轉動角度小於5°。由探測光纖10接收的反射光譜11，經光功率計9接收放大轉換成電信號，然後電信號被輸入到計算機8。
如圖2所示，本發明實施例中樣品的結構和空間方位角示意圖。樣品6水平放置於樣品臺7上，入射平面波12傾斜入射到水平放置的被測樣品6的上表面上，入射角為θ，並反射出反射光譜11，其反射角為θ′。被測樣品6是厚度在微米或毫米量級的薄片，上面刻蝕有周期性的圖形，圖形的周期Λ為微米或納米量級。連續寬譜雷射器1的中心波長λ0與樣品6上的圖形周期Λ相當，譜寬為f=2c/02]]>假設入射平面波12的波矢為K，根據圖2中的坐標關係可知 為探測和計算方便，入射光方位角α′通常選為0°，此時 即KP=2sin]]>當KP與樣品上周期圖形的倒格矢相匹配時就會激發一個導波模式，使得光能量沿樣品表面傳播，從而導致反射譜能量急劇減少，出現導波異常。當KP與樣品上周期圖形的倒格矢不相匹配時，反射譜不出現異常。光功率計9檢測反射譜信號，轉換成電信號後輸入計算機8，計算機8顯示出反射譜波形，經人工判讀導波異常點(λeff，T)並記錄好等待處理。由於反射鏡13每次轉動角度小於1°，所以可近似認為此時KP為連續變化，變化範圍為(3.25～12.13)/λ02，通過旋轉樣品臺7，可以改變光波的入射方向與樣品6的相對角度α′，從而測定出樣品6的全向帶隙結構。如果樣品6上的圖形具有高度對稱性，比如正方形排列、三角形排列等，此時只需測定如圖2中所示的Γ-M、Γ-X以及M-X三個方向即可。探測光纖10直接靠近樣品6表面探測反射光譜11，為了保證探測精度，需在垂直於樣品6表面的平面內轉動探測光纖10可多次重複測量，重複次數3次以上，轉動幅度為10°～80°，每次轉動角度小於5°，改變入射波長和入射角度，重複測量反射譜11並記錄導波異常點(λeff，T)。將所有的導波異常點輸入計算機繪製出反射率T隨等效波長λeff的變化曲線，此即帶隙結構圖。
權利要求
1.反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置，其特徵在於它由雷射器(1)、第一反射鏡(2)、聚焦準直系統(3)、偏振器(4)、第二反射鏡(5)、第三反射鏡(13)、探測光纖(10)、光功率計(9)、樣品臺(7)以及計算機(8)組成，雷射器(1)發出的雷射依次經過第一反射鏡(2)反射、聚焦準直系統(3)聚焦準直，並經偏振器(4)檢偏後形成一束均勻的平面波，再被第二反射鏡(5)和第三反射鏡(13)反射後，該平面波(12)傾斜入射到水平放置在樣品臺(7)上的被測樣品(6)表面上，探測光纖(10)直接靠近樣品表面探測，探測的反射光譜信號(11)進入光功率計(9)測試，當入射波長λ在樣品表面內的波矢K=2/eff=2sin]]>與樣品(6)上周期圖形的倒格矢相匹配時就會激發一個導波模式，使得光能量沿樣品表面傳播，從而導致反射譜能量急劇減少，出現導波異常，當入射波長λ在樣品表面內的波矢K=2/eff=2sin]]>與樣品(6)上周期圖形的倒格矢不相匹配時，反射譜(11)不出現異常，為正常反射譜，光功率計(9)檢測反射譜信號，轉換成電信號後輸入計算機(8)，計算機輸出反射譜波形，經人工判讀導波異常點(λeff，T)並記錄好等待處理，改變入射波長和入射角度，重複測量反射譜並記錄導波異常點(λeff，T)。將所有的導波異常點輸入計算機(8)繪製出反射率T隨等效波長λeff的變化圖，此即帶隙結構圖。
2.根據權利要求1所述的反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置，其特徵在於所述的第三反射鏡(13)可以上下移動，並且可以繞O2軸轉動，初始角度與水平面夾角22°，轉動幅度為±15°角的範圍內，每次轉動角度小於1°，從而控制樣品面上的入射角θ在14°～74°之間。
3.根據權利要求1所述的反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置，其特徵在於所述的探測光纖(10)與樣品表面間沒有濾波或者偏振裝置，直接靠近樣品表面探測反射光譜並送至光功率計(9)。
4.根據權利要求1所述的反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置，其特徵在於所述的探測光纖(10)可繞垂直紙面的軸O1轉動進行多次測量，轉動範圍為10°～80°，每次轉動角度小於5°。
5.根據權利要求1所述的反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置，其特徵在於所述的雷射器(1)為連續可調諧寬譜雷射器。
全文摘要
反射式周期性微納結構的帶隙特性測量裝置由雷射器(1)、反射鏡(2)、聚焦準直系統(3)、偏振器(4)、反射鏡(5)、反射鏡(13)、探測光纖(10)、光功率計(9)、計算機(8)及樣品臺(7)組成，雷射器(1)發出的雷射依次經過第一反射鏡(2)反射、聚焦準直系統(3)聚焦準直，並經偏振器(4)檢偏後形成一束均勻的平面波，再被第二反射鏡(5)和第三反射鏡(13)反射後，該平面波(12)傾斜入射到被測樣品(6)表面上，探測光纖(10)直接靠近樣品表面探測，探測的反射光譜信號(11)進入光功率計(9)測試後轉換成電信號，輸入計算機(8)進行處理得到帶隙結構。本發明通過探測反射光譜而不是透射光譜來獲得周期性微結構的帶隙特性，具有技術簡單、容易實現、操作方便、精度高的特點。
文檔編號G01N21/25GK1782695SQ200410009920
公開日2006年6月7日 申請日期2004年12月2日 優先權日2004年12月2日
發明者石建平, 羅先剛, 陳旭南, 李海穎 申請人:中國科學院光電技術研究所