CN102540408A

CN102540408A - 超半球型电光固浸透镜

Info

Publication number: CN102540408A
Application number: CN2011104425115A
Authority: CN
Inventors: 陈占国; 贾刚; 刘秀环; 高延军; 朱景程
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明属电光检测技术领域，具体涉及一种超半球型电光固浸透镜。理论上这种超半球型电光固浸透镜可以使得电光检测系统的空间分辨率提高n²倍，n为电光固浸透镜的折射率。超半球型电光固浸透镜是一个球体沿平行于赤道面方向去除一小部分形成的超半球，超半球底面的中心到球面顶点的距离为(1+1/n)r，其中n为超半球材料的折射率，r为超半球球体的半径；超半球材料为折射率n＞2，电光系数γ＞0.5pm/V，对探测光透明的III-V族电光材料、II-VI族电光材料或铁电体电光材料。超半球型电光固浸透镜与合适的显微物镜搭配使用，应用于外部电光检测系统中，可以获得亚微米的空间分辨率，因而具有重要的实际应用价值。

Description

超半球型电光固浸透镜

技术领域

本发明属电光检测技术领域，具体涉及一种外部电光检测系统的核心部件——电光探头，即一种超半球型电光固浸透镜。理论上这种超半球型电光固浸透镜可以使得电光检测系统的空间分辨率提高n²倍，n为电光固浸透镜的折射率。

背景技术

电光检测技术是二十世纪八十年代初发展起来的一种无侵扰、抗电磁干扰能力强、无损伤的光子束检测技术[J.A.Valdmanis，G.Mourou，and C.W.Gabel，Appl.Phys.Lett.，41，211-212(1982).]，这种技术技术的基本原理是基于线性电光效应，可以检测电子器件的外部电学特性和内部节点电信号。从被测器件材料上区分，可以分为内部电光检测技术和外部电光检测技术。内部电光检测又叫直接电光检测技术[B.H.Kolner and D.M.Bloom，Electron.Lett.，20，818-819(1984)]，是指被测器件的衬底本身就是电光晶体，如GaAs，GaP，InP等，直接将探测光束聚焦到被测器件的测量点处，被测点处的电信号就可以通过电光效应改变探测光束的偏振态。而外部电光检测技术又叫间接电光检测技术[T.Nagatsuma，T.Shibata，E.Sano andA.Iwata.J.Appl.Phys.，66(9)：4001(1989).]，是指用某种电光材料制作成电光探头，将电光探头接近被测器件的表面，使得电光探头浸在被测器件的泄漏场中，从而产生电光效应。于是当探测光束在电光探头中传播时，其偏振态将发生改变。外部电光检测技术可以用于测量各种衬底的电子器件的电场分布，因而更具普遍性。从探测光束与被测电场的关系区分，电光检测技术可以分为纵向电光检测技术和横向电光检测技术。所谓纵向电光检测技术是指只有与探测光平行的电场分量才能对探测光起调制作用，被检测出来；而横向电光检测技术是指只有与探测光垂直的电场分量才能对探测光起调制作用，从而被检测出来。

电光检测系统的空间分辨率主要由探测光束聚焦光斑的大小决定，由于受到衍射极限的限制，聚焦光斑的半极大全宽度直径最小约为探测光波长的一半。对于纵向电光调制结构而言，其空间分辨率一般为1～3μm左右[K.Y.Lau and I.Ury，Appl.Phys.Lett.，46，1117(1985).]。而对于横向调制，其空间分辨率一般为8～15μm左右[Q.Chen and X.-C.Zhang，Appl.Phys.Lett.，74(23)：3435(1999).]。因此，这就限制了电光检测技术在具有亚微米结构的电子器件测量方面的应用。如何有效提高电光检测技术的空间分辨率就成为亟待解决的问题。

减小探测光束的聚焦光斑尺寸是提高电光检测系统空间分辨率的有效方法。由阿贝衍射极限可知，聚焦光斑的最小半极大全宽度直径D_min可以表示为：D_min＝0.51λ/nsinθ＝0.51λ/NA.其中，λ为探测光波长，n为物方折射率，θ为聚焦系统的孔径角的一半，称为孔径半角，NA＝nsinθ为聚焦系统的数值孔径。由此可知，要减小D_min，有三种办法：(1)减小探测光波长，但是波长最短不能小于电光材料的本征吸收限。(2)增大孔径半角θ，但是θ最大为90°，所以sinθ值最大为1。所以当物方媒质为空气时，数值孔径最大为1。(3)增大物方折射率n，为此人们发明了油浸透镜，可以使得数值孔径最大可达到1.5左右。一般固体的折射率更大，为此，1990年，G.S.Kino等人发明了固浸显微镜(Solid Immersion Microscope)[S.M.Mansfield and G.S.Kino，Appl.Phys.Lett.，57，2615(1990).]，这种显微镜的基本原理与液浸显微镜相似，也是通过增大物方空间的折射率n的办法来提高显微镜的数值孔径的，只不过是用折射率n更高的光学玻璃材料制作的固体半球代替了液体，并把这个固体半球称作固浸透镜。理论上，半球型固浸透镜可以使得聚焦系统的有效数值孔径增大n倍，即有效数值孔径的最大值为n。固浸透镜一般需要和显微物镜搭配使用。由于数值孔径较大的显微物镜的工作距离较短，而受制于加工条件，半球型固浸透镜的尺寸不可能做得特别小，这使得固浸透镜一般很难同数值孔径较大的显微物镜搭配使用。这就限制了有效数值孔径的大小。为了进一步增加聚焦系统的数值孔径，1994年，G.S.Kino等人又发明了超半球型固浸透镜[B.D.Terris，H.J.Mamin，D.Rugar，W.R.Studenmund，and G.S.Kino，Appl.Phys.Lett.，65，388(1994)]，这种超半球型固浸透镜的基本原理是不仅使得物方空间的折射率增大n倍，而且使得孔径半角的正弦值sinθ也增大n倍，理论上可以使得聚焦系统的有效数值孔径增大n²倍。虽然这种固浸透镜能够获得的有效数值孔径的最大值也是n，但是由于它只需要和数值孔径为1/n的显微物镜搭配使用，理论上就能获得最大的有效数值孔径，因而更容易获得高空间分辨率。目前，绝大多数的固浸透镜都是由光学玻璃制作而成的，固浸透镜技术已经被广泛应用于显微镜、光存储、光刻等技术中。

发明内容

本发明将固浸透镜技术与电光检测技术相结合，发明了由具有线性电光效应的电光晶体材料制成的超半球型电光固浸透镜(由于它兼具固浸透镜和电光探头的作用，称之为超半球型电光固浸透镜)，与合适的显微物镜搭配使用，应用于外部电光检测系统中，可以获得亚微米的空间分辨率，因而具有重要的实际应用价值。

这种超半球型电光固浸透镜的基本结构如附图1所示，是由一个球体沿平行于赤道面方向去除一小部分形成的超半球，O点为超半球的球心，O′点为超半球圆形底面的中心，过O、O′点的直线为超半球的轴线，线段OO′的长度为r/n，即超半球的高度(底面与球面顶点之间的距离)为(1+1/n)r，其中n为超半球材料的折射率，r为球体的半径。原则上，只要是具有线性电光效应的电光晶体材料都可以用于制作这种超半球型电光固浸透镜，例如，III-V族化合物、II-VI族化合物、LiNO₃和LiTaO₃等铁电体化合物。但是，具体选择材料时还需要考虑探测光的波长，要选择对探测光透明的电光材料。为了获得更高的空间分辨率，还要选择折射率大的电光材料，一般要求折射率n＞2。此外还要考虑材料的质量、成本、加工的难易程度等问题。如果探测光波长为1.3μm或1.55μm(常用的通讯波长)，或者是1.064μm，电光材料可以选用GaAs，其折射率高达3.3，电光系数达到1.6pm/V，而且高纯的或半绝缘GaAs材料也容易购买。如果探测光波长为650nm或633nm时，可以选用GaP材料，其折射率高达3.1，电光系数为0.97pm/V。最后，还要根据电光材料的晶体结构、线性电光效应的基本理论、以及所要采用的调制方式等来确定所选材料的具体晶向。例如，对于GaAs、GaP、ZnTe、CdTe等具有闪锌矿结构的电光材料，可以选择超半球电光固浸透镜的底面为(100)晶面，采用纵向电光调制结构，测量被测器件的纵向电场分量；也可以选择(110)晶面作为超半球电光固浸透镜的底面，采用横向电光调制的方式，测量被测器件的横向电场分量。

使用时，超半球型电光固浸透镜需要与显微物镜搭配使用。显微物镜的焦距需要大于(n+1)r，一般需要选取长焦距的显微物镜，它们的位置关系如图2所示。首先将超半球电光固浸透镜和显微物镜调成共轴状态。假设显微物镜的焦点为F，则需要调整超半球型电光固浸透镜，使其球心O点到F点的距离OF应为nr，即超半球型电光固浸透镜的底面中心O′到F点的距离O′F应为(n-1/n)r。这时，可以证明O′是齐明点，即所有从显微物镜出射的会聚光线经固浸透镜折射后都要聚焦在底面中心O′点上。从图2可以看出，与超半球相切的光线经超半球折射后沿与超半球的轴线垂直的方向会聚于O′点，因此，有效的孔径半角由原来的∠AFO增大为90°，又因为物方的折射率为n，因此，此时聚焦系统的有效数值孔径达到最大值，为n。根据折射定律和相似三角形定理，还可以证明，对于任意与超半球相交的光线，其折射光线与超半球轴线之间夹角的正弦值都比没有超半球时增大了n倍，由于物方折射率也增大了n倍，因此超半球电光固浸透镜使得聚焦系统的有效数值孔径增大了n²倍。因此，为了实现最大的有效数值孔径，超半球型电光固浸透镜只需要与数值孔径为1/n的显微物镜搭配就可以。

在具体的电光检测系统中，需要将偏振分束器、四分之一波片、二分之一波片、超半球型电光固浸透镜和与之搭配的显微物镜一起，构成共轴反射式电光振幅调制器，如附图3所示。偏振分束器14的两个偏振方向分别为水平和竖直方向，根据激光器11出射的探测光波长，选择对应波长的四分之一波片15和二分之一波片16，四分之一波片和二分之一波片的快轴方向与水平方向的夹角分别为22.5°和33.75°。四分之一波片和二分之一波片还可以用八分之一波片来代替，使用八分之一波片时，其快轴方向与水平方向成45°。使用波片的作用是调整电光振幅调制器的静态工作点，使得电光振幅调制器工作在线性工作区。显微物镜1和超半球型电光固浸透镜2都安装在精密微调架上，既可以做三维平动，又可以绕光轴旋转。平动精度小于5μm。所有光学元件都需要调整都共轴状态。显微物镜1的物方焦点到超半球型电光固浸透镜2底面中心的距离为(n-1/n)r。如果激光器11是半导体激光器，需要用自聚焦透镜12对半导体激光器出射的发散光进行准直，然后再用扩束器13对准直光束进行扩束，扩束的目的是为了实现显微物镜所能达到的最大孔径角。被测器件17的泄露电场对聚焦到超半球型电光固浸透镜2底面中心处的探测光产生调制作用，由超半球型电光固浸透镜2反射回来的被调制的探测光经会聚透镜18后，照射到光电探测器19，转变为电信号后输入锁相放大器20，最后由锁相放大器20检测出电光信号的大小。信号发生器21一方面为被测器件提供电信号，一方面为锁相放大器提供一个参考信号。示波器22一方面可以监测信号发生器提供的电信号波形，另一方面还可以监测从锁相放大器20的前置放大器输出的电光信号的波形。

由于电光晶体的折射率n很高，全反射临界角很小，所以折射入超半球型电光固浸透镜中的很多光线都会发生全反射，此外，超半球型电光固浸透镜有足够的厚度，可以充分收集被测电路的泄露场，因此，超半球型电光固浸透镜不仅可以使电光检测系统的空间分辨率提高n²倍，而且可以使电光检测系统的电压灵敏度显著增大。为了获得最大的电光调制，使用时需要将超半球型电光固浸透镜绕光轴转动，转动到适合的位置时，可以获得最佳的电光调制深度。

超半球电光固浸透镜的具体工艺过程如附图4所示，具体说明如下：

(1)选料：首先选择合适的电光材料。一般要求折射率n＞2，电光系数γ＞0.5pm/V，对探测光透明的III-V族、II-VI族或某些铁电体材料。常用的有GaAs、GaP、ZnTe、β-ZnS、CdTe、CdSe、ZnSe、α-ZnS、CdS、ZnO、LiNbO₃、LiTaO₃、KNbO₃等。根据具体的调制结构，电光材料的晶向要选择合适。例如，对于具有闪锌矿结构的GaAs、GaP、ZnTe、CdTe、ZnSe、β-ZnS等电光材料可以选择沿(100)晶面切割，探测光垂直于(100)晶面入射，进行纵向电光调制。对于具有3m和6mm点群对称的α-ZnS、CdSe、CdS、ZnO、LiNbO₃、LiTaO₃、KNbO₃等电光材料，可以选择沿晶体c轴切割，探测光垂直于c轴入射，进行横向电光调制。选择好晶向后，将这些电光材料切割成长方体形状，长方体的上下两个大面即为所选择的切割晶面，其余侧面的晶向可以不用考虑。长方体的尺寸由所要加工的超半球的半径r决定。长方体的长和宽要略大于超半球的直径2r，一般要根据加工情况来确定。例如：要把立方体形的电光材料研磨、抛光成球形需要研磨掉200μm的一层，那么长方体的长和宽就可以设定为2r+200μm。为了保证制备出的超半球的底面就是我们所要选择的切割晶面，需要两块长宽相同、但厚度不同的长方体，它们的厚度之和也要等于它们的长和宽，即2r+200μm。厚一些的长方体的大面必须是我们所选择的切割晶面。如图4(1)所示。假设电光材料的折射率为n，则厚一些的长方体的厚度可以设计为(1+1/n)r+200μm，而另一块长方体的厚度可以设定为(1-1/n)r。考虑到晶向可能对加工难易程度的影响，薄一些的长方体的晶向要尽量与厚一些的长方体保持一致。

(2)粘合：将两块厚度不同的长方体状电光材料沿大面紧密粘合在一起，构成一个边长为2r+200μm的立方体。如图4(2)所示。对粘合剂的基本要求是强度高、固化快、耐热性好、防水性好。例如常用的万能胶、502胶等都可以。

(3)磨球：采用常用的球面透镜加工工艺，将立方体形的电光材料研磨、抛光，加工成光滑、完美的球体，球体的半径为r。如图4(3)所示。

(4)拆分：再将球形的电光晶体沿粘合处拆分成两部分球缺。这可以通过有机溶剂溶胶的办法来实现拆分，例如将球形的电光晶体材料泡在丙酮中，待粘合剂软化后，用薄刀片轻轻将球体的两部分分开。选取较厚的那一部分超半球留下来备用。如图4(4)所示。

(5)减薄：进一步将超半球底面的粘合剂用有机溶剂结合超声清洗的办法去除干净，然后将底面进行研磨、减薄、抛光。一面研磨抛光，一面要时常监测其厚度，直到超半球的厚度为(1+1/n)r时为止，如图4(5)所示。这时超半球型电光固浸透镜就制作完成了。最终制作完成的超半球型电光固浸透镜如图1所示。

如果被测器件的表面不平整，或者为了减小电光探头对被测器件的影响，可以切除超半球的边缘部分，将超半球的下端加工成顶点为齐明点O′的倒圆锥或者倒棱锥(正三棱锥、正四棱锥、正五棱锥、正六棱锥等)结构，如附图5所示。尽管这对于实现最大的有效数值孔径有影响，但是这种影响并不十分严重，依然可以获得很高的有效数值孔径。以图5为例，CD＝2r，为超半球的直径，在赤道面内。因此图4的结构可以看成是由一个半径为r的半球与底面是赤道面、高是r/n的倒圆锥构成的，此时与显微物镜搭配所能获得的最大有效数值孔径为n²/(n²+1)^1/2，当n²＞＞1时，最大有效数值孔径依然近似为n。

附图说明

图1：半径为r、电光材料折射率为n的超半球型电光固浸透镜结构示意图；

图2：超半球型电光固浸透镜与显微物镜搭配使用时的原理示意图；

1为显微物镜；2为超半球型电光固浸透镜；3为入射光线。

图3：超半球型电光固浸透镜在电光检测系统中的应用示意图；

各部件名称为：显微物镜1、超半球型电光固浸透镜2、半导体激光器11、自聚焦透镜12、扩束器13、偏振分束器14、四分之一波片15、二分之一波片16、被测器件17、会聚透镜18、光电探测器19、锁相放大器20、信号发生器21、示波器22。

被测器件17可以是任何未封装的(电极裸露的)电子器件。在这一系统中，从半导体激光器11出射的探测光经自聚焦透镜12准直后，由扩束器13扩束，扩束后的探测光束经偏振分束器14后变为线偏振光，再依次通过四分之一波片15和二分之一波片16，经显微物镜1和超半球型电光固浸透镜2折射后会聚到超半球型电光固浸透镜2的底面中心处(即会聚到齐明点O′处)。被测器件上传输的电信号产生的泄露电场一部分进入到电光固浸透镜2中，与会聚到齐明点O′处的探测光束相互作用，发生线性电光效应，于是，从超半球型电光固浸透镜2底面反射回去的探测光的偏振态发生了改变，携带了被测器件上传输的电信号的信息，即反射回去的探测光包含了线性电光信号，经显微物镜变为平行光束，再经过二分之一波片16、四分之一波片15和偏振分束器14后，一部分反射光将经由会聚透镜18会聚后进入光电探测器19中，由探测器转变为电信号后输入到锁相放大器20中，最后由锁相放大器20检测出电光信号的大小。电光信号的波形可以从锁相放大器20的前置放大器输出端口输出到示波器22中进行观测。信号发生器21一方面为被测器件提供电信号，同时为锁相放大器提供一个参考信号，为被测器件提供的电信号也可以接入示波器进行观测，并与锁相放大器20输出的电光信号波形进行对比。

图4：超半球型电光固浸透镜的制作过程示意图；

(1)选料；(2)粘合；(3)磨球；(4)拆分；(5)减薄；

图5：超半球下端顶点为齐明点O′的倒圆锥或者倒棱锥结构示意图；

图6：经显微物镜会聚的艾里斑衍射图样强度分布的理论模拟曲线；

显微物镜的数值孔径为0.28，曲线4是物方为平板型GaAs电光晶体时的情形，曲线5是物方为空气时的情形，曲线6是物方为半球型GaAs电光固浸透镜时情形，曲线6是物方为超半球型GaAs电光固浸透镜时情形。

具体实施方式

实施例1：

选用GaAs电光晶体，探测光源可以选择1.3μm或1.55μm的红外激光器。GaAs晶体的折射率为3.3，电光系数为1.6pm/V。假设要制作成半径为3mm的超半球型电光固浸透镜。具体过程如下：

(1)选择两块沿(100)面切割的长方体形高阻(ρ＞5000Ωcm)GaAs晶体材料，它们的长和宽都是6.2mm，一块长方体的厚度为4.1mm，一块长方体的厚度为2.1mm。

(2)将这两块GaAs长方体材料用万能胶紧密粘合在一起，构成一个边长为6.2mm的GaAs立方体。

(3)采用透镜加工技术将GaAs长方体材料研磨加工成球形，然后对GaAs球体进行精细抛光，在研磨抛光过程中，时刻监测GaAs球体的直径，当直径为6mm时，停止抛光。

(4)将GaAs球体泡在丙酮等有机溶剂中，将万能胶溶解后，把GaAs球体自然地从粘合面处拆分开两部分。或者结合机械切割的方法，将GaAs球体从粘合面处拆分开。

(5)把拆分开来的GaAs超半球底面进一步去除粘合剂，并进行研磨、减薄和抛光。抛光过程中，要时刻监测GaAs超半球的厚度，当GaAs超半球的厚度达到3.91mm时，超半球型GaAs电光固浸透镜就制作完成了。

使用时，可以选用长焦距的显微物镜与之搭配。例如，选用数值孔径0.28、焦距20mm、工作距离34mm、10×的显微物镜与超半球GaAs电光固浸透镜搭配，将二者调成共轴，并使得GaAs超半球的底面与显微物镜焦点之间的距离为9mm，这时，从显微物镜出射的光线将全部会聚到GaAs超半球的底面中心处。此时，理论上的有效数值孔径最大值约为3，聚焦光斑最小的半极大全宽度直径约为λ/6，λ为探测光波长。当显微物镜的物方媒质分别为超半球型GaAs电光固浸透镜、半球型GaAs电光固浸透镜、传统的平板型GaAs电光晶体、以及空气时，我们对高斯光束经数值孔径为0.28的显微物镜产生的聚焦光斑的归一化强度分布分别进行了理论模拟，假设λ＝1.3μm，模拟结果如图6所示。曲线4是物方为平板型GaAs电光晶体时艾里斑衍射图样的强度分布，曲线5是物方为空气时的情形，曲线6和7分别是物方为半球型和超半球型GaAs电光固浸透镜时的情形。可以看出，物方为平板型GaAs电光晶体时，艾里斑的半极大全宽度直径最大，约为3.0μm，物方为空气时，艾里斑的半极大全宽度直径约为2.0μm，物方为半球型GaAs电光固浸透镜时，艾里斑的半极大全宽度直径约为0.61μm，而物方为超半球型GaAs电光固浸透镜时，艾里斑的半极大全宽度直径最小，达到了0.22μm。可见，超半球型电光固浸透镜的确能够极大地提高空间分辨率。

实施例2：

选用GaP电光晶体，其电光系数为0.97pm/V，折射率为3.3，探测光源长可选波长为0.65μm的半导体激光器。假设要制作成半径为3mm的超半球型电光固浸透镜，其制作方法与具体实施方式一中完全类似，GaP超半球的厚度也为3.91mm，其余不再赘述。

使用时与长焦距的显微物镜搭配，假设也选用数值孔径0.28，焦距20mm，工作距离34mm，10×的显微物镜，将二者调成共轴，并使得GaP超半球的底面与显微物镜焦点之间的距离为9mm，此时，理论上的有效数值孔径最大值约为3，聚焦光斑最小的半极大全宽度直径约为λ/6，对于λ＝0.65μm的探测光而言，电光检测系统理论上的空间分辨率将达到108nm。

Claims

1.一种超半球型电光固浸透镜，其特征在于：具有超半球结构，即是一个球体沿平行于赤道面方向去除一小部分形成的超半球，超半球底面的中心到球面顶点的距离为(1+1/n)r，其中n为超半球材料的折射率，r为超半球球体的半径；超半球材料为折射率n＞2，电光系数γ＞0.5pm/V，对探测光透明的III-V族电光材料、II-VI族电光材料或铁电体电光材料。

2.如权利要求1所述的一种超半球型电光固浸透镜，其特征在于：切除超半球的边缘部分，将超半球的下端加工成顶点为齐明点的倒圆锥或者倒棱锥结构，齐明点到球面顶点的距离为(1+1/n)r，其中n为超半球材料的折射率，r为超半球球体的半径；超半球材料为折射率n＞2，电光系数γ＞0.5pm/V，对探测光透明的III-V族电光材料、II-VI族电光材料或铁电体电光材料。

3.如权利要求1或2所述的一种超半球型电光固浸透镜，其特征在于：超半球材料为GaAs、GaP、ZnTe、β-ZnS、CdTe、ZnSe、CdSe、α-ZnS、CdS、ZnO、LiNbO₃、LiTaO₃或KNbO₃。

4.如权利要求3所述的一种超半球型电光固浸透镜，其特征在于：对于具有闪锌矿结构的GaAs、GaP、ZnTe、CdTe、ZnSe或β-ZnS电光材料选择沿(100)晶面切割，进行纵向电光调制，测量被测器件的纵向电场分量。

5.如权利要求3所述的一种超半球型电光固浸透镜，其特征在于：对于具有3m和6mm点群对称的α-ZnS、CdS、ZnO、CdSe、LiNbO₃、LiTaO₃或KNbO₃电光材料，选择沿晶体c轴切割，探测光垂直于c轴入射，进行横向电光调制，测量被测器件的横向电场分量。

6.如权利要求1或2所述的一种超半球型电光固浸透镜，其特征在于：超半球型电光固浸透镜与显微物镜搭配使用，将超半球电光固浸透镜和显微物镜调成共轴状态，显微物镜的焦距大于(n+1)r，超半球型电光固浸透镜的底面中心到显微物镜焦点的距离为(n-1/n)r。