CN105158207B - 一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法，属于光学测量技术领域。其中测量仪器包括线性相干光源、起偏装置、缩束装置、扩束装置、检偏装置、光强检测器以及数据处理计算机。在加工时，透明材料被加工区域的材料晶格结构及密度会发生变化。因而加工影响区域的光学性质(如折射率)会发生改变。通过测量微孔孔壁附近材料折射率的改变，可以得知重铸层的厚度和折射率变化。本发明所提及的透明材料上微孔重铸层测量方法在微孔加工领域研究、微孔加工工艺改进和微孔应用研究等方面都有广泛应用。本发明可以实现对透明材料上微孔重铸层进行精确测量。

Description

一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法，属于光学测量技术领域。
背景技术
宽禁带透明材料具有诸多优良的物理化学性能，如有较高的透光性，良好的化学稳定性，较高的硬度，优异的绝缘性能等。而微孔则是诸多微器件(如三维微纳光学器件，微流体器件，高灵敏度传感器件等)的主要结构之一，其质量对微器件性能具有重要影响。通常微孔加工方法有超快激光技术、聚焦电子束加工、聚焦离子束加工等。
不论是研究微孔加工工艺还是研究含有微孔结构的器件，为了获得满足符合质量要求的微孔，就必须对微孔相关结构尺寸做详细测量。通常，针对微孔结构的传统检测手段主要包括通过光学显微镜及扫描电子显微镜观察来测量微孔的几何形貌(包括微孔长度，直径，入口的圆度等)，以及将微孔抛开后通过扫描电子显微镜观察微孔内壁情况。
但是由于超快激光、聚焦电子束以和聚焦离子束这三者在加工时都会产生一定的热效应和冲击应力，从而在加工孔的孔壁附近产生一定厚度的由于材料晶格畸变及密度变化造成的重铸层，如图1所示，由于重铸层将影响微孔结构的实际使用性能，因而重铸层的相关性质(厚度、密度、折射率等)是微孔质量的主要指标之一。
由于微孔的尺寸极小(通常在几百纳米到十几微米之间)，因而很难直接测量其外围重铸层。在加工过程中，由于热效应和冲击应力等的影响，微孔孔壁附近区域材料的密度、晶格结构、光学性质等将会发生变化，因而可以通过对其附近区域诸如硬度、折射率、反射率等参数的变化来确定微孔周围重铸层的厚度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术仅通过测量几何形貌、内壁情况无法得出重铸层的厚度，进而无法精确测量微孔质量的问题，提供一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法，该方法能够精确测得重铸层的厚度和折射率。
一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置，包括光源，起偏器，缩束系统，机械转台，扩束系统，检偏器，光强检测器；
测量时由光源产生的光经过起偏器来控制其偏振方式，再经过缩束系统将光的直径缩小到小于样品光栅区域的尺寸，经过缩束后的光照射样品，之后零级衍射光经过扩束系统及检偏器后到达强探测器，最终由光强探测器检测光的强度；样品放置在机械转台上；
一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量方法，具体步骤如下：
步骤一、样品制备；
制备两份完全相同的待加工样品；一份作为测试样品，一份作为参考样品；
所述样品为长方体，且长度和高度需大于检测光的直径，其中长宽高分别记为L1，Lw，Lh，其前后表面为L1与Lh所成的平面，上下表面为L1与Lw所成的平面，左右表面为Lh与Lw所成的平面；样品厚度需大于加工微孔直径的3倍；样品前后表面及上表面需要做抛光处理；
沿测试样品上表面L1方向在中心线处加工一连串等间距的微孔；所述微孔加工参数相同；所述微孔与样品上表面垂直；
步骤二、对微孔结构的几何尺寸进行测量，所述测量尺寸包括微孔直径d、微孔间距D及微孔长度l；
步骤三、对测试样品光学性质进行测量；将测试样品固定放置于机械转台上，测试样品前表面需要与检测光垂直；从上表面看，测试样品上微孔阵列中心与机械转台中心重合；从前表面看，光束需照射在微孔阵列区域的中心位置；
确定初始的检测光强值与偏振值，所述检测光强值与偏振值可以为任意值；调整缩束系统使光束直径小于微孔的长度l，使得光束完全通过样品中的微孔阵列；然后调节扩束系统、检偏器与光强检测器，使得样品零级衍射光被垂直射入光强检测器；
转动机械转台，使得测试样品与检测光所成的角度逐渐变化，光强检测器记录不同角度下的测试样品的零级衍射光强值A1；
步骤四、对参考样品光学性质进行测量；保持步骤三的检测状态不变，用参考样品替换测试样品，光强检测器记录不同角度下的参考样品的零级衍射光强值A2；
步骤五、建模计算；
通过计算步骤四所得的光强值A2与入射光强A0的差值，可以得 到光在非微孔阵列区域的能量损耗A0-A2，结合步骤三所得的光强值A1,得到微孔阵列所形成的光栅结构在不同角度下的零级衍射效率η＝1-(A2-A1)/A2；
根据步骤二中测得的样品几何参数，选定一个重铸层初始厚度m0及初始折射率N0；根据以上初始参数，使用严格耦合波理论(Rigorous coupled wave analysis,RCWA)计算不同入射角度下的透射光的理论零级衍射效率；比对理论零级衍射效率与实验测量结果η之间的差值，并据此来修正重铸层参数m0及 N0；通过遗传算法迭代搜寻最优解(mn，Nn)；得出样品微孔重铸层的厚度及折射率。
所述m0的初始值范围为0≤m0≤(D-d)/2；
所述N0的初始值为样品的折射率；
有益效果
1、本发明为一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法，通过对微孔周围折射率变化区域的精确测量，从而精确得知微孔重铸层厚度和折射率，继而可以由此来判断微孔加工的质量。
2、本发明的装置结构简单、测量方便无需复杂的流程，并且测量速度较快。
附图说明
图1为微孔重铸层示意图；
图2为测量装置结构图；
图3为微孔阵列三维图；
图4为微孔阵列俯视图；
图5为微孔阵列侧视图；
图6为计算流程。
其中，1—光源，2—起偏器，3—缩束系统，4—机械转台，5—扩束系统，6 —检偏器，7—光强检测器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
在微孔加工过程中，考虑到由于热效应，冲击应力等的影响，使得微孔周边区域材料的密度、晶格结构等的变化，这将导致微孔周边区域的光学性质发生改变。因而可以通过测量微孔周边区域折射率的变化来确定重铸层的厚度。由于单个微孔的尺寸较小，难以直接测量，因而我们提出了一种将大量微孔加工成光栅结构，然后测量光栅的光学性质(主要是测量光栅的零级衍射效率)，并通过模拟计算来确定微孔周边折射率的方法。
本发明的测量装置结构主要由光源1、起偏器2、缩束系统3、机械转台4、扩束系统5、检偏器6和光强检测器7组成，如图2所示。测量时由光源1产生的光经过起偏器2来控制其偏振方式，再经过缩束系统3将光的直径缩小到小于样品光栅区域的尺寸，经过缩束后的光照射样品，之后零级衍射光经过扩束系统5及检偏器6后到达强探测器7，最终由光强探测器7检测光的强度；其中光源1为线性相干光源，用于产生指定强度的单色光；起偏器2用来调节光源1 产生的光的偏振状态，并保证通过样品的光束为指定偏振方向的线偏振光；缩束系统3用来对光束直径进行缩小使其能够完全穿过微孔阵列平面，缩束系统的缩束比例可以通过更换透镜组调节；这三部分组合起来为检测光产生装置，用以产生具有特性参数的检测光。机械转台4主要用来承载样品并能通过旋转调节样品中微孔阵列平面与入射光的角度，机械转台的表面需平行于检测光。扩束系统5主要是对微孔阵列的零级衍射光扩束，以便于检测；检偏器6主要用于对零级衍射光进行过滤，以检测指定方向的偏振光；光强探测器用于检测经过检偏器后的光强；这三部分组合起来为样品零级衍射光的检测装置。
一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量方法，具体步骤如下：
步骤一、测量前需先准备好两份相同的待测量样品，一份为测试样品，一份为加工样品。样品需为长方体透明材料，长度和高度需大于检测光的直径，其中长宽高分别记为L1，Lw，Lh，样品厚度需大于加工微孔直径的3倍；样品前后表面及上表面需要做抛光处理；测试样品使用指定加工工艺(超快激光、聚焦离子束或聚焦电子束)在沿着上表面中心线加工一系列相互平行且间距相等的微孔结构，微孔需与上表面保持垂直。而参考样品不做任何加工。
步骤二、使用超声清洗等方法将加工残余的杂质去除之后。用光学显微镜对微孔尺寸做第一次粗略测量，然后根据微孔的尺寸范围选择几何尺寸测量方法，当微孔尺寸较大时可以使用高倍光学显微镜或共聚焦显微镜测量，当尺寸较小时可以使用扫描电子显微镜测量。测量尺寸包括微孔的直径，微孔长度及微孔间距，其中微孔间距记为D，微孔直径记为d，微孔长度记为l。
步骤三、将测试样品固定放置于机械转台4上，检测光与测试样品前表面垂直且检测光中心正好通过微孔阵列区域中心；调节缩束系统3时光束可以完全通过微孔阵列区域。调节光强使得衍射光的值在光电探测器的检测范围内，通过调节起偏振器2使偏振角度为特定值，通常可以使偏振方向与微孔方向垂直。调整缩束系统3使光束直径小于微孔的长度，使得光束完全通过样品中的微孔阵列；然后调节扩束系统5、检偏器6与光强检测器7，使得样品零级衍射光被垂直射入光强检测器7；扩束系统5扩束后的光需要能无遮挡的通过检偏振器6 并照射入光强检测器7；检偏器6的角度通常可以设为与起偏器相同。转动机械转台4，使得测试样品与检测光所成的角度逐渐变化，光强检测器7记录不同角度下的测试样品的零级衍射光强值A1。
步骤四、对参考样品光学性质进行测量；保持步骤三的检测状态不变，用参考样品替换测试样品，光强检测器7记录不同角度下的参考样品的零级衍射光强值A2；
步骤五、通过计算步骤四所得的光强值A2与入射光强A0的差值，可以得 到光在非微孔阵列区域的能量损耗A0-A2，结合步骤三所得的光强值A1,得到微孔阵列所形成的光栅结构在不同角度下的零级衍射效率η＝1-(A2-A1)/A2。根据测得的样品几何参数，选定一个重铸层初始厚度m0及初始折射率N0；根据以上初始参数，使用严格耦合波理论(Rigorouscoupled wave analysis,RCWA)计算不同入射角度下的透射光的理论零级衍射效率；比对理论零级衍射效率与实验测量结果η之间的差值，并据此来修正重铸层参数m0及N0；通过遗传算法迭代搜寻最优解(mn，Nn)；得出样品微孔重铸层的厚度及折射率。
所述m0的初始值范围为0≤m0≤(D-d)/2；
所述N0的初始值为样品的折射率。

Claims (3)

1.一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置，其特征在于：包括光源(1)，起偏器(2)，缩束系统(3)，机械转台(4)，扩束系统(5)，检偏器(6)，光强检测器(7)；
测量时由光源(1)产生的光经过起偏器(2)来控制其偏振方式，再经过缩束系统(3)将光的直径缩小到小于样品光栅区域的尺寸，经过缩束后的光照射样品，之后零级衍射光经过扩束系统(5)及检偏器(6)后到达光强检测器(7)，最终由光强检测器(7)检测光的强度；样品放置在机械转台(4)上；
所述一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量方法，具体步骤如下：
步骤一、样品制备；
制备两份完全相同的待加工样品；一份作为测试样品，一份作为参考样品；
所述样品为长方体，且长度和高度需大于检测光的直径，其中长宽高分别记为L1，Lw，Lh，其前后表面为L1与Lh所成的平面，上下表面为L1与Lw所成的平面，左右表面为Lh与Lw所成的平面；样品厚度需大于加工微孔直径的3倍；样品前后表面及上表面需要做抛光处理；
沿测试样品上表面L1方向在中心线处加工一连串等间距的微孔；所述微孔加工参数相同；所述微孔与样品上表面垂直；
步骤二、对微孔结构的几何尺寸进行测量，所述测量尺寸包括微孔直径d、微孔间距D及微孔长度l；
步骤三、对测试样品光学性质进行测量；将测试样品固定放置于机械转台上，测试样品前表面需要与检测光垂直；从上表面看，测试样品上微孔阵列中心与机械转台中心重合；从前表面看，光束需照射在微孔阵列区域的中心位置；
确定初始的检测光强值与偏振值，所述检测光强值与偏振值可以为任意值；调整缩束系统使光束直径小于微孔的长度l，使得光束完全通过样品中的微孔阵列；然后调节扩束系统、检偏器与光强检测器，使得样品零级衍射光被垂直射入光强检测器；
转动机械转台，使得测试样品与检测光所成的角度逐渐变化，光强检测器记录不同角度下的测试样品的零级衍射光强值A1；
步骤四、对参考样品光学性质进行测量；保持步骤三的检测状态不变，用参考样品替换测试样品，光强检测器(7)记录不同角度下的参考样品的零级衍射光强值A2；
步骤五、建模计算；
通过计算步骤四所得的光强值A2与入射光强A0的差值，可以得到光在非微孔阵列区域的能量损耗，结合步骤三所得的光强值A1,得到微孔阵列所形成的光栅结构在不同角度下的零级衍射效率η＝1-(A2-A1)/A2；
根据步骤二中测得的样品几何参数，选定一个重铸层初始厚度m0及初始折射率N0；根据以上初始参数，使用严格耦合波理论计算不同入射角度下的透射光的理论零级衍射效率；比对理论零级衍射效率与实验测量结果η之间的差值，并据此来修正重铸层参数m0及N0；通过遗传算法迭代搜寻最优解(mn，Nn)；得出样品微孔重铸层的厚度及折射率。
2.如权利要求1所述的一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置，其特征在于：步骤五所述m0的初始值范围为0≤m0≤(D-d)/2。
3.如权利要求1所述的一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置，其特征在于：步骤五所述N0的初始值为样品的折射率。
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