CN108519155B - 动量空间光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动量空间光谱测量系统。该动量空间光谱测量系统至少包括下述部件：物镜、光学透镜La、光学透镜Lb、光谱探测设备，光信号依次通过所述的物镜、所述的光学透镜La、所述的光学透镜Lb后由所述的光谱探测设备接收。本发明的动量空间光谱测量系统可用于测量和表征样品在动量空间中的光学信息，如带隙性质、能带结构、色散关系等。该系统可以实现显微区域样品的光学测量，最小测量空间范围可达1微米；同时实现动量空间与频率空间的高分辨率测量，对应于频率空间的波长分辨率可低于0.05nm。该系统能够对样品的测量的空间区域进行精确选择，并可进一步用于探测样品不同位置的空间相干性信息。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域，特别涉及一种动量空间光谱测量系统。
背景技术
尽管动量空间能谱技术在材料电子领域已经得到普及，并获得了巨大的成功，但是在光学领域，动量空间能谱技术(在光学领域即动量空间光谱技术)还处于萌芽阶段。由于动量空间能谱技术可以获得材料的电子传输特性，因此对于材料研究的重要性是毋庸置疑的。2016年获得诺贝尔奖的科学研究成果就得益于该技术的应用。基于对材料特性的深入研究，人类成功发明了半导体等电子材料，并开发出集成电路技术，进而步入微电子时代，也为当下的信息技术和IoT万物互联技术的蓬勃发展奠定了坚实的基础。任何技术的发展都会遇到瓶颈，集成电路技术也不例外。近年来，随着摩尔定律趋于失效，科学家开始寻找集成电路的替代技术。在诸多替代方案中，光子技术尤其是集成光路技术成为最有希望的候选。与材料电子特性研究相同，要实现光子器件及集成光路的实用化，深入研究材料光学性质，掌握器件的全部光学模式甚至缺陷模式，是必不可少的。这离不开动量空间能谱技术。虽然光子的动量空间能谱技术的实现可以借鉴电子技术的架构，但是本质上光子与电子的相互作用机制是不同的。并且，电子领域的动量空间能谱技术在空间分辨率上对于宏观尺度的半导体材料尚显宽裕，而对于处在纳米至微米尺度的介观光子器件来说则存在诸多问题。
(1)空间分辨率问题——半导体材料等材料的电子特性研究不存在这个问题。这是由于电子的波长小于1nm(约0.1nm)。也就是说，在宏观尺度和在介观尺度研究材料的电子特性是一样的。因此，可以在宏观尺度研究材料特性，而在介观尺度直接使用。然而，这种方法在材料光子特性研究中则不成立。相比于可见光400～800nm的波长范围，介观光子器件的尺度几乎与此相同。这一尺度的器件将与光发生强烈的相互作用。也就是说，无法复制材料电子特性研究中的成功经验：将宏观研究成果延拓至介观。所以，光子器件及集成光路的性质研究只能在介观进行。例如，研究光纤传输特性的方法就无法应用于纳米线光波导(一种基于纳米线的纳米级光波导)。对于纳米线光波导，目前常用的方法是近场光学分析。这通常需要非常昂贵的设备。
(2)测量速度问题——当动量空间能谱技术应用于性质稳定的材料光子特性表征时，测量速度不会成为问题。但是，当该技术作为一个传感器监测参数变化时，过长的测量时间就会成为这个技术应用的障碍。而在生物探测，特别是基于微流控芯片的生物探测应用中，常常存在此类要求。在用于材料电子特性的动量空间能谱设备中，不同动量的能谱是通过电机带动机械转轴转动逐角度探测实现的。这种笨重而缓慢的探测技术显然无法满足生物光子探测所需。
目前阶段，对于介观尺度材料光学特性的表征仍然使用的是与电子动量空间能谱探测相同的探测臂角度转动方案。但是，随着科学研究的发展和光子产业的升级，对于能够在介观尺度精细表征材料光学特性，并且能够实时瞬态获取全部模式信息的强烈需求将促动相关检测技术的进步。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种动量空间光谱测量系统，可以通过多个光学元件实现样品实空间信息与动量空间信息之间的相互转化，利用光谱探测设备进行动量空间的光谱测量。该系统可以对微纳光子学材料进行动量空间光谱信息的探测与表征。
本发明采用如下技术方案实现上述目的：
本发明提供了一种动量空间光谱测量系统，其至少包括下述部件：物镜、光学透镜La、光学透镜Lb、光谱探测设备，物镜、光学透镜La、光学透镜Lb、光谱探测设备沿同一光轴布置，使光信号依次通过所述的物镜、所述的光学透镜La、所述的光学透镜Lb后由所述的光谱探测设备接收；
在物镜后放置光学透镜La，在光学透镜La后放置光学透镜Lb，使物镜的后焦平面光学透镜Lb后第一次成像，形成后焦平面第一次成像面M1；将光谱探测设备的入光口放置于所述的光学透镜Lb后的后焦平面第一次成像面M1处；光学透镜La与物镜的后焦平面M0的距离D1满足以下条件：
0≤D1≤2fLa
光学透镜Lb与光学透镜La的距离Dab满足以下条件：
fLa＜Dab≤2fLb+fLa
其中，fLa表示光学透镜La的焦距；fLb表示光学透镜Lb的焦距。
本发明中，光谱探测设备用于接收光信号，由分光元件和光电探测设备组成。分光元件对光信号沿波长展开，光电探测设备获取单一波长或多个波长的光强信息。在光谱探测设备中可以使用单点光电探测设备，通过扫描的形式，获取多波长光谱；也使用阵列光电探测设备，实现焦平面的成像或者光谱的采集。
本发明中，物镜是光从样品到像平面的过程中经过的第一个光学元件，用于收集来自样品的光信号。物镜具有多种类型，可以只由一个透镜或反射镜组成，也可以是多个透镜或多个反射镜的组合。不同的物镜的光学性质不同，包括了放大倍率、数值孔径、工作距离、工作波段等参数，在不同的测量需求中可以根据实际情况选择。本发明对物镜没有特别的要求。
较佳的，物镜、光学透镜La、光学透镜Lb沿同一光轴依次设置。
较佳的，D1＝fLa。
较佳的，Dab＝fLa+fLb。
本发明的动量空间光谱测量系统还可以做进一步的优化，实现更加多样化的功能。
较佳的，在光学透镜Lb与成像光谱仪之间依次加入光学透镜Lc0、光学透镜Ld0，使来自样品的光通过物镜后依次通过光学透镜La、光学透镜Lb、光学透镜Lc0和光学透镜Ld0，最终由光谱探测设备探测接收。
物镜的后焦平面在光学透镜Ld0后第二次成像，形成后焦平面第二次成像面M2；将光谱探测设备的入光口放置于所述光学透镜Ld0后的后焦平面第二次成像面M2处。
透镜Lc0与后焦平面第一次成像面M1的距离D2满足以下条件：
0≤D2≤2fLc0
透镜Ld0与透镜Lc0的距离Dcd0满足以下条件：
fLc0＜Dcd0≤2fLd0+fLc0
fLc0表示透镜Lc0的焦距，fLd0表示透镜Ld0的焦距。
较佳的，D2＝fLc0。
较佳的，Dcd0＝fLc0+fLd0。
除了物镜的后焦平面M0及其第一次成像面M1和第二次成像面M2，在透镜La与透镜Lb之间、透镜Lc0与透镜Ld0之间，会各自形成一个样品面成像面。这两个样品面成像面包含了样品实空间的信息，分别称为样品面第一次成像面S1和样品面第二次成像面S2。在这两个样品面成像面的位置放置不同的用途的光学元件可以实现更多功能的拓展。例如，放置光阑可以更加精确地控制样品的测量范围，放置双缝可以得到样品的空间相干性信息等等。
较佳的，在样品面第一次成像面S1或样品面第二次成像面S2放置光阑或双缝。
实际上，还可以在光学透镜Ld0与光谱探测设备之间重复放置多对透镜组，以实现更多的功能。较佳的，沿光轴依次放置n对光学透镜Lc(n)和光学透镜Ld(n)，n为自然数。物镜的后焦平面在光学透镜Ld(n)后第n+2次成像，以用于形成后焦平面第n+2次成像面M(n+2)；将光谱探测设备的入光口放置于所述光学透镜Ld(n)后的后焦平面第n+2次成像面M(n+2)处。
光学透镜Lc(n)与后焦平面第n+1次成像面M(n+1)的距离D(n+2)满足以下条件：
0≤D(n+2)≤2fLc(n)
光学透镜Lc(n)和光学透镜Ld(n)的距离Dcd(n)满足以下条件：
fLc(n)＜Dcd(n)≤2fLd(n)+fLc(n)
fLc(n)表示光学透镜Lc(n)的焦距，fLd(n)表示光学透镜Ld(n)的焦距。
本发明取得的积极进步效果：本发明的动量空间光谱测量系统可用于测量和表征微纳光子学材料在动量空间中的光学信息，如带隙性质、能带结构、色散关系等。该系统可以实现显微区域样品的光学测量，最小测量范围可达1微米；还可以实现动量空间与频率空间的高分辨率测量，对应于频率空间的波长分辨率可低于0.05nm(FWHM)。动量空间光谱测量系统能够对样品的测量区域进行精确选择，并可进一步用于探测样品不同位置的空间相干性信息。
附图说明
图1为本发明的一实施例的动量空间光谱测量系统的结构示意图；其中，①为物镜，②为光学透镜La，③为光学透镜Lb，④为光谱仪，I为样品，II为物镜的后焦平面，III为样品面第一次成像面，IV为后焦平面第一次成像面，D1为光学透镜La与物镜的后焦平面的距离，Dab为光学透镜Lb与光学透镜La的距离。
图2为采用动量空间光谱测量系统测量光子晶体薄膜上的发光材料在动量空间的发光光谱信息结果。
图3为采用动量空间光谱测量系统测量微纳光子学材料的光子能带信息的结果图。
图4为本发明的一实施例的动量空间光谱测量系统的结构示意图，其中，①为物镜，②为光学透镜La，③为光学透镜Lb，④为光谱仪，⑤为光学透镜Lc0，⑥为光学透镜Ld0，I为样品，II为物镜的后焦平面，III为样品面第一次成像面，IV为后焦平面第一次成像面，V为样品面第二次成像面，VI为后焦平面第二次成像面，D1为光学透镜La与物镜的后焦平面的距离，Dab为光学透镜Lb与光学透镜La的距离，D2为光学透镜Lc0与后焦平面第一次成像面的距离，Dcd0为光学透镜Ld0与光学透镜Lc0的距离。
具体实施方式
下面结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
表一
光子晶体薄膜上的发光材料在一定波长的激光的激发下，可以发光。本发明的动量空间光谱测量系统可以测量该样品发射光在动量空间的光谱分布。图2展示了不同动量空间位置样品发光的光频信息测量结果。
测量的样品区域直径约10μm，测量的波长分辨率约0.4nm。该系统可以根据实际需求在测试中选择不同的测量区域大小。
实施例2
表二
在金属平面上覆盖周期性的介质结构，可以激发金属表面的表面等离子体激元。本发明的动量空间光谱测量系统可以测量该样品的全动量空间的能带结构信息。图3展示了其中两个个特征方向(Γ-M方向、Γ-X方向、X-M方向)的结果。
测量的样品区域直径约20μm，测量的波长分辨率约0.4nm。该系统可以根据实际需求在测试中选择不同的波长分辨率。X-M方向的结果是在较低动量空间分辨率的情况下测量的结果，Γ-M方向和Γ-X方向的结果则是在较高动量空间分辨率的情况下测量的结果。
实施例3
表三
显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统、方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (13)
1.一种动量空间光谱测量系统，用于对微纳光子学材料进行动量空间光谱信息的探测与表征，其特征在于，至少包括下述部件：物镜、光学透镜La、光学透镜Lb、光谱探测设备，物镜、光学透镜La、光学透镜Lb、光谱探测设备沿同一直线光轴布置，使光信号依次通过所述的物镜、所述的光学透镜La、所述的光学透镜Lb后由所述的光谱探测设备接收；
在物镜后放置光学透镜La，在光学透镜La后放置光学透镜Lb，使物镜的后焦平面在光学透镜Lb后第一次成像，形成后焦平面第一次成像面M1，样品面在光学透镜La与光学透镜Lb之间第一次成像，形成样品面第一次成像面S1；将光谱探测设备的入光口放置于所述的光学透镜Lb后的后焦平面第一次成像面M1处；光学透镜La与物镜的后焦平面M0的距离D1满足以下条件：
0≤D1≤2fLa
光学透镜Lb与光学透镜La的距离Dab满足以下条件：
fLa＜Dab≤2fLb+fLa
其中，fLa表示光学透镜La的焦距；fLb表示光学透镜Lb的焦距。
2.如权利要求1所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，所述的光谱探测设备由分光元件与光电探测设备组成；分光元件对光信号沿波长展开，光电探测设备获取单一波长或多个波长的光强信息；和/或，所述的物镜由一个透镜或反射镜组成，或者是多个透镜或多个反射镜的组合。
3.如权利要求1所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，光谱探测设备中使用单点光电探测设备，通过扫描的形式获取多波长光谱；
或，光谱探测设备中使用阵列光电探测设备，实现焦平面的成像或者光谱的采集。
4.如权利要求1所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，D1＝fLa；和/或，Dab＝fLa+fLb；
和/或，在光谱探测设备前加入偏振元件，实现光学偏振性质的测量；
和/或，在光谱探测设备前加入滤光元件；
和/或，在样品面第一次成像面S1处放置光阑元件进行修饰。
5.如权利要求1所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，在光学透镜Lb与光谱探测设备之间沿光轴依次加入光学透镜Lc0、光学透镜Ld0，来自样品的光通过物镜后依次通过所述的光学透镜La、光学透镜Lb、光学透镜Lc0和光学透镜Ld0后由光谱探测设备接收。
6.如权利要求5所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，物镜的后焦平面在光学透镜Ld0后第二次成像，形成后焦平面第二次成像面M2；将光谱探测设备的入光口放置于所述光学透镜Ld0后的后焦平面第二次成像面M2处。
7.如权利要求5所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，光学透镜Lc0与后焦平面第一次成像面M1的距离D2满足以下条件：
0≤D2≤2fLc0
光学透镜Ld0与光学透镜Lc0的距离Dcd0满足以下条件：
fLc0＜Dcd0≤2fLd0+fLc0
fLc0表示光学透镜Lc0的焦距，fLd0表示光学透镜Ld0的焦距。
8.如权利要求7所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，D2＝fLc0；和/或，Dcd0＝fLc0+fLd0。
9.如权利要求5所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，样品面在光学透镜Lc0与光学透镜Ld0之间第二次成像，形成样品面第二次成像面S2；在样品面第二次成像面S2放置光阑元件进行修饰。
10.如权利要求9所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，在样品面第一次成像面S1或样品面第二次成像面S2放置双缝，实现样品不同位置的空间相干性信息的测量，样品面第一次成像面S1是经由样品面在光学透镜La与光学透镜Lb之间第一次成像而形成的。
11.如权利要求5所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，在光学透镜Ld0与光谱探测设备之间沿光轴依次放置n对光学透镜Lc(n)和光学透镜Ld(n)，n为自然数。
12.如权利要求11所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，物镜的后焦平面在光学透镜Ld(n)后第n+2次成像，形成后焦平面第n+2次成像面M(n+2)；将光谱探测设备的入光口放置于所述光学透镜Ld(n)后的后焦平面第n+2次成像面M(n+2)处。
13.如权利要求11所述的动量空间光谱测量系统，其特征在于，光学透镜Lc(n)与后焦平面第n+1次成像面M(n+1)的距离D(n+2)满足以下条件：
0≤D(n+2)≤2fLc(n)
光学透镜Lc(n)和光学透镜Ld(n)的距离Dcd(n)满足以下条件：
fLc(n)＜Dcd(n)≤2fLd(n)+fLc(n)
fLc(n)表示光学透镜Lc(n)的焦距，fLd(n)表示光学透镜Ld(n)的焦距。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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