CN1782695B - 反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置 - Google Patents
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Abstract
反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置，由激光器(1)、反射镜(2)、聚焦准直系统(3)、偏振器(4)、反射镜(5)、反射镜(13)、探测光纤(10)、光功率计(9)、计算机(8)及样品台(7)组成，激光器(1)发出的激光依次经过第一反射镜(2)反射、聚焦准直系统(3)聚焦准直，并经偏振器(4)检偏后形成一束均匀的平面波，再被第二反射镜(5)和第三反射镜(13)反射后，该平面波(12)倾斜入射到被测样品(6)表面上，探测光纤(10)直接靠近样品表面探测，探测的反射光谱信号(11)进入光功率计(9)测试后转换成电信号，输入计算机(8)进行处理得到带隙结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置，属于微纳结构的光学性质测量技术领域。
背景技术
微纳结构是指结构单元在微米或者纳米量级的微细结构。由于周期性的微纳结构具有类似于半导体能带的光子能带，可以控制光子的局域和传输，所以在诸多科研技术领域，如光通信、光存储、光发射、光子计算机等都有广泛的用途，是21世纪的重要信息功能材料。周期性微纳结构的带隙特性直接决定着其可以实现的功能，所以带隙结构的准确测定就显得尤为重要。目前的测定方法主要是采用透射法，即让激光束通过光纤引导后水平地入射到水平放置的样品上，在样品的另一侧测量激光束的透射谱，从而获得待测样品的带隙特性。然而，由于样品的厚度很薄，一般为几十微米，而从光纤出射的激光直径一般都在数百微米，很难实现入射光束和微结构的精密对准，部分入射光损失，从而导致耦合效率低下，直接影响到测量结果的准确性。虽然目前已经有人提出采用在微结构的前端添加微型锲形波导结构来提高耦合效率，但效果仍然很不理想。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：克服上述带隙特性测量方法的不足，提供一种通过测量微结构的反射谱来确定带隙结构，不需要考虑精密对准和耦合效率问题，大大降低技术难度的反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置。
本发明的技术解决方案是：反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置，其特点在于：它由激光器、第一反射镜、聚焦准直系统、偏振器、第二反射镜、第三反射镜、探测光纤、光功率计、样品台以及计算机组成。所述的激光器为连续可调谐宽谱激光器。激光器发出的激光依次经过第一反射镜反射、聚焦准直系统聚焦准直，并经偏振器检偏后形成一束均匀的平面波，再被第二反射镜和第三反射镜反射后，该平面波倾斜入射到水平放置在样品台上的被测样品表面上，探测光纤直接靠近样品表面探测，探测的反射光谱信号进入光功率计测试。当入射波长λ在样品表面内的波矢
与样品上周期图形的倒格矢相匹配时就会激发一个导波模式，使得光能量沿样品表面传播，从而导致反射谱能量急剧减少，出现导波异常，当入射波长λ在样品表面内的波矢与样品上周期图形的倒格矢不相匹配时，反射谱不出现异常，为正常反射谱。光功率计检测反射谱信号，转换成电信号后输入计算机，计算机输出反射谱波形，经人工判读导波异常点(λeff，T)并记录好等待处理，改变入射波长和入射角度，重复测量反射谱并记录导波异常点(λeff，T)，将所有的导波异常点输入计算机绘制出反射率T随等效波长λeff的变化图，此即带隙结构图。
所述的第三反射镜可以上下移动，并且可以绕O2轴转动，初始角度与水平面夹角22°，转动幅度为±15°角的范围内，每次转动角度小于1°，从而控制样品面上的入射角θ在14°～74°之间。
所述的探测光纤与样品表面间没有滤波或者偏振装置，直接靠近样品表面探测反射光谱并送至光功率计，且探测光纤可绕被测区域O1并垂直纸面的轴转动进行多次测量，转动范围为10°～80°，每次转动角度小于5°。
本发明与现有带隙测量装置相比有如下优点：
1.由于是测量反射谱，不需要考虑复杂的精密对准和耦合效率问题，大大降低了技术的实现难度。
2.不需要在样品和探测光纤间添加偏振或滤波装置，使系统大大简化。
3.只有当入射光的频率与微结构的导波模式匹配时，才会使反射光的能量损失一部分，所以反射光的能量较高，有利于提高探测精度。
4.测试时只需调节一片反射镜和探测光纤，操作方便易行。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明实施例中样品的结构和空间方位角示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由激光器1、第一反射镜2、聚焦准直系统3、偏振器4、第二反射镜5、第三反射镜13、探测光纤10、光功率计9、样品台7以及计算机8组成，第一反射镜2和第二反射镜5为与光束成45°放置，第三反射镜13初始角度与水平面夹角22°，聚焦准直系统3和偏振器4放置在第一反射镜2后，并在第二反射镜5之前，被测样品6放于样品台7上。由激光器1发出的激光束以45°角射向反射镜2，经过反射镜2反射后、激光束通过聚焦准直系统3聚焦准直，经聚焦准直后的激光束形成一束均匀的平面波，再经偏振器4检偏，再被反射镜5和反射镜13反射，该平面波12再以44°角倾斜入射到被水平放置在样品台7上的被测样品6的上表面上，反射镜13可以上下移动，并且可以绕垂直纸面的O2轴转动，初始角度与水平面夹角22°，转动幅度为±15°角的范围内，每次转动角度小于1°，使平面波12在±30°角的范围内转动，从而控制样品面上的入射角θ在14°～74°之间。聚焦准直系统3、偏振器4、反射镜2、反射镜5和反射镜13均为对应于入射波段的常规标准件。光功率计9为测量动态范围小于0.01db、敏感波段与入射波段相匹配的光功率计。探测光纤10与样品表面间没有放置滤波器或者偏振装置，直接靠近样品6的上表面探测反射光谱11，探测光纤10可绕垂直纸面的轴O1转动进行多次测量，转动范围为10°～80°，每次转动角度小于5°。由探测光纤10接收的反射光谱11，经光功率计9接收放大转换成电信号，然后电信号被输入到计算机8。
如图2所示，本发明实施例中样品的结构和空间方位角示意图。样品6水平放置于样品台7上，入射平面波12倾斜入射到水平放置的被测样品6的上表面上，入射角为θ，并反射出反射光谱11，其反射角为θ′。被测样品6是厚度在微米或毫米量级的薄片，上面刻蚀有周期性的图形，图形的周期Λ为微米或纳米量级。连续宽谱激光器1的中心波长λ0与样品6上的图形周期Λ相当，谱宽为
假设入射平面波12的波矢为K，根据图2中的坐标关系可知：
为探测和计算方便，入射光方位角a′通常选为0°，此时即
当KP与样品上周期图形的倒格矢相匹配时就会激发一个导波模式，使得光能量沿样品表面传播，从而导致反射谱能量急剧减少，出现导波异常。当KP与样品上周期图形的倒格矢不相匹配时，反射谱不出现异常。光功率计9检测反射谱信号，转换成电信号后输入计算机8，计算机8显示出反射谱波形，经人工判读导波异常点(λeff，T)并记录好等待处理。由于反射镜13每次转动角度小于1°，所以可近似认为此时KP为连续变化，变化范围为(3.25～12.13)/λ0 2，通过旋转样品台7，可以改变光波的入射方向与样品6的相对角度a′，从而测定出样品6的全向带隙结构。如果样品6上的图形具有高度对称性，比如正方形排列、三角形排列等，此时只需测定如图2中所示的Γ-M、Γ-X以及M-X三个方向即可。探测光纤10直接靠近样品6表面探测反射光谱11，为了保证探测精度，需在垂直于样品6表面的平面内转动探测光纤10可多次重复测量，重复次数3次以上，转动幅度为10°～80°，每次转动角度小于5°，改变入射波长和入射角度，重复测量反射谱11并记录导波异常点(λeff，T)。将所有的导波异常点输入计算机绘制出反射率T随等效波长λeff的变化曲线，此即带隙结构图。
Claims (5)
1.反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置，其特征在于：它由激光器(1)、第一反射镜(2)、聚焦准直系统(3)、偏振器(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(13)、探测光纤(10)、光功率计(9)、样品台(7)以及计算机(8)组成，激光器(1)发出的激光依次经过第一反射镜(2)反射、聚焦准直系统(3)聚焦准直，并经偏振器(4)检偏后形成一束均匀的平面波，再被第二反射镜(5)和第三反射镜(13)反射后，该平面波(12)倾斜入射到水平放置在样品台(7)上的被测样品(6)表面上，探测光纤(10)直接靠近样品表面探测，探测的反射光谱信号(11)进入光功率计(9)测试，当入射波长λ在样品表面内的波矢与样品(6)上周期图形的倒格矢相匹配时就会激发一个导波模式，使得光能量沿样品表面传播，从而导致反射谱能量急剧减少，出现导波异常，当入射波长λ在样品表面内的波矢
与样品(6)上周期图形的倒格矢不相匹配时，反射谱(11)不出现异常，为正常反射谱，光功率计(9)检测反射谱信号，转换成电信号后输入计算机(8)，计算机输出反射谱波形，经人工判读导波异常点(λeff，T)并记录好等待处理，改变入射波长和入射角度，重复测量反射谱并记录导波异常点(λeff，T)，将所有的导波异常点输入计算机(8)绘制出反射率T随等效波长λeff的变化图，此即带隙结构图，其中θ为入射角。
2.根据权利要求1所述的反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置，其特征在于：所述的第三反射镜(13)可以上下移动，并且可以绕o2轴转动，初始角度与水平面夹角22°，转动幅度为±15°角的范围内，每次转动角度小于1°，从而控制样品面上的入射角θ在14°～74°之间。
3.根据权利要求1所述的反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置，其特征在于：所述的探测光纤(10)与样品表面间没有滤波或者偏振装置，直接靠近样品表面探测反射光谱并送至光功率计(9)。
4.根据权利要求1所述的反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置，其特征在于：所述的探测光纤(10)可绕垂直纸面的轴o1转动进行多次测量，转动范围为10°～80°，每次转动角度小于5°。
5.根据权利要求1所述的反射式周期性微纳结构的带隙特性测量装置，其特征在于：所述的激光器(1)为连续可调谐宽谱激光器。
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