專利名稱：反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置，屬于微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微納結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)單元在微米或者納米量級(jí)的微細(xì)結(jié)構(gòu)。由于周期性的微納結(jié)構(gòu)具有類似于半導(dǎo)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(shù)領(lǐng)域，如光通信、光存儲(chǔ)、光發(fā)射、光子計(jì)算機(jī)等都有廣泛的用途，是21世紀(jì)的重要信息功能材料。周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性直接決定著其可以實(shí)現(xiàn)的功能，所以帶隙結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確測(cè)定就顯得尤為重要。目前的測(cè)定方法主要是采用透射法，即讓激光束通過(guò)光纖引導(dǎo)后水平地入射到水平放置的樣品上，在樣品的另一側(cè)測(cè)量激光束的透射譜，從而獲得待測(cè)樣品的帶隙特性。然而，由于樣品的厚度很薄，一般為幾十微米，而從光纖出射的激光直徑一般都在數(shù)百微米，很難實(shí)現(xiàn)入射光束和微結(jié)構(gòu)的精密對(duì)準(zhǔn)，部分入射光損失，從而導(dǎo)致耦合效率低下，直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然目前已經(jīng)有人提出采用在微結(jié)構(gòu)的前端添加微型鍥形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)提高耦合效率，但效果仍然很不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述帶隙特性測(cè)量方法的不足，提供一種通過(guò)測(cè)量微結(jié)構(gòu)的反射譜來(lái)確定帶隙結(jié)構(gòu)，不需要考慮精密對(duì)準(zhǔn)和耦合效率問(wèn)題，大大降低技術(shù)難度的反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置，其特點(diǎn)在于它由激光器、第一反射鏡、聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)、偏振器、第二反射鏡、第三反射鏡、探測(cè)光纖、光功率計(jì)、樣品臺(tái)以及計(jì)算機(jī)組成。所述的激光器為連續(xù)可調(diào)諧寬譜激光器。激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡反射、聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)聚焦準(zhǔn)直，并經(jīng)偏振器檢偏后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后，該平面波傾斜入射到水平放置在樣品臺(tái)上的被測(cè)樣品表面上，探測(cè)光纖直接靠近樣品表面探測(cè)，探測(cè)的反射光譜信號(hào)進(jìn)入光功率計(jì)測(cè)試。當(dāng)入射波長(zhǎng)λ在樣品表面內(nèi)的波矢K=2π/λeff=2πλsinθ]]>與樣品上周期圖形的倒格矢相匹配時(shí)就會(huì)激發(fā)一個(gè)導(dǎo)波模式，使得光能量沿樣品表面?zhèn)鞑?，從而?dǎo)致反射譜能量急劇減少，出現(xiàn)導(dǎo)波異常，當(dāng)入射波長(zhǎng)λ在樣品表面內(nèi)的波矢K=2π/λeff=2πλsinθ]]>與樣品上周期圖形的倒格矢不相匹配時(shí)，反射譜不出現(xiàn)異常，為正常反射譜。光功率計(jì)檢測(cè)反射譜信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)輸出反射譜波形，經(jīng)人工判讀導(dǎo)波異常點(diǎn)(λeff，T)并記錄好等待處理，改變?nèi)肷洳ㄩL(zhǎng)和入射角度，重復(fù)測(cè)量反射譜并記錄導(dǎo)波異常點(diǎn)(λeff，T)，將所有的導(dǎo)波異常點(diǎn)輸入計(jì)算機(jī)繪制出反射率T隨等效波長(zhǎng)λeff的變化圖，此即帶隙結(jié)構(gòu)圖。
所述的第三反射鏡可以上下移動(dòng)，并且可以繞o2軸轉(zhuǎn)動(dòng)，初始角度與水平面夾角22°，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±15°角的范圍內(nèi)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于1°，從而控制樣品面上的入射角θ在14°～74°之間。
所述的探測(cè)光纖與樣品表面間沒(méi)有濾波或者偏振裝置，直接靠近樣品表面探測(cè)反射光譜并送至光功率計(jì)，且探測(cè)光纖可繞被測(cè)區(qū)域o1并垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行多次測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為10°～80°，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于5°。
本發(fā)明與現(xiàn)有帶隙測(cè)量裝置相比有如下優(yōu)點(diǎn)1.由于是測(cè)量反射譜，不需要考慮復(fù)雜的精密對(duì)準(zhǔn)和耦合效率問(wèn)題，大大降低了技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度。
2.不需要在樣品和探測(cè)光纖間添加偏振或?yàn)V波裝置，使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。
3.只有當(dāng)入射光的頻率與微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波模式匹配時(shí)，才會(huì)使反射光的能量損失一部分，所以反射光的能量較高，有利于提高探測(cè)精度。
4.測(cè)試時(shí)只需調(diào)節(jié)一片反射鏡和探測(cè)光纖，操作方便易行。


圖1為本發(fā)明的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中樣品的結(jié)構(gòu)和空間方位角示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由激光器1、第一反射鏡2、聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)3、偏振器4、第二反射鏡5、第三反射鏡13、探測(cè)光纖10、光功率計(jì)9、樣品臺(tái)7以及計(jì)算機(jī)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(zhǔn)直系統(tǒng)3和偏振器4放置在第一反射鏡2后，并在第二反射鏡5之前，被測(cè)樣品6放于樣品臺(tái)7上。由激光器1發(fā)出的激光束以45°角射向反射鏡2，經(jīng)過(guò)反射鏡2反射后、激光束通過(guò)聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)3聚焦準(zhǔn)直，經(jīng)聚焦準(zhǔn)直后的激光束形成一束均勻的平面波，再經(jīng)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(tái)7上的被測(cè)樣品6的上表面上，反射鏡13可以上下移動(dòng)，并且可以繞垂直紙面的o2軸轉(zhuǎn)動(dòng)，初始角度與水平面夾角22°，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±15°角的范圍內(nèi)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于1°，使平面波12在±30°角的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制樣品面上的入射角θ在14°～74°之間。聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)3、偏振器4、反射鏡2、反射鏡5和反射鏡13均為對(duì)應(yīng)于入射波段的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)件。光功率計(jì)9為測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍小于0.01db、敏感波段與入射波段相匹配的光功率計(jì)。探測(cè)光纖10與樣品表面間沒(méi)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(cè)反射光譜11，探測(cè)光纖10可繞垂直紙面的軸o1轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行多次測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為10°～80°，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于5°。由探測(cè)光纖10接收的反射光譜11，經(jīng)光功率計(jì)9接收放大轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后電信號(hào)被輸入到計(jì)算機(jī)8。
如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例中樣品的結(jié)構(gòu)和空間方位角示意圖。樣品6水平放置于樣品臺(tái)7上，入射平面波12傾斜入射到水平放置的被測(cè)樣品6的上表面上，入射角為θ，并反射出反射光譜11，其反射角為θ′。被測(cè)樣品6是厚度在微米或毫米量級(jí)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(jí)。連續(xù)寬譜激光器1的中心波長(zhǎng)λ0與樣品6上的圖形周期Λ相當(dāng)，譜寬為Δf=2c/λ02]]>假設(shè)入射平面波12的波矢為K，根據(jù)圖2中的坐標(biāo)關(guān)系可知 為探測(cè)和計(jì)算方便，入射光方位角α′通常選為0°，此時(shí) 即KP=2πλsinθ·]]>當(dāng)KP與樣品上周期圖形的倒格矢相匹配時(shí)就會(huì)激發(fā)一個(gè)導(dǎo)波模式，使得光能量沿樣品表面?zhèn)鞑?，從而?dǎo)致反射譜能量急劇減少，出現(xiàn)導(dǎo)波異常。當(dāng)KP與樣品上周期圖形的倒格矢不相匹配時(shí)，反射譜不出現(xiàn)異常。光功率計(jì)9檢測(cè)反射譜信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8顯示出反射譜波形，經(jīng)人工判讀導(dǎo)波異常點(diǎn)(λeff，T)并記錄好等待處理。由于反射鏡13每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于1°，所以可近似認(rèn)為此時(shí)KP為連續(xù)變化，變化范圍為(3.25～12.13)/λ02，通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)7，可以改變光波的入射方向與樣品6的相對(duì)角度α′，從而測(cè)定出樣品6的全向帶隙結(jié)構(gòu)。如果樣品6上的圖形具有高度對(duì)稱性，比如正方形排列、三角形排列等，此時(shí)只需測(cè)定如圖2中所示的Γ-M、Γ-X以及M-X三個(gè)方向即可。探測(cè)光纖10直接靠近樣品6表面探測(cè)反射光譜11，為了保證探測(cè)精度，需在垂直于樣品6表面的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)光纖10可多次重復(fù)測(cè)量，重復(fù)次數(shù)3次以上，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為10°～80°，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于5°，改變?nèi)肷洳ㄩL(zhǎng)和入射角度，重復(fù)測(cè)量反射譜11并記錄導(dǎo)波異常點(diǎn)(λeff，T)。將所有的導(dǎo)波異常點(diǎn)輸入計(jì)算機(jī)繪制出反射率T隨等效波長(zhǎng)λeff的變化曲線，此即帶隙結(jié)構(gòu)圖。
權(quán)利要求
1.反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置，其特征在于它由激光器(1)、第一反射鏡(2)、聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)、偏振器(4)、第二反射鏡(5)、第三反射鏡(13)、探測(cè)光纖(10)、光功率計(jì)(9)、樣品臺(tái)(7)以及計(jì)算機(jī)(8)組成，激光器(1)發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡(2)反射、聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)聚焦準(zhǔn)直，并經(jīng)偏振器(4)檢偏后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)反射后，該平面波(12)傾斜入射到水平放置在樣品臺(tái)(7)上的被測(cè)樣品(6)表面上，探測(cè)光纖(10)直接靠近樣品表面探測(cè)，探測(cè)的反射光譜信號(hào)(11)進(jìn)入光功率計(jì)(9)測(cè)試，當(dāng)入射波長(zhǎng)λ在樣品表面內(nèi)的波矢K=2π/λeff=2πλsinθ]]>與樣品(6)上周期圖形的倒格矢相匹配時(shí)就會(huì)激發(fā)一個(gè)導(dǎo)波模式，使得光能量沿樣品表面?zhèn)鞑?，從而?dǎo)致反射譜能量急劇減少，出現(xiàn)導(dǎo)波異常，當(dāng)入射波長(zhǎng)λ在樣品表面內(nèi)的波矢K=2π/λeff=2πλsinθ]]>與樣品(6)上周期圖形的倒格矢不相匹配時(shí)，反射譜(11)不出現(xiàn)異常，為正常反射譜，光功率計(jì)(9)檢測(cè)反射譜信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)(8)，計(jì)算機(jī)輸出反射譜波形，經(jīng)人工判讀導(dǎo)波異常點(diǎn)(λeff，T)并記錄好等待處理，改變?nèi)肷洳ㄩL(zhǎng)和入射角度，重復(fù)測(cè)量反射譜并記錄導(dǎo)波異常點(diǎn)(λeff，T)。將所有的導(dǎo)波異常點(diǎn)輸入計(jì)算機(jī)(8)繪制出反射率T隨等效波長(zhǎng)λeff的變化圖，此即帶隙結(jié)構(gòu)圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置，其特征在于所述的第三反射鏡(13)可以上下移動(dòng)，并且可以繞O2軸轉(zhuǎn)動(dòng)，初始角度與水平面夾角22°，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±15°角的范圍內(nèi)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于1°，從而控制樣品面上的入射角θ在14°～74°之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置，其特征在于所述的探測(cè)光纖(10)與樣品表面間沒(méi)有濾波或者偏振裝置，直接靠近樣品表面探測(cè)反射光譜并送至光功率計(jì)(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置，其特征在于所述的探測(cè)光纖(10)可繞垂直紙面的軸O1轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行多次測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為10°～80°，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于5°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置，其特征在于所述的激光器(1)為連續(xù)可調(diào)諧寬譜激光器。
全文摘要
反射式周期性微納結(jié)構(gòu)的帶隙特性測(cè)量裝置由激光器(1)、反射鏡(2)、聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)、偏振器(4)、反射鏡(5)、反射鏡(13)、探測(cè)光纖(10)、光功率計(jì)(9)、計(jì)算機(jī)(8)及樣品臺(tái)(7)組成，激光器(1)發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡(2)反射、聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)聚焦準(zhǔn)直，并經(jīng)偏振器(4)檢偏后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)反射后，該平面波(12)傾斜入射到被測(cè)樣品(6)表面上，探測(cè)光纖(10)直接靠近樣品表面探測(cè)，探測(cè)的反射光譜信號(hào)(11)進(jìn)入光功率計(jì)(9)測(cè)試后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)(8)進(jìn)行處理得到帶隙結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)探測(cè)反射光譜而不是透射光譜來(lái)獲得周期性微結(jié)構(gòu)的帶隙特性，具有技術(shù)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、操作方便、精度高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/25GK1782695SQ200410009920
公開(kāi)日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2004年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月2日
發(fā)明者石建平, 羅先剛, 陳旭南, 李海穎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所