專利名稱：光束周期性橫向偏移的光路調(diào)制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在光學(xué)測(cè)量中對(duì)光束橫向偏移進(jìn)行周期性調(diào)節(jié)的光路調(diào)制方法和裝置， 該調(diào)制方法可應(yīng)用于透射、反射及光致發(fā)光等光譜測(cè)量技術(shù)中，以實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制的光譜 測(cè)量，能更靈敏地獲得凝聚態(tài)物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)信息。 技術(shù)背景在光譜測(cè)量中調(diào)制光譜技術(shù)是一種重要的光譜測(cè)量方法，它應(yīng)用電子學(xué)上鎖相放大 技術(shù)(鎖相放大器)可以有效屏蔽噪聲干擾而對(duì)弱小信號(hào)探測(cè)的原理，通過對(duì)被測(cè)樣品 施加一物理的周期性擾動(dòng)而探測(cè)樣品相應(yīng)的光譜信號(hào)的變化。存在電場(chǎng)調(diào)制、光場(chǎng)調(diào)制、 應(yīng)力調(diào)制等多禾中光譜調(diào)制方法[M. Cardona, ifot/^ati。/ 5^>ectr。sco/ /' Academic' New York, 1969]?？臻g調(diào)制光譜是利用樣品自身的空間不均勻性(如材料的組分不均勻性 或薄膜材料的層間應(yīng)變不均勻性等)產(chǎn)生對(duì)光譜信號(hào)的調(diào)制，例如微分反射譜(DR， differential reflectance)是利用入射光斑在樣品上周期性移動(dòng)形成的對(duì)反射(或透 射光譜)信號(hào)的調(diào)制[M. Gal and C. Shwe, Appl. Phys. Lett. 56， 545 (1990)]。 空 間調(diào)制光譜方法對(duì)研究半導(dǎo)體材料尤其是低維納米半導(dǎo)體材料的電子能帶結(jié)構(gòu)特別有 用[C. Shwe and M. Gal， A卯l. Phys. Lett. 57, 1910 (1990)]。目前實(shí)現(xiàn)空間調(diào) 制譜測(cè)量有兩種模式 一種是通過樣品本身的運(yùn)動(dòng)來獲得空間微分調(diào)制信號(hào)[M. Gal and C. Shwe, A卯l. Phys. Lett. 56， 545 (1990)及查訪星，黃醒良，沈?qū)W礎(chǔ)，半導(dǎo) 體學(xué)報(bào)18巻5期，329-332頁(1997)]，另一種是樣品靜止而通過光路的周期性偏移進(jìn) 行光譜調(diào)制[P, Kraisingdecha and M. Gal, Appl. Phys. Lett. 69 1355 (1996).]。 后者具有更多優(yōu)越性，因?yàn)樗c樣品非接觸，可進(jìn)行低溫測(cè)量，還可被應(yīng)用于材料生長(zhǎng) 的原位檢測(cè)。不過現(xiàn)有空間調(diào)制方法是在光路中插入一振動(dòng)反射鏡而改變光路[P. Kraisingdecha and M. Gal， Appl. Phys. Lett. 69 1355 (1996)]，使用到的振動(dòng)頻 率一般只有幾十赫茲，由于允許鎖相積分時(shí)間的限制，對(duì)于微弱信號(hào)要達(dá)到具有較好信 /噪比的探測(cè)就有困難。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種光束周期性橫向偏移的光路調(diào)制方法及裝置，可以將 光路調(diào)制周期增大到幾百赫茲以上，比傳統(tǒng)光路調(diào)制頻率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而可 有效提高光譜測(cè)量的信噪比。本發(fā)明在不需要對(duì)靜態(tài)光譜(如光吸收、光反射、光熒光 等)實(shí)驗(yàn)光路作任何調(diào)整，即直接與靜態(tài)光譜測(cè)量光路耦合，極其方便地實(shí)現(xiàn)各對(duì)應(yīng)光譜的空間調(diào)制光譜測(cè)量。例如調(diào)制盤直接置入光吸收實(shí)驗(yàn)光路，即構(gòu)成空間調(diào)制吸收 譜，置入光致發(fā)光測(cè)量中對(duì)激發(fā)光實(shí)施空間調(diào)制；等等。這種空間調(diào)制的光譜測(cè)量技術(shù) 可應(yīng)用于凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)尤其是納米結(jié)構(gòu)材料電子態(tài)的表征研究，比傳統(tǒng)光致發(fā)光、光 反射和光吸收等測(cè)量方法能大大提高光譜靈敏度和分辨率。本發(fā)明所提出光路調(diào)制方法的核心思想是當(dāng)一束平行光線斜穿過一透明的平板 介質(zhì)時(shí)，出射光線不改變傳播方向但將與入射光線有一橫向偏移Ax，如附圖一所示。 如果考慮一由幾種厚度(為簡(jiǎn)單起見可以只考慮兩種厚度)的平板介質(zhì)橫向拼接起來的 結(jié)構(gòu)，并使之產(chǎn)生空間平動(dòng)運(yùn)動(dòng)(即運(yùn)動(dòng)時(shí)平板介質(zhì)的平面法線不變)，由此造成斜穿 過平動(dòng)平面的光線將隨時(shí)間通過厚度不同的介質(zhì)，從而使得光路產(chǎn)生不同程度的橫向偏 移；當(dāng)上述平板介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間周期性變化時(shí)，即構(gòu)成對(duì)光路橫向偏移的周期性調(diào)制。 上述方法在裝置的具體實(shí)現(xiàn)上可考慮不同的構(gòu)型，如上述拼接結(jié)構(gòu)的既可采用橫向平動(dòng) 也可采用轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)型。本專利下面描述通過轉(zhuǎn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)的具體內(nèi)容。考慮由偶數(shù)個(gè)等圓心角的扇面拼合而成一環(huán)面結(jié)構(gòu)，構(gòu)成材料是對(duì)光束透明平板介 質(zhì)(如石英)，但相鄰扇環(huán)面的厚度不同，這樣構(gòu)成一個(gè)密接且厚薄交替的葉輪結(jié)構(gòu)。 該葉片結(jié)構(gòu)通過圓形轉(zhuǎn)盤與電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸固定在一起，當(dāng)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)圓形轉(zhuǎn)盤勻速 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過厚薄交替轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的光線就會(huì)產(chǎn)生周期性的橫向偏移。轉(zhuǎn)動(dòng)周期與馬達(dá)轉(zhuǎn) 速成正比，與轉(zhuǎn)動(dòng)周期同步的模擬電壓信號(hào)可以通過一定的轉(zhuǎn)換電路輸出。光線發(fā)生偏移的尺度可如下估計(jì)。按圖一所示，光線斜穿過平板介質(zhì)后的橫向偏移 為Ax，該偏移Ax與介質(zhì)板的厚度d成正比，也與入射角度e有關(guān)。例如，若轉(zhuǎn)動(dòng)盤 由厚度為5mm/2.5mm石英板材料交替構(gòu)成，利用光學(xué)折射定律不難進(jìn)行如下估算。假如 光線入射角度為3(T，材料折射率"1.5，則光線經(jīng)厚度為5咖和2.5mm透明材料出射后 光線在垂直于光傳播方向的橫向偏移分別為0. 97mm和0. 49mm，從而出射光被調(diào)制的位 移差約為0.97mm—0.49mm"0.5mm。 一般在光譜測(cè)量中通過單色儀狹縫的光束經(jīng)透鏡聚 集后不難達(dá)到上述尺寸或更小，而光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)中激發(fā)用的光斑可更小，足以保證產(chǎn)生 有效的空間調(diào)制(即滿足光斑偏移范圍^光斑本身尺寸)。 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 一種光束周期性橫向偏移的光路調(diào)制方法，其特征在于依據(jù)光線通過透明介質(zhì)發(fā) 生折射的原理，將平行光線的光束穿過由幾種厚度的透明平板介質(zhì)拼接起來的組合平 板介質(zhì)，該組合平板介質(zhì)作橫向平移運(yùn)動(dòng)，造成所述的光束斜穿過平移運(yùn)動(dòng)的組合平 板介質(zhì)時(shí)，周期性通過不同厚度的透明平板介質(zhì)，從而使該光束光路產(chǎn)生不同程度的周期性偏移，實(shí)現(xiàn)光束周期性橫向偏移和光路調(diào)制。一種光束周期性橫向偏移的光路調(diào)制裝置，適用于上述方法，包括一個(gè)圓形轉(zhuǎn)盤， 其特征在于圓形轉(zhuǎn)盤周邊周向均布固定連接周向拼接的偶數(shù)個(gè)等圓心角的扇面形透明 平板介質(zhì)，相鄰的扇面形透明平板介質(zhì)的厚度不同，構(gòu)成一個(gè)密接且厚薄交替的葉輪 結(jié)構(gòu)，該圓形轉(zhuǎn)盤的中心軸與一個(gè)馬達(dá)的輸出軸聯(lián)接。上述的圓形轉(zhuǎn)盤上有穿孔與扇面形透明平板介質(zhì)上的穿孔對(duì)準(zhǔn)，通過螺釘螺母實(shí) 現(xiàn)圓形轉(zhuǎn)盤與扇面形透明平板介質(zhì)固定連接；圓形轉(zhuǎn)盤的中心軸的中心孔與所述的馬 達(dá)輸出軸插配，并在中心軸側(cè)面的螺孔中旋入緊定螺釘使馬達(dá)輸出軸與該中心軸固定 連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā) 明具有的優(yōu)點(diǎn)是，如果改變光束對(duì)調(diào)制盤的入射角度，可以使光束橫向位移在較寬范圍 內(nèi)被調(diào)節(jié)；例如，上述構(gòu)型的調(diào)制盤，當(dāng)入射角在r 60"范圍變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的光束偏 移范圍約為0.05 1.5mm。所以光斑在樣品上的空間位移幅度具有一定的可調(diào)節(jié)性，這 樣可針對(duì)不同材料樣品選擇光束合適的空間調(diào)制范圍。在半導(dǎo)體材料的光譜特征與其能帶電子結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。但是靜態(tài)的光譜測(cè)量由 于背景雜散光等因素的影響，光譜分辨率就受到限制。如果將光路調(diào)制的方式耦合到光 譜測(cè)量中，即形成所謂空間調(diào)制光譜測(cè)量，就可以大大提高光譜靈敏度。本發(fā)明提出的 上述光路調(diào)制器，可方便地直接移植到反射光譜、吸收光譜的入射光路、光致發(fā)光光譜 與光電導(dǎo)或光伏光譜的激發(fā)光光路，構(gòu)成對(duì)應(yīng)光譜的空間調(diào)制測(cè)量，從而可望大大提高 信號(hào)靈敏度。在本專利下面的具體實(shí)施內(nèi)容中，給出了該光路調(diào)制器直接耦合到反射光 譜測(cè)量光路中形成的空間微分反射光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。其原理是光束通過透明 調(diào)制盤就產(chǎn)生橫向周期性偏移；經(jīng)樣品反射或透射的光信號(hào)被探測(cè)器接受送到鎖相放大 器；同時(shí)與調(diào)制盤同步的周期性信號(hào)作為參考信號(hào)也被送到鎖相放大器(該參考電壓信 號(hào)可以采用光電耦合的方式直接獲得。由計(jì)算機(jī)控制掃描單色儀，并記錄下對(duì)每一波長(zhǎng) 入由鎖相放大器采集的光調(diào)制信號(hào)AR(A)，就獲得了相應(yīng)的空間微分反射光譜曲線。


圖l:光線通過平板介質(zhì)產(chǎn)生橫向偏移的原理示意圖；圖2:透明調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的a)為圓形轉(zhuǎn)盤的前視圖，圖b)為圓形轉(zhuǎn)盤 的后視圖，圖c)為兩種厚度的扇面形透明平板介質(zhì)交替排列的葉輪結(jié)構(gòu)前視圖，圖d)為葉輪結(jié)構(gòu)的后視圖。圖3:本發(fā)明應(yīng)用于產(chǎn)生空間調(diào)制反射譜的光路測(cè)量示意圖。 圖4:空間調(diào)制反射譜對(duì)GaAs材料上生長(zhǎng)的GaNAs薄膜材料的測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例子結(jié)合

如下參見圖2，本光束周期性橫向偏移 的光路調(diào)制裝置具有以下幾部分構(gòu)成1)直流電動(dòng)馬達(dá)；2)可與馬達(dá)轉(zhuǎn)軸固定的鋁質(zhì) 圓形轉(zhuǎn)盤l，其前視和側(cè)后視圖分別如附圖2中的a和b所示，其中心的中空軸2供套 合在馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸之用；盤面直徑為80毫米，中心軸2夕卜、內(nèi)直徑分別為16和8毫米(內(nèi) 孔徑取8毫米是因所采用馬達(dá)轉(zhuǎn)軸直徑也為8毫米)。b圖所示的中心軸2的側(cè)面開一螺 孔5以備用螺絲將圓形轉(zhuǎn)盤1緊固在馬達(dá)轉(zhuǎn)軸上之用。圓形轉(zhuǎn)盤1距離邊緣10毫米處 等距地開有若干①4螺孔3 (圖中所示數(shù)目為8個(gè)，也可為其它偶數(shù)值，如6、 10等)， 以備固定扇形透明平板介質(zhì)4之用。透明平板介質(zhì)4選用石英片(也可采用其它透明材 料)，加工成扇面形，扇面內(nèi)外半徑分別為20和60毫米。距離內(nèi)弦邊15毫米處開一 ①4 螺孔6，為加工方便，扇環(huán)內(nèi)弧直接用弦邊取代。扇形透明平板介質(zhì)4的厚度取位兩種， 分別為5和2.5毫米各四片，二者交替排布，通過螺孔6固定在圓形轉(zhuǎn)盤上。圖c和d 為兩種厚度的石英扇形透明平板介質(zhì)4葉交替排布在圓形轉(zhuǎn)盤1上后的前視和背視效果 圖，。需要指出的是，轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪的實(shí)現(xiàn)還可以有其它方式，例如不僅扇形透明平板介質(zhì)4 數(shù)目可以增減，整個(gè)厚薄相間的葉輪也通過模鑄造成一整體結(jié)構(gòu)等等。另外，所使用的 電動(dòng)馬達(dá)具有轉(zhuǎn)頻脈沖輸出裝置，通過一定的輸出電路轉(zhuǎn)換，可給出與轉(zhuǎn)盤扇形透明平 板介質(zhì)4周期同頻率的TTL方波電壓輸出，這樣上述裝置就可與光斬波器一樣與鎖相放 大器結(jié)合應(yīng)用到光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)中。圖3給出利用上述裝置實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制反射測(cè)量的實(shí)驗(yàn)光路圖。基本原理是由光源15 (如溴鎢燈)發(fā)出的光經(jīng)單色儀11分光成單色光后經(jīng)透鏡組12和13聚焦到樣品7上， 再被樣品反射經(jīng)透鏡16聚焦到探測(cè)器10。將本發(fā)明提出的空間調(diào)制盤裝置14置入入射 光路，使得入射光非垂直入射地穿過盤面入射到樣品7表面，則盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)引起光斑在 樣品表面的移動(dòng)，由此可能產(chǎn)生的反射率的微小變化采用鎖相放大技術(shù)被檢測(cè)，即如圖 3所示，反射信號(hào)被探測(cè)器10接受而同時(shí)與空間調(diào)制頻率相同的TTL電壓信號(hào)被作為參 考信號(hào)輸入到鎖相放大器8，經(jīng)鎖相放大器8的檢測(cè)放大，由空間調(diào)制引起光調(diào)制反射 信號(hào)A R就被輸入計(jì)算機(jī)9記錄下來。該空間調(diào)制信號(hào)A R是波長(zhǎng)A的函數(shù)。由計(jì)算機(jī)9 控制單色儀11的掃描，并記錄下對(duì)每一波長(zhǎng)A由鎖相放大器8采集的光調(diào)制信號(hào)A R(入)，就獲得了一條空間調(diào)制光譜曲線。圖4的b給出按圖3所示測(cè)量方法對(duì)GaAs襯底上利用分子束外延生長(zhǎng)的GaNAs薄膜材料(N組分為0.005)進(jìn)行測(cè)量給出的空間調(diào) 制反射譜結(jié)果；作為比較，圖4a中給出了靜態(tài)反射譜結(jié)果。圖b中箭頭所指的譜結(jié)構(gòu) 對(duì)應(yīng)于GaNAs材料的禁帶寬度，該能級(jí)位置與根據(jù)標(biāo)定組分(N組分為0.005)進(jìn)行理 論計(jì)算獲得的結(jié)果很好地吻合[可參見文獻(xiàn)S.H. Wei and A. Zunger， Phys. Rev. Lett. 76, 664 (1996)]，說明了該光路調(diào)制方法在光譜測(cè)量應(yīng)用上的有效性。
權(quán)利要求
1、一種光束周期性橫向偏移的光路調(diào)制方法，其特征在于依據(jù)光線通過透明介質(zhì)發(fā)生折射的原理，將平行光線的光束穿過由幾種厚度的透明平板介質(zhì)拼接起來的組合平板介質(zhì)，該組合平板介質(zhì)作橫向平移運(yùn)動(dòng)，造成所述的光束斜穿過平移運(yùn)動(dòng)的組合平板介質(zhì)時(shí)，周期性通過不同厚度的透明平板介質(zhì)，從而使該光束光路產(chǎn)生不同程度的周期性偏移，實(shí)現(xiàn)光束周期性橫向偏移和光路調(diào)制。
2、 一種光束周期性橫向偏移的光路調(diào)制裝置，適用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束周期 性橫向偏移的光路調(diào)制方法，包括一個(gè)圓形轉(zhuǎn)盤(1)，其特征在于圓形轉(zhuǎn)盤(1) 周邊周向均布固定連接周向拼接的偶數(shù)個(gè)等圓心角的扇面形透明平板介質(zhì)(4)，相 鄰的扇面形透明平板介質(zhì)(4)的厚度不同，構(gòu)成一個(gè)密接且厚薄交替的葉輪結(jié)構(gòu)， 該圓形轉(zhuǎn)盤(1)的中心軸(2)與一個(gè)馬達(dá)的輸出軸聯(lián)接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光束周期性橫向偏移的光路調(diào)制裝置，其特征在于所述的圓 形轉(zhuǎn)盤(l)上有穿孔(3)與扇面形透明平板介質(zhì)(4)上的穿孔(6)對(duì)準(zhǔn)，通過螺 釘螺母實(shí)現(xiàn)圓形轉(zhuǎn)盤(1)與扇面形透明平板介質(zhì)(4)固定連接；圓形轉(zhuǎn)盤(1) 的中心軸(2)的中心孔與所述的馬達(dá)輸出軸插配，并在中心軸(2)側(cè)面的螺孔(5) 中旋入緊定螺釘使馬達(dá)輸出軸與該中心軸固定連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光束周期性橫向偏移的光路調(diào)制方法及裝置。該方法及裝置基于光線穿過厚薄不同的透明介質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度橫向位移的光學(xué)原理，利用對(duì)光束透明的材料(如石英)，構(gòu)建一由厚薄交替葉片組合成的轉(zhuǎn)動(dòng)盤裝置，一種可能的設(shè)計(jì)構(gòu)型如插圖所示。將該裝置固定在電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)電動(dòng)馬達(dá)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就對(duì)以一定角度入射的光線產(chǎn)生一周期性橫向調(diào)制。該光路調(diào)制方法可方便地與吸收光譜、光致發(fā)光譜、光電導(dǎo)或光伏光譜等靜態(tài)光譜測(cè)量技術(shù)相耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)光譜的空間調(diào)制光譜測(cè)量，從而大大提高光譜靈敏度，對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)電子態(tài)的表征非常有用。
文檔編號(hào)G01N21/01GK101236154SQ20081003409
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者進(jìn) 宋, 張金倉, 查訪星, 沈?qū)W礎(chǔ) 申請(qǐng)人:上海大學(xué)