光學微腔的光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)一次成像裝置制造方法
【專利摘要】本專利公開了一種光學微腔的光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)一次成像裝置，至少包括一個無限筒長的顯微物鏡、一套配有二維CCD的光柵光譜儀、一套顯微鏡照明系統(tǒng)、一根光纖、一個單色儀、一個寬帶光源和一套成像系統(tǒng)；光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)測量由以下部件實現(xiàn)：根據(jù)阿貝正弦關(guān)系將無限筒長顯微物鏡作為一種將波矢空間直接轉(zhuǎn)換到實空間的變換器件，形成切向波矢和后焦平面上垂軸方向坐標位置的線性對應(yīng)關(guān)系，探測光路上光譜儀配備的二維CCD通過成像系統(tǒng)和物鏡后焦平面共軛，通過單色儀和的光譜儀配合使用獲得所測樣品的光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)。本專利實現(xiàn)了光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)的方便、一次成像測量，可以應(yīng)用于微納光學領(lǐng)域的光學性質(zhì)測量。
【專利說明】光學微腔的光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)一次成像裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及光譜檢測技術(shù)，尤其是光學微腔的光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)一次成像裝置，它可用于微納結(jié)構(gòu)光學、光子晶體、表面等離子體等領(lǐng)域的光譜檢測。

【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，如何人為地調(diào)控光子特性已成為近年來光學領(lǐng)域的研究熱點之一。到目前為止，人工微腔結(jié)構(gòu)被公為是調(diào)控光子行為最有效的方式，包括各種周期性納米材料、光子晶體微腔、表面等離子微腔、半導體納米微腔、光纖微腔等等。這些微腔結(jié)構(gòu)在光傳感、全光開關(guān)、光子集成電路、微細加工、超分辨成像、隱身斗篷等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。對于這些微腔結(jié)構(gòu)，尤其像光子晶體或表面等離子體周期性納米材料，光子能帶結(jié)構(gòu)和光子等頻圖能夠最直觀的反映材料結(jié)構(gòu)的光學特性。通過光子能帶結(jié)構(gòu)可以區(qū)分晶體材料是否存在禁帶，而等頻圖可以清楚的清楚地反映電磁波進入晶體的等效折射率等問題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今已經(jīng)形成了一系列如有限時域差分、平面波展開等較完善、可靠的理論計算和模擬技術(shù)。在這些技術(shù)的支持下，人們可以有目的地設(shè)計具有各種新型功能的周期性材料體系。然而，毋庸置疑的是如何在實驗上獲得新型材料的光學特性才是更好地優(yōu)化理論及指導材料設(shè)計的必經(jīng)之路。
[0003]據(jù)了解，周期性納米材料的光學特性獲取在檢測技術(shù)卻受到了極大的限制?，F(xiàn)如今國內(nèi)的主流檢測技術(shù)主要是通過限制光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑來實現(xiàn)近似的單一角度入射這種測試方法。由于要多角度掃描，不僅費時費力，而且要求被檢測樣品的幾何尺寸必須達到毫米量級，這些缺陷嚴重違背了納米材料微型化、集成化的發(fā)展趨勢，并使得人們對新設(shè)計材料的光子學性質(zhì)缺乏足夠的認識，從而很難對其應(yīng)用前景做出客觀的、合理的預見。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本專利提出一種基于阿貝正弦關(guān)系的光學測試系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有微納諧振腔光學特性材料光學檢測手段單一、復雜的問題。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本專利提供一種光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可把波矢空間轉(zhuǎn)換到實空間，其變換器件包括一套配有二維CCD的光柵光譜儀、一個無限筒長的顯微物鏡、一套顯微鏡照明系統(tǒng)、一根光纖、一個單色儀、一個寬頻帶光源、一套成像光學系統(tǒng)，被照射的樣品反射光經(jīng)無線筒長顯微物鏡進入檢測光路，其中:
[0006]一次成像測量裝置將無限筒長顯微物鏡I當做一種直接把波矢空間轉(zhuǎn)換到實空間的變換器件，放置在顯微物鏡前焦平面9上的樣品發(fā)出的不同角度的光匯聚到顯微物鏡后焦平面10不同位置，形成切向波矢和后焦平面空間位置的對應(yīng)關(guān)系，通過成像光學系統(tǒng)8將后焦平面10)成像至光譜儀3入射狹縫11處；照明光路中白光源7發(fā)出的復合光經(jīng)過單色儀6后通過光纖5接入顯微鏡照明系統(tǒng)4 ;測試光子等頻圖時，單色儀6分光輸出單色光，關(guān)閉收集光路上光譜儀3分光功能使得CCD2直接對后焦距平面進行拍照；測試光子能帶結(jié)構(gòu)時，關(guān)閉單色儀(6)分光功能輸出復合光，光譜儀3進行光柵分光,此時CCD2同時獲得光譜信息和某一特定方向的切向波矢信息。
[0007]所述的顯微鏡照明系統(tǒng)4采用方便控制顯微物鏡后焦平面10處等頻圖的切向波矢范圍的柯勒照明方式。
[0008]光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)檢測原理是利用阿貝正弦關(guān)系，通過無線筒長顯微物鏡的前后焦平面直接將波矢空間轉(zhuǎn)換到實空間，再通過入射光路的單色儀和收集光路的光譜儀的配合使用，使二維CCD可以通過一次成像直接拍攝樣品的光子等頻圖和光子能帶圖。本專利是利用無線筒長顯微物鏡對焦平面和無限遠這對共軛面進行嚴格的像差校正，從而滿足阿貝正弦關(guān)系的特性，它可以將置于前焦平面的樣品表面發(fā)出的不同角度的光成像到物鏡后焦平面的不同位置處，形成角度正弦值與空間位置的線性對應(yīng)關(guān)系。理論上，只需記錄后焦平面上圖像分布就可以完全記錄某一特定波長的光子等頻圖，從而提取出光子能帶結(jié)構(gòu)。由于后焦平面緊貼顯微物鏡，系統(tǒng)需要通過一套成像光學系統(tǒng)將后焦平面成像至遠離物鏡的光柵光譜儀入射狹縫位置，再通過入射光路的單色儀和收集光路的光譜儀的配合使用，使二維CXD可以通過一次成像直接拍攝樣品的光子等頻圖和光子能帶圖。
[0009]本專利的優(yōu)越性在于:可以利用二維CXD —次性拍攝置于無限筒長顯微物鏡前焦平面上樣品的光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)，真正做到了方便、快速、無損探測；為微納結(jié)構(gòu)光學、光子晶體的研究提供了一種實用的光譜檢測裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本專利提供的一種基于阿貝正弦條件的光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測量裝置的示意圖；
[0011]圖1中標記說明
[0012]I—無線筒長顯微物鏡；
[0013]2-二維 CCD;
[0014]3——光柵光譜儀；
[0015]4 顯微鏡照明系統(tǒng):
[0016]5——光纖；
[0017]6——單色儀；
[0018]7——寬波段白光源:
[0019]8——對稱式消色差成像系統(tǒng)；
[0020]9——前焦平面；
[0021]10——后焦平面；
[0022]11——光譜儀入射狹縫面；
[0023]12——分束器。

【具體實施方式】
[0024]本專利提供一種光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測量裝置的示意圖如圖1所示。
[0025]一種光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測量裝置，利用光學成像中的阿貝正弦關(guān)系，包括一個無限筒長的顯微物鏡1、一套配有二維(XD2的光柵光譜儀3、一套顯微鏡照明系統(tǒng)4、一根光纖5、一個單色儀6、一個寬波帶光源7、一套成像光學系統(tǒng)8，其中主要器件具體參數(shù)如下:
[0026]無限筒長顯微物鏡I放大倍數(shù)50X，數(shù)值孔徑0.5 ；
[0027]成像系統(tǒng)8采用消色差透鏡組成像系統(tǒng)，顯微物鏡后焦平面10和光譜儀入射狹縫面11分別為成像系統(tǒng)的兩個共軛面并完成等大成像；
[0028]光柵光譜儀3焦長為400mm，光柵為600刻線、閃耀波長為400nm ；
[0029]二維(XD2為1024 (光譜方向)X 256 (狹縫方向)的硅面陣探測器，單個像元大小為15um，可探測波長為400至IlOOnm ；
[0030]顯微鏡照明系統(tǒng)4采用傳統(tǒng)的柯勒照明方式，實現(xiàn)視場和孔徑可控；
[0031]單色儀6焦長為300mm，光柵為600刻線、閃耀波長為400nm ；
[0032]所述的光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測量裝置將無限筒長顯微物鏡I作為一種將波矢空間轉(zhuǎn)換到實空間的變換器件，顯微物鏡前焦平面9處樣品表面發(fā)出的不同角度的反射光匯聚到顯微物鏡后焦平面10不同位置，根據(jù)阿貝正弦關(guān)系，角度的正弦值和后焦平面的垂軸方向坐標成線性關(guān)系，即后焦平面上的空間位置會和切向波矢形成對應(yīng)關(guān)系，通過成像光學系統(tǒng)8將后焦平面成像至收集光路的光譜儀入射狹縫11處，關(guān)閉光譜儀3分光功能并將狹縫完全打開，從而使二維CCD2完成對物鏡后焦平面上光子等頻圖的成像；同時為了得到光子能帶結(jié)構(gòu)，關(guān)閉入射光路上單色儀6的分光功能即實現(xiàn)復合光入射，此時顯微物鏡I后焦平面呈現(xiàn)了不同波長等頻圖的疊加信號，同時打開收集光路的光譜儀3分光功能、縮窄入射狹縫寬度用以選擇能帶方向，從而使二維CCD2光譜方向探測波長信息，狹縫方向探測切向波矢信息，完成對樣品光子能帶結(jié)構(gòu)測試。
【權(quán)利要求】
1.一種光學諧振腔的光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測量裝置，包括一個無限筒長的顯微物鏡(I)、一套配有二維(XD(2)的光柵光譜儀(3)、一套顯微鏡照明系統(tǒng)(4)、一根光纖(5)、一個單色儀￠)、一個寬波帶光源(7)、一套成像光學系統(tǒng)(8)，其特征在于: 所述的一次成像測量裝置將無限筒長顯微物鏡(I)當做一種直接把波矢空間轉(zhuǎn)換到實空間的變換器件，放置在顯微物鏡前焦平面(9)上的樣品發(fā)出的不同角度的光匯聚到顯微物鏡后焦平面(10)不同位置，形成切向波矢和后焦平面空間位置的對應(yīng)關(guān)系，通過成像光學系統(tǒng)(8)將后焦平面(10)成像至光譜儀(3)入射狹縫(11)處；照明光路中白光源(7)發(fā)出的復合光經(jīng)過單色儀(6)后通過光纖(5)接入顯微鏡照明系統(tǒng)(4);測試光子等頻圖時，單色儀(6)分光輸出單色光，關(guān)閉收集光路上光譜儀(3)分光功能使得CCD(2)直接對后焦距平面進行拍照；測試光子能帶結(jié)構(gòu)時，關(guān)閉單色儀(6)分光功能輸出復合光，光譜儀(3)進行光柵分光，此時CCD(2)同時獲得光譜信息和某一特定方向的切向波矢信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學諧振腔的光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測量裝置，其特征在于:所述的顯微鏡照明系統(tǒng)(4)采用方便控制顯微物鏡后焦平面(10)處等頻圖的切向波矢范圍的柯勒照明方式。
【文檔編號】G01N21/27GK203965312SQ201420310529
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】袁小文, 孫聊新, 張波, 陸衛(wèi) 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所