本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種光學(xué)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(gè)無(wú)限筒長(zhǎng)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(gè)單色儀、一個(gè)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(cè)量由以下部件實(shí)現(xiàn)：根據(jù)阿貝正弦關(guān)系將無(wú)限筒長(zhǎng)顯微物鏡作為一種將波矢空間直接轉(zhuǎn)換到實(shí)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(biāo)位置的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，探測(cè)光路上光譜儀配備的二維CCD通過(guò)成像系統(tǒng)和物鏡后焦平面共軛，通過(guò)單色儀和的光譜儀配合使用獲得所測(cè)樣品的光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)的方便、一次成像測(cè)量，可以應(yīng)用于微納光學(xué)領(lǐng)域的光學(xué)性質(zhì)測(cè)量。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種光學(xué)微腔的光子等頻圖和能帶結(jié)構(gòu)一次成像裝置
本專利技術(shù)涉及光譜檢測(cè)技術(shù)，尤其是光學(xué)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(xué)、光子晶體、表面等離子體等領(lǐng)域的光譜檢測(cè)。
技術(shù)介紹
眾所周知，如何人為地調(diào)控光子特性已成為近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(dǎo)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(kāi)關(guān)、光子集成電路、微細(xì)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(duì)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(xué)特性。通過(guò)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(jìn)入晶體的等效折射率等問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今已經(jīng)形成了一系列如有限時(shí)域差分、平面波展開(kāi)等較完善、可靠的理論計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)上獲得新型材料的光學(xué)特性才是更好地優(yōu)化理論及指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路。據(jù)了解，周期性納米材料的光學(xué)特性獲取在檢測(cè)技術(shù)卻受到了極大的限制?，F(xiàn)如今國(guó)內(nèi)的主流檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)限制光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)近似的單一角度入射這種測(cè)試方法。由于要多角度掃描，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且要求被檢測(cè)樣品的幾何尺寸必須達(dá)到毫米量級(jí)，這些缺陷嚴(yán)重違背了納米材料微型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，并使得人們對(duì)新設(shè)計(jì)材料的光子學(xué)性質(zhì)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，從而很難對(duì)其應(yīng)用前景做出客觀的、合理的預(yù)見(jiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提出一種基于阿貝正弦關(guān)系的光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有微納諧振腔光學(xué)特性材料光學(xué)檢測(cè)手段單一、復(fù)雜的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供一種光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可把波矢空間轉(zhuǎn)換到實(shí)空間，其變換器件至少包括一套配有二維CCD的光柵光譜儀、一個(gè)無(wú)限筒長(zhǎng)的顯微物鏡、一套顯微鏡照明系統(tǒng)、一根光纖、一個(gè)單色儀、一個(gè)寬頻帶光源、一套成像光學(xué)系統(tǒng)，被照射的樣品反射光經(jīng)無(wú)線筒長(zhǎng)顯微物鏡進(jìn)入檢測(cè)光路，其中:光子等頻圖測(cè)量由以下部件實(shí)現(xiàn):將所述的無(wú)限筒長(zhǎng)顯微物鏡當(dāng)做一種直接把波矢空間轉(zhuǎn)換到實(shí)空間的變換器件，放置在顯微物鏡前焦平面上的樣品發(fā)出的不同角度的光匯聚到顯微物鏡后焦平面不同位置，形成切向波矢和后焦距平面空間位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)將后焦距平面成像至光譜儀入射狹縫處；照明光路中白光源發(fā)出的復(fù)合光經(jīng)過(guò)單色儀分光后通過(guò)光纖接入顯微鏡柯勒照明系統(tǒng)，關(guān)閉收集光路中光譜儀的分光功能并將狹縫完全打開(kāi)，此時(shí)二維CCD可以直接對(duì)物鏡后焦平面上光子等頻圖進(jìn)行一次成像。光子能帶結(jié)構(gòu)測(cè)量由以下部件實(shí)現(xiàn):將入射光路上單色儀分光功能關(guān)閉使得入射光為復(fù)合光，此時(shí)顯微物鏡后焦平面呈現(xiàn)了不同波長(zhǎng)等頻圖的疊加，打開(kāi)收集光路中光譜儀的分光功能、縮窄入射狹縫寬度用以選擇能帶方向，從而使二維CCD的光譜方向探測(cè)波長(zhǎng)信息，狹縫方向探測(cè)切向波矢信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品光子能帶結(jié)構(gòu)的測(cè)試。光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)檢測(cè)原理是利用阿貝正弦關(guān)系，通過(guò)無(wú)線筒長(zhǎng)顯微物鏡的前后焦平面直接將波矢空間轉(zhuǎn)換到實(shí)空間，再通過(guò)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(guò)一次成像直接拍攝樣品的光子等頻圖和光子能帶圖。本專利技術(shù)是利用無(wú)線筒長(zhǎng)顯微物鏡對(duì)焦平面和無(wú)限遠(yuǎn)這對(duì)共軛面進(jìn)行嚴(yán)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(duì)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(zhǎng)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(guò)一套成像光學(xué)系統(tǒng)將后焦平面成像至遠(yuǎn)離物鏡的光柵光譜儀入射狹縫位置，再通過(guò)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(guò)一次成像直接拍攝樣品的光子等頻圖和光子能帶圖。本專利技術(shù)的優(yōu)越性在于:可以利用二維CXD —次性拍攝置于無(wú)限筒長(zhǎng)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(wú)損探測(cè)；為微納結(jié)構(gòu)光學(xué)、光子晶體的研究提供了一種實(shí)用的光譜檢測(cè)裝置。【附圖說(shuō)明】圖1是本專利技術(shù)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(cè)量裝置的示意圖；圖2是本系統(tǒng)拍攝的一張二維周期性納米小球的光子等頻圖(a)以及對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果(b)。圖3是本系統(tǒng)拍攝的一張二維周期性納米小球的光子能帶圖(a)以及對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果(b)。圖1中標(biāo)記說(shuō)明I—無(wú)線筒長(zhǎng)顯微物鏡；2-二維 CCD;3——光柵光譜儀；4 顯微鏡照明系統(tǒng):5——光纖；6——單色儀；7——寬波段白光源:8——對(duì)稱式消色差成像系統(tǒng)；9——前焦平面；10——后焦平面；11——光譜儀入射狹縫面；12——分束器。【具體實(shí)施方式】本專利技術(shù)提供一種光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測(cè)量裝置的示意圖如圖1所示?！N光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測(cè)量裝置，利用光學(xué)成像中的阿貝正弦關(guān)系，包括一個(gè)無(wú)限筒長(zhǎng)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(gè)單色儀6、一個(gè)寬波帶光源7、一套成像光學(xué)系統(tǒng)8，其中主要器件具體參數(shù)如下:無(wú)限筒長(zhǎng)顯微物鏡I放大倍數(shù)50X，數(shù)值孔徑0.5 ；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(gè)共軛面并完成等大成像；光柵光譜儀3焦長(zhǎng)為400mm，光柵為600刻線、閃耀波長(zhǎng)為400nm ；二維(XD2為1024(光譜方向)X 256 (狹縫方向)的硅面陣探測(cè)器，單個(gè)像元大小為15um，可探測(cè)波長(zhǎng)為400至IlOOnm ；顯微鏡照明系統(tǒng)4采用傳統(tǒng)的柯勒照明方式，實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)和孔徑可控；單色儀6焦長(zhǎng)為300mm，光柵為600刻線、閃耀波長(zhǎng)為400nm ；所述的光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測(cè)量裝置將無(wú)限筒長(zhǎng)顯微物鏡I作為一種將波矢空間轉(zhuǎn)換到實(shí)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(biāo)成線性關(guān)系，即后焦平面上的空間位置會(huì)和切向波矢形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)成像光學(xué)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(kāi)，從而使二維CCD2完成對(duì)物鏡后焦平面上光子等頻圖的成像；同時(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)合光入射，此時(shí)顯微物鏡I后焦平面呈現(xiàn)了不同波長(zhǎng)等頻圖的疊加信號(hào)，同時(shí)打開(kāi)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(cè)波長(zhǎng)信息，狹縫方向探測(cè)切向波矢信息，完成對(duì)樣品光子能帶結(jié)構(gòu)測(cè)試。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種光學(xué)諧振腔的光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測(cè)量裝置，包括一個(gè)無(wú)限筒長(zhǎng)的顯微物鏡(1)、一套配有二維CCD(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(gè)單色儀(6)、一個(gè)寬波帶光源(7)、一套成像光學(xué)系統(tǒng)(8)，其特征在于：所述的一次成像測(cè)量裝置將無(wú)限筒長(zhǎng)顯微物鏡(1)當(dāng)做一種直接把波矢空間轉(zhuǎn)換到實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)成像光學(xué)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(fù)合光經(jīng)過(guò)單色儀(6)后通過(guò)光纖(5)接入顯微鏡照明系統(tǒng)(4)；測(cè)試光子等頻圖時(shí)，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(duì)后焦距平面進(jìn)行拍照；測(cè)試光子能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，關(guān)閉單色儀(6)分光功能輸出復(fù)合光，光譜儀(3)進(jìn)行光柵分光，此時(shí)CCD(2)同時(shí)獲得光譜信息和某一特定方向的切向波矢信息。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種光學(xué)諧振腔的光子等頻圖和光子能帶結(jié)構(gòu)一次成像測(cè)量裝置，包括一個(gè)無(wú)限筒長(zhǎng)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(gè)單色儀(6)、一個(gè)寬波帶光源(7)、一套成像光學(xué)系統(tǒng)(8)，其特征在于: 所述的一次成像測(cè)量裝置將無(wú)限筒長(zhǎng)顯微物鏡(I)當(dāng)做一種直接把波矢空間轉(zhuǎn)換到實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)(8)將后焦平面(10)成像至光譜儀(3)入射狹縫(1...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：袁小文，孫聊新，張波，陸衛(wèi)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31
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