一种光学微腔的光子等频图和能带结构一次成像装置

摘要

本发明公开了一种光学微腔的光子等频图和能带结构一次成像装置，至少包括一个无限筒长的显微物镜、一套配有二维CCD的光栅光谱仪、一套显微镜照明系统、一根光纤、一个单色仪、一个宽带光源和一套成像系统；光子等频图和能带结构测量由以下部件实现：根据阿贝正弦关系将无限筒长显微物镜作为一种将波矢空间直接转换到实空间的变换器件，形成切向波矢和后焦平面上垂轴方向坐标位置的线性对应关系，探测光路上光谱仪配备的二维CCD通过成像系统和物镜后焦平面共轭，通过单色仪和的光谱仪配合使用获得所测样品的光子等频图和能带结构。本发明实现了光子等频图和能带结构的方便、一次成像测量，可以应用于微纳光学领域的光学性质测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱检测技术，尤其是光学微腔的光子等频图和能带结构一次 成像装置，它可用于微纳结构光学、光子晶体、表面等离子体等领域的光谱检 测。

背景技术

众所周知，如何人为地调控光子特性已成为近年来光学领域的研究热点之 一。到目前为止，人工微腔结构被公为是调控光子行为最有效的方式，包括各 种周期性纳米材料、光子晶体微腔、表面等离子微腔、半导体纳米微腔、光纤 微腔等等。这些微腔结构在光传感、全光开关、光子集成电路、微细加工、超 分辨成像、隐身斗篷等方面具有非常广阔的应用前景。对于这些微腔结构，尤 其像光子晶体或表面等离子体周期性纳米材料，光子能带结构和光子等频图能 够最直观的反映材料结构的光学特性。通过光子能带结构可以区分晶体材料是 否存在禁带，而等频图可以清楚的清楚地反映电磁波进入晶体的等效折射率等 问题。随着计算机技术的发展，现如今已经形成了一系列如有限时域差分、平 面波展开等较完善、可靠的理论计算和模拟技术。在这些技术的支持下，人们 可以有目的地设计具有各种新型功能的周期性材料体系。然而，毋庸置疑的是 如何在实验上获得新型材料的光学特性才是更好地优化理论及指导材料设计的 必经之路。

据了解，周期性纳米材料的光学特性获取在检测技术却受到了极大的限制。 现如今国内的主流检测技术主要是通过限制光学系统的数值孔径来实现近似的 单一角度入射这种测试方法。由于要多角度扫描，不仅费时费力，而且要求被 检测样品的几何尺寸必须达到毫米量级，这些缺陷严重违背了纳米材料微型化、 集成化的发展趋势，并使得人们对新设计材料的光子学性质缺乏足够的认识， 从而很难对其应用前景做出客观的、合理的预见。

发明内容

本发明提出一种基于阿贝正弦关系的光学测试系统，解决了现有微纳谐 振腔光学特性材料光学检测手段单一、复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种光子等频图和光子能带结构测试系 统。该系统可把波矢空间转换到实空间，其变换器件至少包括一套配有二维C CD的光栅光谱仪、一个无限筒长的显微物镜、一套显微镜照明系统、一根光 纤、一个单色仪、一个宽频带光源、一套成像光学系统，被照射的样品反射 光经无线筒长显微物镜进入检测光路，其中：

光子等频图测量由以下部件实现：将所述的无限筒长显微物镜当做一种 直接把波矢空间转换到实空间的变换器件，放置在显微物镜前焦平面上的样 品发出的不同角度的光汇聚到显微物镜后焦平面不同位置，形成切向波矢和 后焦距平面空间位置的对应关系，通过成像光学系统将后焦距平面成像至光 谱仪入射狭缝处；照明光路中白光源发出的复合光经过单色仪分光后通过光 纤接入显微镜柯勒照明系统，关闭收集光路中光谱仪的分光功能并将狭缝完 全打开，此时二维CCD可以直接对物镜后焦平面上光子等频图进行一次成像 。

光子能带结构测量由以下部件实现：将入射光路上单色仪分光功能关闭 使得入射光为复合光，此时显微物镜后焦平面呈现了不同波长等频图的叠加 ，打开收集光路中光谱仪的分光功能、缩窄入射狭缝宽度用以选择能带方向 ，从而使二维CCD的光谱方向探测波长信息，狭缝方向探测切向波矢信息， 实现对样品光子能带结构的测试。

光子等频图和光子能带结构检测原理是利用阿贝正弦关系，通过无线筒 长显微物镜的前后焦平面直接将波矢空间转换到实空间，再通过入射光路的 单色仪和收集光路的光谱仪的配合使用，使二维CCD可以通过一次成像直接 拍摄样品的光子等频图和光子能带图。本发明是利用无线筒长显微物镜对焦 平面和无限远这对共轭面进行严格的像差校正，从而满足阿贝正弦关系的特 性，它可以将置于前焦平面的样品表面发出的不同角度的光成像到物镜后焦 平面的不同位置处，形成角度正弦值与空间位置的线性对应关系。理论上， 只需记录后焦平面上图像分布就可以完全记录某一特定波长的光子等频图， 从而提取出光子能带结构。由于后焦平面紧贴显微物镜，系统需要通过一套 成像光学系统将后焦平面成像至远离物镜的光栅光谱仪入射狭缝位置，再通 过入射光路的单色仪和收集光路的光谱仪的配合使用，使二维CCD可以通过 一次成像直接拍摄样品的光子等频图和光子能带图。

本发明的优越性在于：可以利用二维CCD一次性拍摄置于无限筒长显微 物镜前焦平面上样品的光子等频图和能带结构，真正做到了方便、快速、无 损探测；为微纳结构光学、光子晶体的研究提供了一种实用的光谱检测装置 。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于阿贝正弦条件的光子等频图和光子能带结构 一次成像测量装置的示意图；

图2是本系统拍摄的一张二维周期性纳米小球的光子等频图(a)以及对 应的理论计算结果(b)。

图3是本系统拍摄的一张二维周期性纳米小球的光子能带图(a)以及对 应的理论计算结果(b)。

图1中标记说明

1——无线筒长显微物镜；

2——二维CCD；

3——光栅光谱仪；

4——显微镜照明系统：

5——光纤；

6——单色仪；

7——宽波段白光源：

8——对称式消色差成像系统；

9——前焦平面；

10——后焦平面；

11——光谱仪入射狭缝面；

12——分束器。

具体实施方式

本发明提供一种光子等频图和光子能带结构一次成像测量装置的示意图 如图1所示。

一种光子等频图和光子能带结构一次成像测量装置，利用光学成像中的 阿贝正弦关系，包括一个无限筒长的显微物镜1、一套配有二维CCD 2的光栅光谱仪3、一套显微镜照明系统4、一根光纤5、一个单色仪6、一个宽 波带光源7、一套成像光学系统8，其中主要器件具体参数如下:

无限筒长显微物镜1放大倍数50X，数值孔径0.5；

成像系统8采用消色差透镜组成像系统,显微物镜后焦平面10和光谱仪入 射狭缝面11分别为成像系统的两个共轭面并完成等大成像；

光栅光谱仪3焦长为400mm，光栅为600刻线、闪耀波长为400nm；

二维CCD 2为1024(光谱方向)×256(狭缝方向)的硅面阵探测器，单个像元大小为1 5um，可探测波长为400至1100nm；

显微镜照明系统4采用传统的柯勒照明方式，实现视场和孔径可控；

单色仪6焦长为300mm，光栅为600刻线、闪耀波长为400nm；

所述的光子等频图和光子能带结构一次成像测量装置将无限筒长显微物 镜1作为一种将波矢空间转换到实空间的变换器件，显微物镜前焦平面9处样 品表面发出的不同角度的反射光汇聚到显微物镜后焦平面10不同位置，根据 阿贝正弦关系，角度的正弦值和后焦平面的垂轴方向坐标成线性关系，即后 焦平面上的空间位置会和切向波矢形成对应关系，通过成像光学系统8将后焦 平面成像至收集光路的光谱仪入射狭缝11处， 关闭光谱仪3分光功能并将狭缝完全打开，从而使二维CCD2完成对物镜后焦 平面上光子等频图的成像；同时为了得到光子能带结构，关闭入射光路上单 色仪6的分光功能即实现复合光入射，此时显微物镜1后焦平面呈现了不同波 长等频图的叠加信号，同时打开收集光路的光谱仪3分光功能、缩窄入射狭缝 宽度用以选择能带方向，从而使二维CCD2光谱方向探测波长信息，狭缝方向 探测切向波矢信息，完成对样品光子能带结构测试。