[发明专利]非偏振可调谐导膜共振滤光片系统及其测量纳米间隙的方法

说明书

技术领域

本发明技术涉及导波光学、近场光学，在纳米间隙测量、光谱测量，纳米间隙测量研究领域有应用前景。

背景技术

亚微米/纳米间隙的测量是工业和科学技术发展中极为重要的问题。在半导体工业中高精度模板的制造和定位,磁记录设备中硬盘磁头飞行高度的监控，近场光存储头盘间距测量，高精度传感器的标定，MEMS 器件中微观形变的检测, 超光滑表面粗糙度和平面度的检验,标准量块的鉴定,微弱振动的测量，以及科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等的高精度测量等方面，亚微米/纳米间隙的高精度测量呈现出越来越重要的作用。

美国MIT的Moon等人为研究接近式光刻掩模与基片以及压印模板与基片之间的间距，利用啁啾-泰伯效应测量了两玻璃基板之间的间隙宽度，他们所用的方法灵敏度优于1nm，然而可测量的最小间隙仅为1μm。我国台湾国立清华大学的吴孟奇等人采用表面等离子体技术进行了纳米级间隙宽度的测量，这种技术能测量小于500nm的间隙。但是当纳米空气间隙降低至100nm时，反射率曲线不再有明显的变化，因此也就无法检测到纳米间隙的变化]。并且由于这种技术所检测的是反射峰的高度变化，其测量精度将不可避免地受光源信号强度变化，噪声信号等影响。

在外界条件(如间隙，光栅厚度，波长等)微小改变时，导模共振滤光片具有突然快速变化其光学性质的特性。当入射光波长满足导模共振滤光片共振条件时，会出现强烈的反射现象，反射率接近于1，而当入射光波长略微偏离该波长时，反射率会迅速减小，并接近于零，反射峰带宽通常小于1个纳米。因此，借助于微机电系统，通过调节元件的微米和纳米空间尺度，可以操控元件的光学性质。从而将其广泛应用于各种光学元件，如传感器，滤光片、调制器，光学开关，激光器等。当两个相同的导模共振滤光片相向平行相对放置时，它们之间的相互作用会导致共振模式的分裂。利用其中一个分裂的共振峰随两个导模共振滤光片之间相对距离的移动，可有效地检测和表征纳米间隙。同时也可通过纳米间隙的移动或扫描，构成微纳光学光谱仪器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种非偏振可调谐导模共振滤光片系统，这种光谱选择性滤光片系统构建方法简单，可用于对纳米间隙(尤其是小于100nm间隙)进行测量。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述非偏振可调谐导模共振滤光片系统测量纳米间隙的方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种非偏振可调谐导模共振滤光片系统，由两个相同的导模共振滤光片平行相向放置构成，每个导模共振滤光片均由衬底层、波导层和光栅层构成，其中，所述的导模共振滤光片系统为正交双光栅系统，两个导模共振滤光片的光栅层平行相向，且条纹相互垂直，两个光栅层之间为空气间隙层，该空气间隙层为不大于100nm的纳米间隙。

基于导模共振滤光片的特性，本发明所提出一种非偏振可调谐导模共振滤光片系统，其原理是：

当一个薄膜层的折射率高于其两侧材料的折射率时，该薄膜层与两侧材料就构成了一个光波导，在一定的条件下，光波可以在薄膜层内传播而不泄露到其两侧的材料中。当两个光波导相距很近时(小于光波长)，由于沿着两个光栅层表面传播的倏逝波会发生相互作用，因而会发生偶合现象。在具体分析时，可以将这样两个近距离光波导看作是一个复杂的多层膜光波导，并应用光波导理论对其波导模式特性进行分析。

当光波垂直入射时，多层膜波导中导模的传播常数可由

表示，其中ε_n是第n个膜层的相对介电系数，k = 2π / λ，λ是真空中的波长。多层膜波导的本征值方程由

P_c A + P_c P_s B + C + P_sD = 0

来表示，其中

P_c = [ε_c－(β_n/ k)²]^1/2，

P_s = [ε_s－(β_n/ k)²]^1/2，

ε_c和ε_s分别是上衬底层和下衬底层材料的相对介电系数，A、B、C、D是多层膜波导的特征矩阵的矩阵元，由矩阵表达式