[发明专利]一种平面周期结构的测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种周期结构的测量技术，尤其是涉及一种平面周期结构的测量装置及测量方法。

背景技术

现代材料科学的发展在很大程度上依赖于对材料性能和其它成分结构及形貌组织关系的理解。因此，对材料性能的各种测试技术和对材料在微观层次上的表征技术，构成了材料科学的一个重要组成部分。这使得材料分析成为材料科学的重要研究手段，被广泛应用于研究和解决材料理论和工程实际问题。一般材料结构的表征的基本方法包括：化学成分分析、结构测定、形貌观察等。

而目前，随着光学微制造、加工技术的快速发展，设计并制备各类亚微米、纳米尺寸的光电子器件成为当前实验室研究和生产应用的一个重要方向。由于一般光子器件多通过器型物理结构、形貌来决定一个器件的相关物理性能，因而此时形貌观察技术即成为了表征器件形貌的一个重要技术手段。特别的，自1969年美国Bell实验室的Miller首次提出“集成光学”的概念以来，以及光纤通信兴起所提供的契机，使得人们研制出一系列的用于光通信与传感的高性能集成光子器件。并且，自1987年Eli Yablonovitch和Sajeev John分别首次提出光子晶体（PCs）的概念以来，其被越来越广泛的应用于各类新型光子器件的设计和应用，而光子晶体作为一类由人工设计和制造的介质常数具有一定周期性分布的结构，由于其可实现无泄漏模损耗传输等优异性能，因此对高密度集成有着非常重要的意义。

一般，类似光子晶体这类亚微米周期结构已被广泛的应用于宽带滤光片、亚波长光栅、光子晶体光纤等器件中。目前，测量亚微米周期结构的方法大多采用扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscope）、原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscope）、台阶仪等设备进行直接的形貌表征，但对于一般亚微米周期光栅、平面周期结构等有时往往需要快速、简便、经济的测试制的样品的周期尺寸等简单结构，而一般诸如扫描电子显微镜，一则价格昂贵、使用（测试）成本高；二则操作繁琐、测试流程繁杂、需专人操作测试、使用不便，三则有时只需测得结构的周期尺寸用作参考即可，并不一定需要查看完整形貌表征，因此不仅给实际的操作应用带来了不便，而且容易造成不必要的浪费。另一方面，由于亚微米（数百纳米）周期结构在普通可见光波长附近，故一般的光栅衍射理论已不适用。因此，亟需研究一种简易、快速的测试多种平面周期结构的实验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作方便快速的平面周期结构的测量装置及测量方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种平面周期结构的测量装置，其特征在于包括激光器、样品架、水平托盘、旋转台、自由旋转圆盘和光束角度测量元件，所述的激光器发出的激光入射到置放于所述的样品架上的样品的待测表面上，所述的样品架固定于所述的水平托盘的顶部，所述的水平托盘的底部设置有用于调整所述的水平托盘的初始位置使所述的激光器发出的激光与所述的样品的待测表面垂直的微调旋钮，所述的水平托盘的底部与所述的旋转台相连接，所述的旋转台用于改变所述的水平托盘的方位，所述的旋转台的上表面上沿圆周设置有游标盘，所述的游标盘的角刻度的精度为“1′”，所述的自由旋转圆盘与所述的旋转台同轴连接，所述的光束角度测量元件固定于所述的自由旋转圆盘上，所述的光束角度测量元件用于测量衍射光束与所述的样品的待测表面的法线的夹角。

所述的激光器采用波长为632.8nm的He-Ne激光器。

所述的光束角度测量元件包括一个钢质圆柱，所述的钢质圆柱的一个端面的中心标记有十字叉丝，且该端面靠近所述的样品架。

一种应用上述的测量装置测量平面周期结构的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

①开启激光器，并使其预热20分钟左右；

②将样品固定于样品架上，然后利用设置于水平托盘的底部的微调旋钮调整水平托盘的初始位置，使激发器发出的激光与样品的待测表面垂直；

③调整激光器、样品架及光束角度测量元件在垂直方向上的相对高度位置，使激光器发出的激光、置放于样品架上的样品的中心点及光束角度测量元件的中心点处在同一水平面上；

④将水平托盘的底部与旋转台固定连接，然后转动旋转台改变水平托盘的方位，假设此时激光器发出的激光入射到样品的待测表面的入射角为θ；

⑤转动光束角度测量元件，使其中心正对衍射光束，测量激光器发出的激光入射到样品的待测表面的入射角为θ时衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角