[发明专利]动量空间光谱测量系统

说明书

本发明公开了一种动量空间光谱测量系统。该动量空间光谱测量系统至少包括下述部件：物镜、光学透镜La、光学透镜Lb、光谱探测设备，光信号依次通过所述的物镜、所述的光学透镜La、所述的光学透镜Lb后由所述的光谱探测设备接收。本发明的动量空间光谱测量系统可用于测量和表征样品在动量空间中的光学信息，如带隙性质、能带结构、色散关系等。该系统可以实现显微区域样品的光学测量，最小测量空间范围可达1微米；同时实现动量空间与频率空间的高分辨率测量，对应于频率空间的波长分辨率可低于0.05nm。该系统能够对样品的测量的空间区域进行精确选择，并可进一步用于探测样品不同位置的空间相干性信息。

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，特别涉及一种动量空间光谱测量系统。

背景技术

尽管动量空间能谱技术在材料电子领域已经得到普及，并获得了巨大的成功，但是在光学领域，动量空间能谱技术(在光学领域即动量空间光谱技术)还处于萌芽阶段。由于动量空间能谱技术可以获得材料的电子传输特性，因此对于材料研究的重要性是毋庸置疑的。2016年获得诺贝尔奖的科学研究成果就得益于该技术的应用。基于对材料特性的深入研究，人类成功发明了半导体等电子材料，并开发出集成电路技术，进而步入微电子时代，也为当下的信息技术和IoT万物互联技术的蓬勃发展奠定了坚实的基础。任何技术的发展都会遇到瓶颈，集成电路技术也不例外。近年来，随着摩尔定律趋于失效，科学家开始寻找集成电路的替代技术。在诸多替代方案中，光子技术尤其是集成光路技术成为最有希望的候选。与材料电子特性研究相同，要实现光子器件及集成光路的实用化，深入研究材料光学性质，掌握器件的全部光学模式甚至缺陷模式，是必不可少的。这离不开动量空间能谱技术。虽然光子的动量空间能谱技术的实现可以借鉴电子技术的架构，但是本质上光子与电子的相互作用机制是不同的。并且，电子领域的动量空间能谱技术在空间分辨率上对于宏观尺度的半导体材料尚显宽裕，而对于处在纳米至微米尺度的介观光子器件来说则存在诸多问题。

(1)空间分辨率问题——半导体材料等材料的电子特性研究不存在这个问题。这是由于电子的波长小于1nm(约0.1nm)。也就是说，在宏观尺度和在介观尺度研究材料的电子特性是一样的。因此，可以在宏观尺度研究材料特性，而在介观尺度直接使用。然而，这种方法在材料光子特性研究中则不成立。相比于可见光400～800nm的波长范围，介观光子器件的尺度几乎与此相同。这一尺度的器件将与光发生强烈的相互作用。也就是说，无法复制材料电子特性研究中的成功经验：将宏观研究成果延拓至介观。所以，光子器件及集成光路的性质研究只能在介观进行。例如，研究光纤传输特性的方法就无法应用于纳米线光波导(一种基于纳米线的纳米级光波导)。对于纳米线光波导，目前常用的方法是近场光学分析。这通常需要非常昂贵的设备。

(2)测量速度问题——当动量空间能谱技术应用于性质稳定的材料光子特性表征时，测量速度不会成为问题。但是，当该技术作为一个传感器监测参数变化时，过长的测量时间就会成为这个技术应用的障碍。而在生物探测，特别是基于微流控芯片的生物探测应用中，常常存在此类要求。在用于材料电子特性的动量空间能谱设备中，不同动量的能谱是通过电机带动机械转轴转动逐角度探测实现的。这种笨重而缓慢的探测技术显然无法满足生物光子探测所需。

目前阶段，对于介观尺度材料光学特性的表征仍然使用的是与电子动量空间能谱探测相同的探测臂角度转动方案。但是，随着科学研究的发展和光子产业的升级，对于能够在介观尺度精细表征材料光学特性，并且能够实时瞬态获取全部模式信息的强烈需求将促动相关检测技术的进步。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种动量空间光谱测量系统，可以通过多个光学元件实现样品实空间信息与动量空间信息之间的相互转化，利用光谱探测设备进行动量空间的光谱测量。该系统可以对微纳光子学材料进行动量空间光谱信息的探测与表征。

本发明采用如下技术方案实现上述目的：