紅外激光測(cè)量硅片的折射率和厚度

1、請(qǐng)將電子版打印出來(lái)，仔細(xì)閱讀，不懂之處用筆標(biāo)記上，這樣才算寫(xiě)了預(yù)習(xí)報(bào)告。老師將根據(jù)認(rèn)真程度給預(yù)習(xí)分紅外激光測(cè)量硅片的折射率和厚度實(shí)驗(yàn)類(lèi)型：近代光學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：實(shí)訓(xùn)中心2號(hào)樓1樓2123教室實(shí)驗(yàn)日期：第9-12周（第一輪），每周 （例如周五）節(jié)次 （例如34節(jié)）學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 手機(jī)號(hào)： Email: 一. 目的要求用光波導(dǎo)法測(cè)量硅片的折射率和厚度。實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到：1、 了解Au-Si-Au三層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，理解導(dǎo)模的激發(fā)原理2、 掌握導(dǎo)模測(cè)量的衰減全反射實(shí)驗(yàn)方法3、 計(jì)算硅片的折射率和厚度二. 儀器設(shè)備光纖激光器、小孔、Au-Si-Au波導(dǎo)、-2轉(zhuǎn)臺(tái)、紅外光電探測(cè)器、紅外激光顯示卡、電

2、腦、電路控制箱。三. 原理本實(shí)驗(yàn)采用光波導(dǎo)法測(cè)量硅片的折射率和厚度。將硅片的兩個(gè)表面分別鍍上20納米與200納米厚的金膜，制作成Au-Si-Au雙面金屬包覆波導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，波長(zhǎng)1550nm的紅外激光經(jīng)小孔被卡成口徑1mm的光束，以小角度入射到Au-Si-Au雙面金屬包覆波導(dǎo)片的20納米薄金膜上。Au-Si-Au雙面金屬包覆波導(dǎo)片置于-2轉(zhuǎn)臺(tái)的中心轉(zhuǎn)盤(pán)上，紅外光電探測(cè)器固定在-2轉(zhuǎn)臺(tái)的外圈上。-2轉(zhuǎn)臺(tái)的外圈與中心轉(zhuǎn)盤(pán)嚴(yán)格同心。計(jì)算機(jī)控制中心轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)Au-Si-Au片以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。由反射定律可知，被Au-Si-Au片反射的光線(xiàn)以角速度2轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保證紅外光電探測(cè)器跟上反射光的角度變化，-

3、2轉(zhuǎn)臺(tái)的外圈以角速度2繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。-2轉(zhuǎn)臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制，它轉(zhuǎn)過(guò)的角度經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后顯示在測(cè)量軟件的工作界面上。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置當(dāng)激光的入射角為某些特定的角度時(shí)，激光在水平方向的波矢與導(dǎo)模的傳播常數(shù)相匹配，激光的能量便會(huì)耦合進(jìn)硅片，在硅片中激發(fā)出一系列導(dǎo)模，反射光的強(qiáng)度驟然減弱。用紅外光電探測(cè)器測(cè)量反射光的強(qiáng)度，探測(cè)到的信號(hào)電壓一般為幾個(gè)毫伏，將這個(gè)信號(hào)經(jīng)模擬放大電路放大，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給電腦處理。以入射光的角度為橫坐標(biāo)，反射光的強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，電腦自動(dòng)在屏幕上描繪出曲線(xiàn)，即衰減全反射吸收峰。測(cè)量軟件的界面如圖2所示。圖2 導(dǎo)波的衰減全反射吸收峰m階導(dǎo)模的色散方程可寫(xiě)為：式中h為

4、硅片的厚度；1為硅片的相對(duì)介電常數(shù)；m 為m階導(dǎo)模的模角，即圖1激光的某些特定的入射角，圖2衰減全反射吸收峰所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)角度。m為模階數(shù)。2為金膜的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)。對(duì)=1550nm的激光，2的實(shí)部相對(duì)于虛部是個(gè)比較大的數(shù)值，因此可以忽略掉虛部，2=-90。如果測(cè)量出了模序數(shù)為m-1、m、m+1連續(xù)三個(gè)導(dǎo)模的模角m-1、m、m+1，便可聯(lián)立超越方程：（2） 解出硅片的厚度h、相對(duì)介電常數(shù)1 再計(jì)算硅片的折射率四. 實(shí)驗(yàn)步驟、測(cè)量?jī)?nèi)容、數(shù)據(jù)記錄（1）設(shè)備開(kāi)機(jī)：依次打開(kāi)-2轉(zhuǎn)臺(tái)控制箱的電源、電腦電源、光纖激光器電源。（2）光路調(diào)整：紅外激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為1550nm的不可見(jiàn)光，需要用紅外激光顯示卡

5、觀(guān)察激光的位置。紅外激光顯示卡片由紅外磷材料做成，當(dāng)紅外光激發(fā)磷材料，儲(chǔ)存的能量就以可以光的形式釋放出來(lái)，將不可見(jiàn)的紅外光上轉(zhuǎn)換為人眼可見(jiàn)的光。將紅外激光顯示卡放到紅外光電探測(cè)器之前，檢查激光是否照射到紅外光電探測(cè)器的中心。如果激光沒(méi)有照射到紅外光電探測(cè)器的中心，可將固定紅外光電探測(cè)器的轉(zhuǎn)臺(tái)外圈抬起，轉(zhuǎn)個(gè)角度讓激光照射到紅外光電探測(cè)器的中心，再將轉(zhuǎn)臺(tái)外圈底部的三個(gè)小輪放入溝槽中。（3）零度入射角位置的校準(zhǔn)：在電腦上運(yùn)行驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的軟件“StepperDAQ”，控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。按“反向”，轉(zhuǎn)臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。按“正向”，轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。將反射光向靠近小孔方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)反射光回穿過(guò)小孔時(shí)，激光垂直入射到A

6、u-Si-Au片的表面，反射光沿著入射光路返回，此時(shí)的入射角為零度（注意電腦上顯示為60度）。按“反向”，使轉(zhuǎn)臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，掃描出導(dǎo)波的衰減全反射吸收峰。（4）讀出三個(gè)連續(xù)階數(shù)導(dǎo)模的角度：在電腦屏幕顯示的曲線(xiàn)上，將鼠標(biāo)移到衰減全反射吸收峰的最低點(diǎn)，按鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)十字叉絲，讀出當(dāng)前顯示的角度，再減去60度，即為某階導(dǎo)模的模角。讀出三個(gè)連續(xù)的導(dǎo)模角，例如：m-1=18.900、m=17.230、m+1=16.030。請(qǐng)注意模角越小，模階數(shù)m越大。將三個(gè)導(dǎo)模角輸入Maple程序，可解出硅片的1=10.9588,厚度h=297.2983微米,模階數(shù)m=1264。硅片的折射率五. 軟硬件的具體使用請(qǐng)閱

7、讀廠(chǎng)家提供的使用說(shuō)明書(shū)，看不懂的地方問(wèn)老師。六. 注意事項(xiàng)1、 近代光學(xué)實(shí)驗(yàn)教室內(nèi)的儀器貴重，做實(shí)驗(yàn)時(shí)禁止喝飲料、吃零食；2、 禁止觸摸Au-Si-Au雙面金屬包覆波導(dǎo)片的表面；3、 紅外光不可見(jiàn)，危險(xiǎn)！眼睛不要停留在光路上。光路末端用毛玻璃漫反射衰減激光，避免傷害到其他同學(xué)。激光功率不要調(diào)太高，會(huì)造成光電探測(cè)器飽和。4、 使用紅外激光顯示卡時(shí)，不要讓激光在一個(gè)位置照射過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，要時(shí)不時(shí)晃動(dòng)卡片，避免損傷卡片；5、 如果-2轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音異常，請(qǐng)檢查轉(zhuǎn)臺(tái)外圈底部三個(gè)小輪的皮箍圈是否脫落；6、 不要用自帶的U盤(pán)拷貝數(shù)據(jù)，避免教室電腦染上病毒。七. 觀(guān)察與思考1、 為什么測(cè)量硅片要用紅外光？2、 可否不轉(zhuǎn)角度，而用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光掃描出導(dǎo)波的衰減全反射吸收峰？八. 參考文獻(xiàn)J. H. Gu, G. Chen, Z. Q. Cao and Q. S. Shen, “An intensity measurement refractometer based on a symmetric metal-clad waveguide structure”, Journal of