[發(fā)明專利]一種利用微波近場技術(shù)表征鈮酸鋰波導(dǎo)的方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201610160881.2
• 申請日: 2016-03-21
• 公開（公告）號: CN105572425A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧明輝;韓旭;余思遠(yuǎn);陳延峰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24
• 代理公司: 南京知識律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用微波近場技術(shù)表征鈮酸鋰波導(dǎo)的方法，屬于近場顯微領(lǐng)域。

背景技術(shù)

人們利用電磁波進(jìn)行顯微成像，最廣泛的是在可見光波段(～400nm至～700nm)。不僅 因?yàn)槿庋劭梢蕴綔y可見光，同時也因?yàn)閬單⒚椎牟ㄩL結(jié)合傳統(tǒng)光學(xué)器件可以達(dá)到實(shí)用的分辨 率。這屬于遠(yuǎn)場光學(xué)的范疇。傳統(tǒng)的光學(xué)理論，如幾何光學(xué)、物理光學(xué)等，通常只研究遠(yuǎn)離光 源或者遠(yuǎn)離研究目標(biāo)的光場分布，一般統(tǒng)稱為遠(yuǎn)場光學(xué)。根據(jù)阿貝在1873年提出的理論，遠(yuǎn) 場光學(xué)存在一個分辨極限，即能夠被光學(xué)分辨的兩點(diǎn)間的距離總是大于波長的一半，這意味著 可見光波段的顯微鏡最高分辨率為200nm。但是對于近場相互作用，并沒有這樣的極限。1928 年，辛格(“掃描近場微波顯微鏡測量非線性介電常數(shù)的理論校準(zhǔn)系數(shù)”[J].《物理學(xué)報》, 2003,52(1):34-38.)提出了一種達(dá)到超高分辨率顯微鏡的構(gòu)想，其原理便是基于近場相互作 用。辛格認(rèn)為用比波長更小的點(diǎn)源在足夠近的距離內(nèi)照明物體，或用比波長更小的點(diǎn)探測器在 足夠近的距離內(nèi)探測物體的散射波，分辨率可以突破衍射極限。辛格的構(gòu)想是在金屬薄片上制 作一個亞波長尺寸的洞，通過這個洞發(fā)射電磁波并使其在樣品表面掃描。這種顯微鏡不再像傳 統(tǒng)光學(xué)顯微鏡那樣直接同時獲得觀測物體的整體信息，而是在樣品表面連續(xù)掃描分別獲得各塊 區(qū)域的信息，最終得到完整的圖像。這便是近場成像技術(shù)的起源。

微波是整個電磁頻譜非常重要的組成部分，可以與物質(zhì)發(fā)生豐富的相互作用，微波在測量 電學(xué)性質(zhì)方面有著巨大的優(yōu)勢，微波可以在空氣中無阻礙的傳播，并且其反射信號直接與樣品 的電學(xué)性質(zhì)有關(guān)；而原子力顯微術(shù)有超高的空間分辨率，是納米研究的核心工具。將微波技術(shù) 與原子力顯微術(shù)結(jié)合將實(shí)現(xiàn)一種全新的掃描近場微波顯微術(shù)，該技術(shù)可以探測樣品在微納米尺 度的多種電學(xué)性質(zhì)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

鈮酸鋰晶體具有大的電光、聲光及非線性光學(xué)系數(shù)，材料的化學(xué)性能穩(wěn)定，被廣泛用于制 備各種光波導(dǎo)器件，成為集成光學(xué)最常用的無機(jī)介電晶體材料。在集成光學(xué)中，通常采用光波 導(dǎo)來導(dǎo)光，即將光導(dǎo)入器件或從器件中將光導(dǎo)出。大部分集成光學(xué)器件，如光學(xué)調(diào)制器、波分 復(fù)用器、光耦合器、光濾波器、光開關(guān)等，都是以光波導(dǎo)為基礎(chǔ)的，同時光波導(dǎo)又是器件不可 分割的一部分。光波導(dǎo)器件是集成光學(xué)系統(tǒng)的基本元件，所以光波導(dǎo)器件性能的好壞直接影響 到整個集成光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量。

目前表征光波導(dǎo)性質(zhì)的常用方法有端面耦合法、光纖掃描法和棱鏡耦合法等等，但是這些 方法都不能迅速給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且往往還會破壞光波導(dǎo)本身的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種利用微波近場技術(shù)快速表征鈮酸鋰波導(dǎo)的方法，為分析鈮酸 鋰波導(dǎo)的電學(xué)特性提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種利用微波近場技術(shù)表征鈮酸鋰波導(dǎo)的方法，使用原子力顯微鏡微波近場探針的尖端在 鈮酸鋰波導(dǎo)的表面掃描，其特征在于，將微波信號通過定向耦合器和傳輸線傳導(dǎo)進(jìn)入探針的尖 端，微波信號在鈮酸鋰波導(dǎo)的表面反射后進(jìn)入所述定向耦合器，反射的微波信號和一路消除信 號同時經(jīng)過放大器的放大進(jìn)入混頻器解調(diào)，得到兩組直流信號，這兩組直流信號分別對應(yīng)于探 針的尖端與鈮酸鋰波導(dǎo)之間的阻抗實(shí)部和虛部，即電阻R和電容C。

所述微波信號的頻率為3GHz，微波信號的功率為0.1～10μW。

本發(fā)明的探測方法，能夠在不損傷鈮酸鋰光波導(dǎo)表面的情況下迅速地到針尖-鈮酸鋰光波 導(dǎo)之間阻抗的實(shí)部和虛部信號的分布情況，并由此通過comsol數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)一步推導(dǎo)出鈮 酸鋰光波導(dǎo)表面電導(dǎo)率和介電常數(shù)相對大小的分布情況。這為實(shí)驗(yàn)上探測鈮酸鋰光波導(dǎo)的分界 區(qū)域、有無表面裂紋、分布是否均勻提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為進(jìn)一步改善制備工藝提供了 重要的實(shí)驗(yàn)支持。本發(fā)明的優(yōu)勢在于：能夠?qū)崿F(xiàn)快速、無損的鑒別出鈮酸鋰質(zhì)子交換光波導(dǎo)的 分界區(qū)域、有無表面裂紋，對于更好的制備鈮酸鋰質(zhì)子交換波導(dǎo)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。相比于端面 耦合法觀測鈮酸鋰波導(dǎo)，本方法無須損壞樣品；相比于光纖掃描法，本方法分辨率更高速度更 快；相比于棱鏡耦合法，本發(fā)明使用的裝置更加簡單，且操作更加便捷，短時間內(nèi)就可以獲得 鈮酸鋰波導(dǎo)的許多電學(xué)特性。

附圖說明

圖1(a)是本發(fā)明方法的裝置示意圖，(b)微波等效電路圖；