红外激光测量硅片的折射率和厚度

1 请将电子版打印出来，仔细阅读，不懂之处用笔标记上，这样才算写了预习报告。老师将根据认真程度给预习分红外激光测量硅片的折射率和厚度实验类型：近代光学设计性实验实验地点：实训中心 2 号楼 1 楼 2123 教室实验日期：第 9-12 周（第一轮） ，每周 （例如周 五 ）节次 （例如 34 节）学生姓名： 学号： 手机号： Email:一 . 目的要求用光波导法测量硅片的折射率和厚度。实验要求达到：1、了解 Au-Si-Au 三层平板波导结构，理解导模的激发原理2、掌握导模测量的衰减全反射实验方法3、计算硅片的折射率和厚度二 . 仪器设备光纤激光器、小孔、 Au-Si-Au 波导、 ω -2 ω 转台、红外光电探测器、红外激光显示卡、电脑、电路控制箱。三 . 原理本实验采用光波导法测量硅片的折射率和厚度。将硅片的两个表面分别镀上 20 纳米与 200纳米厚的金膜，制作成 Au-Si-Au 双面金属包覆波导。实验装置如图 1 所示，波长 1550nm的红外激光经小孔被卡成口径 1mm的光束， 以小角度入射到 Au-Si-Au 双面金属包覆波导片的 20 纳米薄金膜上。 Au-Si-Au 双面金属包覆波导片置于 ω -2 ω 转台的中心转盘上，红外光电探测器固定在 ω -2 ω 转台的外圈上。 ω -2 ω 转台的外圈与中心转盘严格同心。计算机控制中心转台带动 Au-Si-Au 片以角速度 转动。由反射定律可知，被 Au-Si-Au 片反射的光线以角速度 2 转动。为了保证红外光电探测器跟上反射光的角度变化， ω -2 ω 转台的外圈以角速度 2 绕转台中心转动。 ω -2 ω 转台由计算机控制，它转过的角度经计算机处理后显示在测量软件的工作界面上。硅片金膜金膜小孔红外光纤激光器红外光电探测器电脑激光电源控制箱θ图 1 实验装置2 当激光的入射角为某些特定的角度时，激光在水平方向的波矢与导模的传播常数相匹配，激光的能量便会耦合进硅片，在硅片中激发出一系列导模，反射光的强度骤然减弱。用红外光电探测器测量反射光的强度，探测到的信号电压一般为几个毫伏，将这个信号经模拟放大电路放大，再通过 A/D 转换成数字信号传送给电脑处理。以入射光的角度为横坐标，反射光的强度为纵坐标，电脑自动在屏幕上描绘出曲线，即衰减全反射吸收峰。测量软件的界面如图 2 所示。图 2 导波的衰减全反射吸收峰m阶导模的色散方程可写为：)1(arctan2sin21221 mhm式中 h为硅片的厚度； ε 1为硅片的相对介电常数； θ m 为 m阶导模的模角，即图 1激光的某些特定的入射角，图 2衰减全反射吸收峰所对应的横坐标角度。 m为模阶数。 ε 2为金膜的相对复介电常数。对 λ =1550nm的激光， ε 2的实部相对于虚部是个比较大的数值，因此可以忽略掉虚部， ε 2=-90。如果测量出了模序数为 m-1、 m、 m+1连续三个导模的模角 θ m-1、 θ m、 θ m+1，便可联立超越方程：12211122112211arctan21sin2arctan2sin2arctan21sin2mhmhmhmmm解出硅片的厚度 h、相对介电常数 ε 1 再计算硅片的折射率 11n（ 2）3 四 . 实验步骤、测量内容、数据记录（ 1）设备开机：依次打开 ω -2 ω 转台控制箱的电源、电脑电源、光纤激光器电源。（ 2） 光路调整：红外激光器发出的波长为 1550nm的不可见光， 需要用红外激光显示卡观察激光的位置。 红外激光显示卡片由红外磷材料做成，当红外光激发磷材料， 储存的能量就以可以光的形式释放出来， 将不可见的红外光上转换为人眼可见的光。 将红外激光显示卡放到红外光电探测器之前， 检查激光是否照射到红外光电探测器的中心。 如果激光没有照射到红外光电探测器的中心， 可将固定红外光电探测器的转台外圈抬起， 转个角度让激光照射到红外光电探测器的中心，再将转台外圈底部的三个小轮放入沟槽中。（ 3） 零度入射角位置的校准： 在电脑上运行驱动转台的软件 “ StepperDAQ” ， 控制转台的转动。按“反向” ，转台逆时针转动。按“正向” ，转台顺时针转动。将反射光向靠近小孔方向转动。当反射光回穿过小孔时，激光垂直入射到 Au-Si-Au 片的表面，反射光沿着入射光路返回，此时的入射角为零度（注意电脑上显示为 60 度） 。按“反向” ，使转台逆时针转动，扫描出导波的衰减全反射吸收峰。（ 4）读出三个连续阶数导模的角度：在电脑屏幕显示的曲线上，将鼠标移到衰减全反射吸收峰的最低点，按鼠标右键，出现十字叉丝，读出当前显示的角度，再减去 60度，即为某阶导模的模角。读出三个连续的导模角，例如： θ m-1=18.90 0、 θ m=17.23 0、 θ m+1=16.03 0。请注意模角越小， 模阶数 m越大。 将三个导模角输入 Maple程序， 可解出硅片的 ε 1=10.9588, 厚度 h=297.2983微米 , 模阶数 m=1264。硅片的折射率 10.958811n五 . 软硬件的具体使用请阅读厂家提供的使用说明书，看不懂的地方问老师。六 . 注意事项1、近代光学实验教室内的仪器贵重，做实验时禁止喝饮料、吃零食；2、禁止触摸 Au-Si-Au 双面金属包覆波导片的表面；3、红外光不可见，危险！眼睛不要停留在光路上。光路末端用毛玻璃漫反射衰减激光，避免伤害到其他同学。激光功率不要调太高，会造成光电探测器饱和。4、使用红外激光显示卡时，不要让激光在一个位置照射过长时间，要时不时晃动卡片，避免损伤卡片；5、如果 ω -2 ω 转台转动的声音异常，请检查转台外圈底部三个小轮的皮箍圈是否脱落；6、不要用自带的 U盘拷贝数据，避免教室电脑染上病毒。七 . 观察与思考1、为什么测量硅片要用红外光？2、可否不转角度，而用波长可调谐激光扫描出导波的衰减全反射吸收峰？八 . 参考文献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 Physics D: Applied Physics, Vol. 41, pp.185105 (2008) 九 . 实验报告报告开头请填入姓名、学号、手机号、实验日期。请将报告电子版发到 zpf@sues.edu.cn 十 . 指导教师：朱老师 手机 13917324395