一种介电超晶格材料周期测量仪及其使用方法

摘要

本发明公开了一种介电超晶格材料周期测量仪，包括激光光源、屏幕和刻度装置，待测介电超晶格材料放置于激光光源和刻度装置之间，所述激光光源垂直于待测介电超晶格材料表面，所述屏幕平行于待测介电超晶格材料表面，所述刻度装置置于屏幕上。本发明采用光栅衍射原理，使用激光对介电体超晶格材料表面照射，通过检测透过的衍射点来判定材料周期。本发明装置简单，操作方便快捷，且准确度高。

权利要求

1.一种介电超晶格材料周期测量仪，其特征在于：包括激光光源(1)、屏幕(7)和刻度装置(3)，待测介电超晶格材料放置于激光光源(1)和刻度装置(3)之间，所述激光光源(1)垂直于待测介电超晶格材料表面，所述屏幕(7)平行于待测介电超晶格材料表面，所述刻度装置(3)置于屏幕(7)上；所述刻度装置(3)包含标准标尺轴和对应级数标尺轴，所述标准标尺轴上刻有标准刻度，所述对应级数标尺轴按照如下方法标注：设定波长为λ、刻度装置(3)与待测介电超晶格材料之间的距离为D时，基于公式 取衍射条纹级数N＝1、3、5、7，分别对应制作4个对应级数标尺轴，利用标准标尺轴测量对应级数的衍射条纹与刻度装置的零点之间的距离为x，不断改变x的大小，在每个对应级数标尺轴上按照上述公式计算得到每个x对应的周期d，并在对应级数标尺轴上的x处注明该处对应的周期d。

2.根据权利要求1所述的一种介电超晶格材料周期测量仪，其特征在于：所述激光光源(1)的光束口径为0.1～1mm，波长λ为400～800nm。

3.根据权利要求1所述的一种介电超晶格材料周期测量仪，其特征在于：所述待测介电超晶格材料放置于载物台(2)内，所述载物台(2)上设置有位移微调装置。

4.根据权利要求3所述的一种介电超晶格材料周期测量仪，其特征在于：所述待测介电超晶格材料放置于载物台(2)内的平台(5)上，所述平台(5)透明。

5.根据权利要求1所述的一种介电超晶格材料周期测量仪，其特征在于：所述刻度装置(3)具有中心转轴，且标准标尺轴和对应级数标尺轴的零点均重合于中心转轴处。

6.一种权利要求1所述的介电超晶格材料周期测量仪的使用方法，其特征在于：选择激光波长为设定的波长λ，打开激光光源(1)，发射出波长λ的激光垂直照射至待测介电超晶格材料表面，刻度装置(3)的零点对准激光光源(1)，保持刻度装置(3)与待测介电超晶格材料之间的距离为D不变，观察衍射条纹，在对应级数标尺轴上找出所对应级数的衍射条纹的位置，并读取对应级数标尺轴在该位置处标注的周期d。

说明书

一种介电超晶格材料周期测量仪及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光检测领域，涉及到一种介电体超晶格材料的内部光栅周期的测量装置。

背景技术

[0002] 非线性极化率受到周期性调制的人工晶体被称为光学超晶格，其在激光变频技术方面有着重要作用。激光变频技术属于非线性光学效应。激光变频过程中的位相失配可以通过晶体非线性极化率的周期性调制来补偿，从而使光的非线性变化得以高效完成。

[0003] 在激光变频过程中，要想得到一定频率的光，首先要根据为相匹配中的动量守恒算出所需的倒格矢Δk＝k2ω-2kω＝Gm，而晶体的周期与倒格矢关系是 故在激光变频中对晶体周期的测量尤为重要。

[0004] 对晶体周期的测量可采用直接观察的方法，实验室中可用显微镜直接观察晶体的正负筹结构。通过矫正后用电脑量出周期间隔。但是该方法但在使用时需要较准、对焦，及调节光照等操作，使用过程繁琐，且若校准不好会导致准确性不高。介电体超晶格材料两端是光的输入和输出端，在测量时频繁的操作晶体会造成一定的损伤。

发明内容

[0005] 要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种简单易操作的介电超晶格材料周期测量仪，克服现有技术中利用显微镜直接观察的方法过程繁琐、准确性不高，且频繁操作会造成晶体损伤的技术问题。

[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种介电超晶格材料周期测量仪，其特征在于：包括激光光源、屏幕和刻度装置，待测介电超晶格材料放置于激光光源和刻度装置之间，所述激光光源垂直于待测介电超晶格材料表面，所述屏幕平行于待测介电超晶格材料表面，所述刻度装置置于屏幕上。

[0008] 进一步的，在本发明中，所述激光光源的光束口径为0.1～1mm，波长λ为400～800nm。控制光束口径，可便于提高测量距离的精度。

[0009] 进一步的，在本发明中，所述待测介电超晶格材料放置于载物台内，所述载物台上设置有位移微调装置。对待测介电超晶格材料不同位置进行测量，可以避免直接移动待测介电超晶格材料而造成损坏。

[0010] 进一步的，在本发明中，所述刻度装置包含标准标尺轴和对应级数标尺轴，所述标准标尺轴上刻有标准刻度，所述对应级数标尺轴按照如下方法标注：设定波长为λ、刻度装置与待测介电超晶格材料之间的距离为D时，基于公式 取衍射条纹级数N=1、3、5、7，分别对应制作4个对应级数标尺轴，利用标准标尺轴测量对应级数的衍射条纹与刻度装置的零点之间的距离为x，不断改变x的大小，在每个对应级数标尺轴上按照上述公式计算得到每个x对应的周期d，并在对应级数标尺轴上的x处注明该处对应的周期d。标注标准刻度的标尺轴可用于测量实际距离以及矫正，剩余标尺轴可方便地读取周期d。根据公式可知，x和周期d是非线性变化的，有些区间d随x的变化非常大，无法标注的，只有在d随x的变化较小的区间内，标注才具有准确性。

[0011] 更为优选的，在本发明中，所述刻度装置具有中心转轴，且标准标尺轴和对应级数标尺轴的零点均重合与中心转轴处。

[0012] 更进一步的，所述待测介电超晶格材料放置于载物台内的平台上，所述平台透明。平台既起到支撑待测介电超晶格材料的作用，又可使激光穿过而不聚热。

[0013] 在使用本发明装置时，选择激光波长为设定的波长λ，只需打开激光光源，发射出波长λ的激光垂直照射至待测介电超晶格材料表面，标尺的零点对准激光光源，保持刻度装置与待测介电超晶格材料之间的距离为D不变，观察衍射条纹，在对应级数标尺轴上找出所对应级数的衍射条纹的位置，并读取对应级数标尺轴在该位置处标注的周期。在使用时，刻度装置与待测介电超晶格材料之间的距离D和激光的波长λ均与标注对应级数标尺轴时选定的相同。

[0014] 有益效果：

[0015] 本发明采用光栅衍射原理，使用激光对介电体超晶格材料表面照射，通过检测透过的衍射点来判定材料周期，本发明结构简单，操作方便。

[0016] 本仪器设置了位移微调装置，可通过调节位移微调装置调节节点超晶格材料的位置，避免了对待测材料的损伤。

[0017] 同时设置含有多个标尺轴的刻度装置，投入使用前只需制作好该刻度装置，在以后的使用中就可直接读取相应级数衍射条纹位置处的周期，测量方便快捷，无需每次通过光栅公式进行计算。结合激光口径设置标尺的分度值，既方便观察又将误差控制在合理的范围内。

附图说明

[0018] 图1为光栅衍射光路示意图；

[0019] 图2为本发明装置的光路图；

[0020] 图3为本发明中标尺的刻度图；

[0021] 图4为本发明中载物台的结构示意图；

[0022] 图5为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0024] 如图5所示，一种介电超晶格材料周期测量仪，包括激光光源1、屏幕7和刻度装置3，还包括载物台2，所述载物台2置于激光光源1和刻度装置3之间，激光光源1、屏幕7和载物台2通过竖直的导轨6组成一个整体。如图4所示，所述待测介电超晶格材料放置于载物台2内的透明平台5上，所述载物台2上设置有位移微调装置5，位移微调装置4包括滑杆8和旋转机构4，滑杆8和旋转机构4配合可使待测介电超晶格材料在水平面内移动。
所述激光光源垂直于待测介电超晶格材料表面，所述激光光源的光束口径为0.1～1mm，发射波长λ为400～800nm，所述屏幕7平行于待测介电超晶格材料表面，刻度装置3置于屏幕7上用于测量距离。

[0025] 图3为刻度装置3上的刻度图样。该刻度装置3包含3个标尺轴且具有一个共同的中心转轴，每个标尺轴的零点相同且均与中心转轴重合；其中一根标尺轴为标准标尺轴，其上标注标准刻度，剩余两标尺轴为对应级数标尺轴，上按照以下方法标注：为提高测量的准确性，将1、3、5、7四个级数衍射条纹所对应的标尺刻写到对应级数标尺轴上，其中一个对应级数标尺轴选取第1级和第3极衍射条纹，另一个对应级数标尺轴选取第5级和第7级衍射条纹。设定波长为λ、刻度装置与待测介电超晶格材料之间的距离为D时，基于公式取衍射条纹级数N=1、3、5、7，分别对应制作4个对应级数标尺轴，利用公式在N=1，3，5，7时，在每个对应级数标尺轴上按照上述公式计算得到每个x对应的周期d，并在对应级数标尺轴上的x处注明该处对应的周期d。

[0026] 上述计算式是根据光的衍射原理得到的，如图1为光栅衍射光路示意图。平行光在入射到光栅上时会发生光栅衍射，其中d为两狭缝之间的距离，由于节点超晶格材料本身结构的固有特性，d即为节点超晶格材料的周期，即为所需要测量的量。图中的θ为衍射角，在此角度下若光束满足dsinθ＝Nλ，就会在此角度下发生干涉，产生亮条纹，便利用此亮条纹来读取周期，其中N为明纹的级数，λ为光的波长。

[0027] 图2为本发明装置的光路图，D为节点超晶格材料与刻度盘之间的距离。θ为衍射角，x则表示该级衍射条纹距离衍射图案中心之间的距离。图2中显示的是第一级衍射条纹。由图可知，满足以下关系：

[0028]

[0029] 结合光栅方程，代换得到下列计算式

[0030] 上述计算式中，d为光栅周期；θ为光的衍射角度；N为衍射条纹级数；λ为所选取激光器波长，设定标注对应级数标尺轴时为660nm的红光激光器，且这里选定的激光器2
光束为准直的红光，质量因子M<3,因为平行光束在通过光栅结构时仍平行的打到刻度装置上；D为激光光栅距离屏幕的距离，即刻度装置与待测介电超晶格材料之间的距离，设定标注对应级数标尺轴时考虑到操作舒适设定为330mm；x为第N级衍射条纹距离衍射图案中心的距离。

[0031] 本发明的使用方法为：使得刻度装置的零点对准激光光源，保持测量得到刻度装置与待测介电超晶格材料之间的距离仍为D，打开激光光源，激光光源发射出波长λ的激光垂直照射至待测介电超晶格材料表面，这里的实际的激光波长λ与标注对应级数标尺轴时公式中使用的波长λ相同，待测介电超晶格材料在激光照射下其内部的光栅结构会使光束发生衍射现象，在屏幕7上观察衍射条纹，在对应级数标尺轴上找出所对应级数的衍射条纹的位置，并读取对应级数标尺轴在该位置处标注的周期d。

[0032] 一般情况下，材料周期大的对应于衍射条纹比较密集，可对应寻找第5级和第7级衍射条纹，再转动刻度装置，寻找所对应级数标尺轴上相应级数条纹位置，在该级条纹处读取周期即可；材料周期小的对应于衍射条纹比较稀疏，可对应于寻找可对应寻找第1级和第3级衍射条纹，再转动刻度装置，寻找所对应级数标尺轴上相应级数条纹位置，在该级条纹处读取周期即可。

[0033] 测量误差分析：一般的激光的光束光斑为2mm，而刻度的间隔一般为1mm，不同级衍射条纹对应的刻度分度值不同，故准确度不同。由于激光光斑半径为2mm，故误差大约为各级条纹最小分度值的两倍，在合理范围内。

[0034] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。