[发明专利]一种利用微波近场技术表征铌酸锂波导的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用微波近场技术表征铌酸锂波导的方法，属于近场显微领域。

背景技术

人们利用电磁波进行显微成像，最广泛的是在可见光波段(～400nm至～700nm)。不仅 因为肉眼可以探测可见光，同时也因为亚微米的波长结合传统光学器件可以达到实用的分辨 率。这属于远场光学的范畴。传统的光学理论，如几何光学、物理光学等，通常只研究远离光 源或者远离研究目标的光场分布，一般统称为远场光学。根据阿贝在1873年提出的理论，远 场光学存在一个分辨极限，即能够被光学分辨的两点间的距离总是大于波长的一半，这意味着 可见光波段的显微镜最高分辨率为200nm。但是对于近场相互作用，并没有这样的极限。1928 年，辛格(“扫描近场微波显微镜测量非线性介电常数的理论校准系数”[J].《物理学报》, 2003,52(1):34-38.)提出了一种达到超高分辨率显微镜的构想，其原理便是基于近场相互作 用。辛格认为用比波长更小的点源在足够近的距离内照明物体，或用比波长更小的点探测器在 足够近的距离内探测物体的散射波，分辨率可以突破衍射极限。辛格的构想是在金属薄片上制 作一个亚波长尺寸的洞，通过这个洞发射电磁波并使其在样品表面扫描。这种显微镜不再像传 统光学显微镜那样直接同时获得观测物体的整体信息，而是在样品表面连续扫描分别获得各块 区域的信息，最终得到完整的图像。这便是近场成像技术的起源。

微波是整个电磁频谱非常重要的组成部分，可以与物质发生丰富的相互作用，微波在测量 电学性质方面有着巨大的优势，微波可以在空气中无阻碍的传播，并且其反射信号直接与样品 的电学性质有关；而原子力显微术有超高的空间分辨率，是纳米研究的核心工具。将微波技术 与原子力显微术结合将实现一种全新的扫描近场微波显微术，该技术可以探测样品在微纳米尺 度的多种电学性质，具有非常广阔的应用前景。

铌酸锂晶体具有大的电光、声光及非线性光学系数，材料的化学性能稳定，被广泛用于制 备各种光波导器件，成为集成光学最常用的无机介电晶体材料。在集成光学中，通常采用光波 导来导光，即将光导入器件或从器件中将光导出。大部分集成光学器件，如光学调制器、波分 复用器、光耦合器、光滤波器、光开关等，都是以光波导为基础的，同时光波导又是器件不可 分割的一部分。光波导器件是集成光学系统的基本元件，所以光波导器件性能的好坏直接影响 到整个集成光学系统的质量。

目前表征光波导性质的常用方法有端面耦合法、光纤扫描法和棱镜耦合法等等，但是这些 方法都不能迅速给出实验结果，而且往往还会破坏光波导本身的结构。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用微波近场技术快速表征铌酸锂波导的方法，为分析铌酸 锂波导的电学特性提供了可靠的实验依据。

本发明采用的技术方案为：

一种利用微波近场技术表征铌酸锂波导的方法，使用原子力显微镜微波近场探针的尖端在 铌酸锂波导的表面扫描，其特征在于，将微波信号通过定向耦合器和传输线传导进入探针的尖 端，微波信号在铌酸锂波导的表面反射后进入所述定向耦合器，反射的微波信号和一路消除信 号同时经过放大器的放大进入混频器解调，得到两组直流信号，这两组直流信号分别对应于探 针的尖端与铌酸锂波导之间的阻抗实部和虚部，即电阻R和电容C。

所述微波信号的频率为3GHz，微波信号的功率为0.1～10μW。

本发明的探测方法，能够在不损伤铌酸锂光波导表面的情况下迅速地到针尖-铌酸锂光波 导之间阻抗的实部和虚部信号的分布情况，并由此通过comsol数值模拟计算进一步推导出铌 酸锂光波导表面电导率和介电常数相对大小的分布情况。这为实验上探测铌酸锂光波导的分界 区域、有无表面裂纹、分布是否均匀提供了强有力的技术支持，为进一步改善制备工艺提供了 重要的实验支持。本发明的优势在于：能够实现快速、无损的鉴别出铌酸锂质子交换光波导的 分界区域、有无表面裂纹，对于更好的制备铌酸锂质子交换波导提供了实验依据。相比于端面 耦合法观测铌酸锂波导，本方法无须损坏样品；相比于光纤扫描法，本方法分辨率更高速度更 快；相比于棱镜耦合法，本发明使用的装置更加简单，且操作更加便捷，短时间内就可以获得 铌酸锂波导的许多电学特性。

附图说明

图1(a)是本发明方法的装置示意图，(b)微波等效电路图；