[发明专利]一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

宽禁带透明材料具有诸多优良的物理化学性能，如有较高的透光性，良好的化学稳定性，较高的硬度，优异的绝缘性能等。而微孔则是诸多微器件(如三维微纳光学器件，微流体器件，高灵敏度传感器件等)的主要结构之一，其质量对微器件性能具有重要影响。通常微孔加工方法有超快激光技术、聚焦电子束加工、聚焦离子束加工等。

不论是研究微孔加工工艺还是研究含有微孔结构的器件，为了获得满足符合质量要求的微孔，就必须对微孔相关结构尺寸做详细测量。通常，针对微孔结构的传统检测手段主要包括通过光学显微镜及扫描电子显微镜观察来测量微孔的几何形貌(包括微孔长度，直径，入口的圆度等)，以及将微孔抛开后通过扫描电子显微镜观察微孔内壁情况。

但是由于超快激光、聚焦电子束以和聚焦离子束这三者在加工时都会产生一定的热效应和冲击应力，从而在加工孔的孔壁附近产生一定厚度的由于材料晶格畸变及密度变化造成的重铸层，如图1所示，由于重铸层将影响微孔结构的实际使用性能，因而重铸层的相关性质(厚度、密度、折射率等)是微孔质量的主要指标之一。

由于微孔的尺寸极小(通常在几百纳米到十几微米之间)，因而很难直接测量其外围重铸层。在加工过程中，由于热效应和冲击应力等的影响，微孔孔壁附近区域材料的密度、晶格结构、光学性质等将会发生变化，因而可以通过对其附近区域诸如硬度、折射率、反射率等参数的变化来确定微孔周围重铸层的厚度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术仅通过测量几何形貌、内壁情况无法得出重铸层的厚度，进而无法精确测量微孔质量的问题，提供一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置及方法，该方法能够精确测得重铸层的厚度和折射率。

一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量装置，包括光源，起偏器，缩束系统，机械转台，扩束系统，检偏器，光强检测器；

测量时由光源产生的光经过起偏器来控制其偏振方式，再经过缩束系统将光的直径缩小到小于样品光栅区域的尺寸，经过缩束后的光照射样品，之后零级衍射光经过扩束系统及检偏器后到达强探测器，最终由光强探测器检测光的强度；样品放置在机械转台上；

一种透明材料上高深径比微孔重铸层的测量方法，具体步骤如下：

步骤一、样品制备；

制备两份完全相同的待加工样品；一份作为测试样品，一份作为参考样品；

所述样品为长方体，且长度和高度需大于检测光的直径，其中长宽高分别记为L₁，L_w，L_h，其前后表面为L₁与L_h所成的平面，上下表面为L₁与L_w所成的平面，左右表面为L_h与L_w所成的平面；样品厚度需大于加工微孔直径的3倍；样品前后表面及上表面需要做抛光处理；

沿测试样品上表面L₁方向在中心线处加工一连串等间距的微孔；所述微孔加工参数相同；所述微孔与样品上表面垂直；

步骤二、对微孔结构的几何尺寸进行测量，所述测量尺寸包括微孔直径d、微孔间距D及微孔长度l；

步骤三、对测试样品光学性质进行测量；将测试样品固定放置于机械转台上，测试样品前表面需要与检测光垂直；从上表面看，测试样品上微孔阵列中心与机械转台中心重合；从前表面看，光束需照射在微孔阵列区域的中心位置；

确定初始的检测光强值与偏振值，所述检测光强值与偏振值可以为任意值；调整缩束系统使光束直径小于微孔的长度l，使得光束完全通过样品中的微孔阵列；然后调节扩束系统、检偏器与光强检测器，使得样品零级衍射光被垂直射入光强检测器；

转动机械转台，使得测试样品与检测光所成的角度逐渐变化，光强检测器记录不同角度下的测试样品的零级衍射光强值A₁；

步骤四、对参考样品光学性质进行测量；保持步骤三的检测状态不变，用参考样品替换测试样品，光强检测器记录不同角度下的参考样品的零级衍射光强值A₂；

步骤五、建模计算；