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光学薄膜的特性检测 第三组徐彩霞李佳张琨张立宏路高原 光度法测量薄膜的光学常数 所谓光度法 指的是通过测量样品的反射率和透射率 经过计算 求出光学常数的方法 这里的光学常数一般是指薄膜的折射率和消光系数 这种方法虽然精度不是很高 但已经能满足设计和制备的要求 所有得到广泛的应用 2 利用反射率求折射率 考虑透明膜的情况 也就是在考虑的波段内 均匀膜层对光没有吸收 假定薄膜的折射率没有色散在膜厚为 4奇数倍的那些波长上 其反射率为 式中 n是膜层的折射率 ns是基片的折射率 no是入射媒质折射率 3 于是测量折射率就成了简单的事情 只需要读取极值反射率 然后从上式求解n 同时 和 是两个相邻的极大 或极小 反射率波长 利用反射率求折射率 4 上面没有消除基片背面反射的影响 要做到这一点 可将基片做成楔形 或将基片背面磨毛 涂黑 或者作以下的修正 Ro是基片背面反射率 RF是光度计实测的反射率值 将Rm带入上面求得n 可求得薄膜厚度d为 利用反射率求折射率 5 利用透射率求折射率 测量透射率时 修正式为 To是未镀膜前基片的测量投射率 TF是膜厚 4奇数倍时测量的极值透射率 当nd等于 4的奇数倍时 上式透射率取得极值 6 光经过镀膜基片的透射率为 式中 T1 R1分别为镀膜表面的投射率和反射率 T2 R2分别为基片 空气表面的透射率和反射率 a和b为基片的吸收系数和厚度 利用透射率求折射率 7 所以 于是得 光经过清洁基片的透射率为 利用透射率求折射率 8 上式求出Tm 而后带入上面式子便得到n这种方法不仅校正了基片背面的吸收的影响 而且由于采用比较法测量 减小了光度计的测量误差 前面我们假定膜层没有吸收 实际透明膜或多或少会有一些吸收 可采用多次反射 通过延长光学路径的办法 便能测量若吸收的吸收系数 利用透射率求折射率 9 吸收系数的测量 这个装置由完全透明的平行平板做成 选择平板折射率no和角度i 以保证空气中能发生全反射 若平板长度为L 厚度为do 10 在膜层中的传播路径为 平板 膜层内表面的反射系数为 由于膜层是吸收的 则光在膜层中每来回一次光强度就衰减一次 吸收系数的测量 11 于是经过2N次反射后从平板射出的光强变为 令 则可求出 为 吸收系数的测量 12 薄膜折射率的测量 布儒斯特角方法 布儒斯特定律 当线偏振光入射到折射率为n2的介质表面上时 如果偏振光平行于入射面 若入射角为布儒斯特角b 则入射光将不发生反射而全部透射 因此若入射角 直到反射光强为零时 得到布儒斯特角 从而计算介质的折射率n2 利用这种方法可以测量只有介质的折射率 薄膜的折射率也可以这样的到 布儒斯特角方法 薄膜折射率的测量 用这种方法测量的精确度较低 因为入射波虽然在薄膜上表面不发生反射 但是在薄膜与基片的界面上仍有反射光透过薄膜折射进入空气 从而干扰测量 为了解决这个问题设计了如下的一种镀膜形式 当用线偏振光入射时 迎着反射光观察基片表面 由于膜层和玻璃表面的反射系数不同 所以能够看见镀膜区与不镀膜区域的分界线 当光线的入射角等于布儒斯特角时 膜的上表面没有反射光 但是在膜的后表面会有光被反射回来 现在用菲涅尔公式 膜层与玻璃上的振幅反射系数为 ng为基片玻璃折射率 i为介质膜射向基片的入射角 ig为基片中的折射角 薄膜折射率的测量 布儒斯特角方法 n ng i ig 当入射介质薄膜光线的入射角为b时 应用入射角和折射角互余和折射定律有 而入射波在空气与基片界面的反射系数为 从上述两式可以得到当一布儒斯特角入射时 镀膜区与不镀膜区域的反射率相同 即 迎着反射光看时明暗界限将消失 呈现一篇均匀照明 这样 当用角度为b的入射光入射时 根据布儒斯特定律即可求出薄膜的折射率 薄膜折射率的测量 布儒斯特角方法 n ng 准波导法是利用棱镜耦合来测量沉积在低折射率衬底上或者高折射率棱镜底面上的聚合物薄膜的折射率和厚度的一种方法 其实验装置图如下图所示 激光器 偏振片 透镜 准波导法 薄膜折射率的测量 光波从棱镜射到薄膜中去 形成共振导膜 导膜又经棱镜耦合射出 透射到观察屏上在观察屏上出现数条明亮的线 如图2 图2 图1 每一条亮线代表不同阶m的一个模 其中光斑所在的亮线是棱镜直接耦合得到的 其它的是由散射产生的 转动二维平台让光斑依次对准每一条亮线 即可读出没一个亮线的耦合角 m 薄膜折射率的测量 准波导法 现在用折射率为np的等腰直角棱镜做为耦合棱镜 使底部与被测薄膜紧密接触 设聚合物薄膜的折射率为n 衬底的折射率为ng 当np n ng时 棱镜薄膜衬底就组成一个准波导设棱镜中光波入射角为 2 由于导膜的传播并不连续 因而 2也不连续 只有在一定角度下才能激发出导膜 棱镜中的入射角一半较难测量 但是入射到棱镜上的 m是可以精确测量的 设棱镜底角为 则准导膜的有效折射率的实验值可以通过下列式子计算得到 薄膜折射率的测量 准波导法 光波在薄膜内沿z路径传 在1 3界面与1 2界面之间经过一个传播周期的横向 x向 位移为 其中 12和 23分别为光波在两界面上的反射相移 d为厚度 k为传播常数在z方向的分量 当 为2 的整数倍时得到共振漏膜方程 其中m为模阶数 k可以表示为 薄膜折射率的测量 准波导法 其中 k为光波在自由空间的传播常数 N为薄膜的有效折射率 即N nsin 1 1为进入薄膜内的光波在1 2界面上的反射角 在准波导的情况下 np n ng n N ng 12 式中 为入射光偏振依赖因子 当 0时s偏振 2时p偏振 对于s偏振 由2 5式 得到薄膜光关于s偏振光的折射率的超越方程 薄膜折射率的测量 准波导法 其中 NiNj分别是入射光片深圳时第i和j模的有效折射率 它的值由实验来确定 解这个方程即可得到薄膜的折射率no 同时还可以得到薄膜厚度的表达式 对于p偏振 同以上方法 只是 取2 然后再带入薄膜厚度的表达式 得到薄膜光关于p偏振光的折射率的超越方程 薄膜折射率的测量 准波导法 此处的n为各向异性薄膜的e光折射率 它的值依赖于光的传播方向 它于非常光的主折射率no Nm的关系式为 带入上式并求解可得到各向异性薄膜对应的非常光主折射率 薄膜折射率的测量 准波导法 椭偏法测量的基本思路是 起偏器产生的线偏振光经取向一定的1 4波片后成为特殊的椭圆偏振光 把它投射到待测样品表面时 只要起偏器取适当的透光方向 被待测样品表面反射出来的将是线偏振光 根据偏振光在反射前后的偏振状态变化 包括振幅和相位的变化 便可以确定样品表面的许多光学特性 薄膜光学常数的椭圆偏振量 薄膜光学常数的椭圆偏振量 薄膜光学常数的椭圆偏振量 薄膜光学常数的椭圆偏振量 薄膜光学常数的椭圆偏振量 薄膜光学常数的椭圆偏振量 薄膜光学常数的椭圆偏振量 薄膜光学常数的椭圆偏振量 光学薄膜系统透射比 反射比和弱吸收的测量 光学薄膜系统参数测量包括介质膜折射率测量 光学薄膜厚度测量 光学薄膜透射比测量 光学薄膜反射比测量 光学薄膜吸收比测量 光学薄膜散射比测量 薄膜机械强度和应力测量等 我们介绍光学薄膜透射比 反射比和弱吸收测量 薄膜系统透射比的测量 薄膜系统透射比的测量 光学薄膜透射比是反映光学元件和光学系统透光性能坏的重要参数 通常采用的测量方法有单光路法和双光路法 单光路测量法 测量时先调节单色仪波长 样品室不放样品 这时在样品室得到波长为 的平行单色光 光电接收装置显示数值I0 放入样品 光电接收装置显示数值I 则该波长的样品透射比T为 薄膜系统透射比的测量 然后取出样品 调节单色仪到另一个新的波长值 2 重复上述过程 得到 2波长的透射比 单光路测量薄膜元件透射比的方法优点是设备简单 精度高 而主要缺点是每个波长都要测量两次 麻烦 因此几乎被双光路测量所代替 薄膜系统透射比的测量 薄膜系统透射比的测量 双光路法 分光系统先将光源的光反射后进入单色仪 经分色后再进入分光系统被分解为二束光 一束进入样品室 通过样品进入光电接收器 得到光强度值I 另一束进入参考光室 再入射到另一光电接收器上得到光强度值I0 电信号系统 将这两个信号值相除 就得到这个波长的透射比T 让单色仪自动扫描 记录仪同步记录的就是样品的光谱透射比T 薄膜系统透射比的测量 薄膜系统反射比的测量 测量时先不放被测样品 光电接收器D放在位置 测得光强I0 插入被测样品 光电接收器转到位置 测得光强I1 于是被测样品的反射比R为 薄膜系统反射比的测量 高能激光的发展要求有质量非常高的光学薄膜 光学薄膜吸收的存在 是限制高能激光发展的主要因素之一 为了改善光学薄膜质量 提高其损伤阈值 需要精确测量光学薄膜的微弱吸收 薄膜系统弱吸收的测量 薄膜系统弱吸收的测量 光学薄膜吸收率的测量技术主要有 1 光热辐射技术口2 激光量热技术3 表面热透镜技术4 光声光谱技术5 光热偏转技术本次主要介绍光热偏转技术 薄膜系统弱吸收的测量 光热偏转技术的特点 1 灵敏度高2 实验装置相对简单 易于实现3 可对高腐蚀性样品进行非接触检测 薄膜系统弱吸收的测量 基本原理 当强度受调制的泵浦光束被聚焦到镀有光学薄膜基片的前表面时 由于光吸收的存在 使吸收的能量部分或全部转变成热 从而引起薄膜局部温度上升 使热波在相邻媒质中传播 空气与基质 这种调制的温度升高通过折射率的空间变化以及热膨胀引起的样品表面弯曲得以实现的 光热偏转技术则是通过测量由于折射率梯度和样品表面热弯曲引起的探测光束的偏转从而测定光学薄膜微弱吸收特性 薄膜系统弱吸收的测量 实验装置 薄膜厚度和折射率的测量 干涉法测厚度和折射率 干涉法是利用相干光干涉形成等候干涉条纹原理来确定薄膜厚度和折射率的 根据光干涉条纹方程 对于不透明膜对于透明膜在上式中 q为条纹错位条纹数 c为条纹错位量 e为条纹间隔 因此 测得q e c局可以求出薄膜厚度d或者折射率nf 薄膜的厚度和折射率的测量方法 最简单普遍的测量折射率的方法 测量单层薄膜在中心波长位置的R 由得到薄膜折射率精确测量折射率的方法 布儒斯特角法改变偏振光的入射角 当磨蹭反射光强与基底反射光强一致时 这是的入射角就是布儒斯特角 有 即得到薄膜的折射率 薄膜透射率