硕 士 研 究 生 学 位 论 文开题

1、硕 士 研 究 生 学 位 论 文开 题 报 告研 究 生 姓 名：宋亚杰所 在 学 院：物理与电信工程学院学 科 专 业：光学研 究 方 向：光电技术及应用导 师 姓 名：黄佐华开 题 时 间：2011年7月8日华南师范大学研究生院2011年6月29日 填姓名宋亚杰院系物理与电信工程学院学号2009021417性别女专业光学指导老师黄佐华论文题目中文偏振光反射法测量薄膜厚度和折射率的研究英文Analysis of refractive index and thickness of thin film based on polarized reflectances参加开题专家姓名专 业 技 术

2、 职 务签 名1、本论文课题研究方法概况：自二十世纪70年代以来，薄膜技术得到突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。薄膜技术和薄膜材料己成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域。随着薄膜在诸多技术领域中日益广泛应用，薄膜技术水平不断提升，各种特殊用途对薄膜技术和薄膜材料也提出了更高的要求。由于薄膜的光学常数是描述固体的独立光学参数，是确定和描述有关光学性质的其它物理量的基础，它们对于了解薄膜材料的光学性质具有重要的意义。本论文研究的薄膜参数主要指薄膜折射率n和厚度d。至今人们提出了多种方法，例如，椭圆偏振测量法、干涉测量法、光谱法，阿贝勒(Abeles)方法、棱镜

3、耦合法、及偏振光反射法等。其中，有些方法只能测量薄膜的厚度，有些方法只能测薄膜的折射率，有些方法可同时测量薄膜的厚度和折射率。它们各有千秋，可以满足不同应用的需要。几种主要的测量方法如下：(1)椭圆偏振测量法椭圆偏振测量法是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换来确定薄膜参数。椭圆偏振测量分为反射椭偏测量法、透射椭偏测量法和散射椭偏测量法。由于特点不同，其重点研究的对象也就有所不同。椭圆偏振测量两个反射系数的比值，因而，较反射率测量要灵敏和精确得多，并可精密测量。这种方法具有原子层级的灵敏度，能快速实时测量。但是影

4、响测量准确度因素很多，如入射角、系统的调整状态、光学元件质量、环境噪声、样品表面状态、实际待测薄膜与数学模型的差异都会影响测量的准确度。特别是当薄膜折射率与基底折射率相接近，薄膜厚度较小和薄膜厚度及折射率范围位于(，)(，)函数斜率较大区域时，用椭偏仪同时测得薄膜的厚度和折射率与实际情况有较大的偏差。椭圆偏振法存在一个膜厚周期，在一个膜厚周期内，椭偏法测量膜厚有确定值。若待测膜厚超过一个周期，膜厚有多个不确定值。虽然可采用多入射角或多波长法确定周期数，但实现起来比较困难。(2) 干涉测量法外差干涉测量法是通过使两束相干光的频率产生一个小的频率差，从而引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，过适当处理后

5、，检测出干涉场的相位差。该方法解决了诸如光源稳定性、散射光、内部反射等因素对测量精度的影响。测量装置简单、易操作，测量精度高，但不能用来测量薄膜的厚度。等厚干涉法测量膜厚是根据劈尖干涉原理，用平行单色光垂直照射在薄膜上，分别经上、下表面反射的光波相遇而产生干涉，经多次反射干涉而产生鲜明的干涉条纹，在整个视场内光线的入射角可视为不变的常数，则反射光在相遇点的相位差只决定于产生该反射的薄膜厚度。根据干涉条纹的偏移量、条纹间隔，可求出薄膜的厚度。该方法具有简单、快速、不损伤膜层面等优点，是测量膜厚时普遍采用的方法之一，此方法要求薄膜必须具有高反射和平坦的表面，否则将影响薄膜厚度测量精度。干涉色测量是

6、根据光干涉来测量薄膜厚度。在光垂直入射薄膜的情况下，反射光和透射光均随薄膜的光学厚度(薄膜的折射率和膜厚)发生周期性变化，并呈现出一系列的极大值和极小值。于是，根据极值便能求出薄膜的光学厚度。如果己知薄膜折射率，就可求出薄膜的厚度。(3)光谱法光谱法分为透射光谱法和反射光谱法，透射光谱和反射光谱均采用分光光度计测量得到。然而，由于反射率对薄膜表面条件的依赖性很强，且对入射角的变化很敏感，从而导致测量反射率时的稳定性较差，实验数据的精确性也不够高，而在测量透射率时上述因素的影响要小的多，因此，反射率测量测量精度远不如透射率测量高。常用的分光光度计能精确测量样品透射率，从而使人们对于如何简便快速地

7、利用透射率光谱曲线确定薄膜的厚度和复折射率特别关注。该方法具有测试简单、操作方便、精度高等突出优点，在实际工作中得到了广泛应用。(4)阿贝勒(Abeles)方法Abeles方法是利用薄膜在布儒斯特角时的反射率直接测出透明膜的折射率。将基片的一半用薄膜覆盖，在有膜和无膜交界线附近，入射P偏振光，通过改变入射角，当膜的反射光强度和基底的反射光强度相同(即可观察到交界线消失)时，此时的入射角即为布儒斯特角。根据公式(为薄膜折射率，为周围介质折射率)即可求出薄膜折射率。该方法的优点在于薄膜的折射率的计算简单巧妙，并与膜厚及基片折射率没有关系，但这种方法只能用于测量透明薄膜。（5）光波导法棱镜耦合法是在

8、波导中激发导模的一种重要方法。以棱镜耦合法为例对光波导参数测量介绍如下。它通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，将入射光耦合入被测薄膜，检测和分析不同入射角的反射光，当反射光所携载的光功率达到一个极小值，则棱镜中的光波能量最大程度地耦合到薄膜样品中去，此时的入射角确定为模式耦合角，对应着此模式发生了最强的耦合，从而可求得薄膜厚度和折射率的一种测量方法。由于所测量光波需在膜层内形成两个或两个以上波导模，棱镜耦合法存在测量薄膜厚度的下限。膜厚测量范围则依赖于待测薄膜和基底的性质，并且膜折射率受棱镜折射率限制。在现有光波导参数测量仪的基础上，克服棱镜折射率的限制，我们介绍一种测量薄膜厚度和折射率的新方

9、法。此方法不受棱镜折射率的限制，操作简单。具体是测量偏振光反射率进而求出薄膜厚度和折射率的方法。（6）偏振光反射法（PRTTI）1989年日本的Tami Kihara和Kiyoshi Yokomori首次提出通过测量薄膜的反射率可以同时求解出薄膜的厚度和折射率。具体方法是在角度处分别测量薄膜的反射率和,可以求解出若干组薄膜的参数，其中有一组是正确的。在角度处再次分别测量薄膜的反射率和，同样可以求解出若干组薄膜参数。两次求出的解中肯定有一组是重合或者是接近重合的，这一组就是正确的薄膜参数。1992年，Tami Kihara和Kiyoshi Yokomori又提出只用一种S偏振光就可以求解出薄膜的

10、参数。具体方法是在角度处测量出，在处测量出，根据两点的测量值可求解出若干组薄膜参数。为了确定正确的薄膜参数，在测量出。再根据求解出若干组薄膜参数值分别计算出对应处的反射率，与测量值比较，接近重合的一组即为正确的薄膜参数。这种方法主要应用于全息材料的薄膜厚度和折射率的测量。例如西班牙的Augusto Belendez, Tarsicio Belendez等人用这种方法测量出卤化银膜的折射率和厚度。国内，相关可查文献较少，只有大连民族学院机电信息工程系的宋敏教授，2003年在她的文章利用光学方法测量薄膜厚度的研究中首次介绍了这种研究方法，翻译为激光反射法。在此我们更名为偏振光反射法。2、 本论文研

11、究内容、思路及理论偏振光反射法的理论依据如下：入射光可以是偏振光或偏振光。反射法测量的实际结构图如图1所示，设待测样品是均匀涂镀在衬底上的同性质膜层。、分别为空气、薄膜、衬底的折射率，为薄膜的厚度。入射光束波长为，在处入射。根据折射定律和菲涅尔反射公式，推导出S偏振光的复振幅反射系数为 （1）其中 （2）是相邻反射光束之间的相位差。图1. 入射光在待测样品上的入射和反射薄膜界面反射率为 （3）可以推导出 （4）膜序数为,=0,1,2,3。已知，三个参数，处取，处取，代入等式（4），如果膜序数已知就可以得到准确的膜参数，如果膜序数未知，可求出多组,。根据求出的,可求出对应的几组。测量出待测样品的

12、。代入公式（5），用最小二乘法拟合。 （5）是入射角的序号，,。当取最小值的一组解即为正确的解。我们拓展,为，从理论上分别求出对应的Rs-，代入（5）式拟合，得出更为精确的，。3、论文的基本内容、计划以及要突破的难点：一、论文的基本内容：第一章绪论1.1薄膜技术的发展及应用1.2薄膜参数测量方法综述1.3本论文的研究背景、目的及意义1.4本论文主要内容及安排参考文献第二章基于反射法薄膜参数测量系统原理2.1单层薄膜的多光束干涉原理2.2反射法测定薄膜光学参数原理2.3薄膜测量系统装置第三章优化算法 3.1三点拟合算法 3.2多点拟合算法 3.3逐次逼近拟合算法3.4三种算法精度对比第四章薄膜测

13、量系统和软件4.1薄膜测试系统硬件介绍4.2薄膜测试系统软件介绍第五章模拟与实验5.1单层薄膜实验模拟5.11S偏振光模拟5.12P偏振光模拟5.13两种偏振光精度对比5.2单层薄膜实测数据5.21二氧化硅膜，硅衬底5.22二氧化硅膜，玻璃衬底5.23PMMA膜，玻璃衬底5.3多层薄膜实验数据5.4测试结果分析第六章 全文总结与展望突破的难点：1、光路系统的搭建2、实验光路的改进与优化3、能精确测量镀膜参数的范围，膜和衬底的选取二、论文计划、进度及待解决的问题 1、论文计划（1）201106201108模拟噪声存在时的测试情况。反射法测量光路的设计及搭建实验平台。（2）201108201110

14、进行反射法测试实验，从中发现问题并对其逐步完善，反射光强信号的探测及其处理，数据的反演。（3）2011102012.05进行论文的撰写。（4）2012.052012.06审查答辩。 2、论文进度：理论部分，优化了反射法测量薄膜参数的算法。推导出反射法测量薄膜参数的公式。完成了模拟实验。实验部分，完成实验平台的搭建。 3、待解决的问题：（1）实验平台的改进与优化。（2）理论上进一步优化算法。（3）通过前期的实验，对实验平台存在的不足进行改进与完善。论证改进性能的方法及工作的展望。4、主要参考文献：1Tami Kihara，Kiyoshi Yokomori,Simultaneous measure

15、ment of refractive index and thickness of thin film by polarized reflectances,Applied Optics, Vol. 29, Issue 34, pp. 5069-5073 (1990).2Rosencwaig,Allan,Opsal,Jon,Willenborg,Beam profile reflectometry:A newtechnique for dielectric film measurements,Applied Physics Letters,Volume: 60,Issue:11,Mar 1992

16、.3Shiratani,Masaharu,Kawasaki, Simultaneous in situ measurements of properties of particulates in rf silane plasmas using a polarizationsensitive laserlightscattering method,Journal of Applied Physics,Date:Jan 1996 Volume: 79,Issue:1 On page(s):104 109.4Honggen Li，Zhuangqi Cao,and Qishen Shen. Free-

17、space coupling of a light beam into a symmetrical metal-cladding optical waveguide.Applied Physics Letters,Vol.Letters,Vol .83,2755-2759(2003).5Y.Ding,Z.Q.Cao,and Q.S.Shen.“Determination of optical waveguide refractive-index profiles with the inverse analytical transfer matrixmethod”.Opt.and Quant.E

18、lectron, Vol.35(2003) 1091 -1097.6Shyam Singh,Refractive Index Mmasurement and its Applications,Physica Scripta,Vol 65,20027Tami Kihara and Kiyoshi Yokomori,Simultaneous measurement of the refractive index and thickness of thin films by S-polarized reflectances,Applied Optics, Vol. 31, Issue 22, pp.

19、 4482-4487 (1992).8Augusto Belndez, Tarsicio Belndez, Cristian Neipp, and Inmaculada Pascual,Determination of the Refractive Index and Thickness of Holographic Silver Halide Materials by Use of Polarized Reflectances,Applied Optics, Vol. 41, Issue 32, pp. 6802-6808 (2002).9A. Penzkofer, E. Drotleff,

20、 W. Holzer,Optical constants measurement of single-layer thin filmson transparent substrates. Optics Communications,Volume 158,December 1998.10WWang,DChen，HFeRerman，Y Shi，wHSteir,and LRDalton. Traveling-wave electrooptic phase modulator using crosslinked nonlinear-optical polymer，ApplPhysLett1 994，6

21、5：92911YLiu,ELiu，GLi，et a1Novel silicon waveguide switch based on total internal-reflection.ApplPhysLett，1994，64：2079.12SHerminghaus，Barton ASmitch and JDSwalen，Electrooptic coefficients inelectricfield-poledpolymerwaveguides.JOptSocAmB，1991，8：231113EI-I Service R F.Nonlinear competition heats upSci

22、ence，1995，267：1 9181 92114Roberts C C，Yang G R，Cocoziello A，et a1High electro-optic side-chain polymer by vapor deposition polymerizationApp1PhysLett，1996，68(15)：2 0672 06915Schildkraut J SPhotoc0nducting electro-optic poly-mer filmsfilmsApp1PhysLett1991，58(4)：340342.16B Gauthier-Manuel,Simultaneous determination of the thickness and optical constants of weakly absorbing thin Films,IOPscience, Meas. Sci. Technol. 9 (1998) 485487. 17K. Lampr