光學(xué)薄膜的特性檢測

1、光學(xué)薄膜的特性檢測光學(xué)薄膜的特性檢測第三組第三組 徐彩霞徐彩霞 李佳李佳 張琨張琨 張立宏張立宏 路高原路高原2光度法測量薄膜的光學(xué)常數(shù)光度法測量薄膜的光學(xué)常數(shù) 所謂光度法，指的是通過測量樣品的反射率和透射率，經(jīng)過計(jì)算，求出光學(xué)常數(shù)的方法。 這里的光學(xué)常數(shù)一般是指薄膜的折射率和消光系數(shù)。這種方法雖然精度不是很高，但已經(jīng)能滿足設(shè)計(jì)和制備的要求，所有得到廣泛的應(yīng)用3利用反射率求折射率利用反射率求折射率 考慮透明膜的情況，也就是在考慮的波段內(nèi)，均勻膜層對光沒有吸收。 假定薄膜的折射率沒有色散 在膜厚為/4奇數(shù)倍的那些波長上，其反射率為 222(/)(/)somsonnnRnnn式中，n是膜層的折射率

2、， ns是基片的折射率，no是入射媒質(zhì)折射率 4 于是測量折射率就成了簡單的事情，只需要讀取極值反射率，然后從上式求解n(1)1msomRn nnR(21)2(1)144ndmm同時 和是兩個相鄰的極大（或極小）反射率波長 利用反射率求折射率利用反射率求折射率5()2 ()dn上面沒有消除基片背面反射的影響。要做到這一點(diǎn)，可將基片做成楔形，或?qū)⒒趁婺ッ?、涂黑?；蛘咦饕韵碌男拚?1(2)FomoFRRRRRRo是基片背面反射率， RF是光度計(jì)實(shí)測的反射率值 將Rm帶入上面求得n 可求得薄膜厚度d為 利用反射率求折射率利用反射率求折射率6利用透射率求折射率利用透射率求折射率 測量透射率時，修正

3、式為(2/1)/(2/1)moFooFoRTTTTTT To是未鍍膜前基片的測量投射率； TF是膜厚/4奇數(shù)倍時測量的極值透射率 當(dāng)nd等于/4的奇數(shù)倍時，上式透射率取得極值 2224()ososn n nTnn n7122221(1)1osmmnn nTT 光經(jīng)過鍍膜基片的透射率為 1 22121R eabFabTT eTR式中，T1，R1分別為鍍膜表面的投射率和反射率；T2，R2分別為基片-空氣表面的透射率和反射率；a和b為基片的吸收系數(shù)和厚度。 利用透射率求折射率利用透射率求折射率82222221R eaboabT eT所以2212122122(1 R e)(1R e)abFaboTTT

4、TTRT于是得2122(1)1osFFFmooosonnTTTTTTRTTnnT光經(jīng)過清潔基片的透射率為 利用透射率求折射率利用透射率求折射率9 上式求出Tm，而后帶入上面式子便得到n 這種方法不僅校正了基片背面的吸收的影響，而且由于采用比較法測量，減小了光度計(jì)的測量誤差。 前面我們假定膜層沒有吸收，實(shí)際透明膜或多或少會有一些吸收 ?？刹捎枚啻畏瓷洌ㄟ^延長光學(xué)路徑的辦法，便能測量若吸收的吸收系數(shù) 利用透射率求折射率10吸收系數(shù)的測量吸收系數(shù)的測量這個裝置由完全透明的平行平板做成，選擇平板折射率no和角度i，以保證空氣中能發(fā)生全反射，若平板長度為L，厚度為do 11在膜層中的傳播路徑為 122

5、2cos(sin)ddndnionnn平板/膜層內(nèi)表面的反射系數(shù)為22221 sin () sin ()12 sin () sin ()iiii由于膜層是吸收的，則光在膜層中每來回一次光強(qiáng)度就衰減一次 12222exp( 2)expexp()(sin)dnddni吸收系數(shù)的測量吸收系數(shù)的測量12于是經(jīng)過2N次反射后從平板射出的光強(qiáng)變?yōu)?22(12 )exp()(1)1exp()NNodIIRd令22(1 2 )exp()1exp()NNdTd則可求出為12221/221/22sin1 22NNNNniTlnndT吸收系數(shù)的測量吸收系數(shù)的測量薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量布儒斯特角方法布儒斯特

6、角方法21tan/b n nn1n2b布儒斯特定律布儒斯特定律當(dāng)線偏振光入射到折射率為n2的介質(zhì)表面上時，如果偏振光平行于入射面，若入射角為布儒斯特角b，則入射光將不發(fā)生反射而全部透射。因此若入射角，直到反射光強(qiáng)為零時，得到布儒斯特角，從而計(jì)算介質(zhì)的折射率n2。利用這種方法可以測量只有介質(zhì)的折射率。薄膜的折射率也可以這樣的到。ipi布儒斯特角方法布儒斯特角方法薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量用這種方法測量的精確度較低，因?yàn)槿肷洳m然在薄膜上表面不發(fā)生反射，但是在薄膜與基片的界面上仍有反射光透過薄膜折射進(jìn)入空氣，從而干擾測量。為了解決這個問題設(shè)計(jì)了如下的一種鍍膜形式。ip當(dāng)用線偏振光入射時，迎著

7、反射光觀察基片表面，由于膜層和玻璃表面的反射系數(shù)不同，所以能夠看見鍍膜區(qū)與不鍍膜區(qū)域的分界線。當(dāng)光線的入射角等于布儒斯特角時，膜的上表面沒有反射光，但是在膜的后表面會有光被反射回來。現(xiàn)在用菲涅爾公式，膜層與玻璃上的振幅反射系數(shù)為coscoscoscosggpggninirnining為基片玻璃折射率，i為介質(zhì)膜射向基片的入射角，ig為基片中的折射角。薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量布儒斯特角方法布儒斯特角方法nngiigcoscoscoscosggpggnbirnbi當(dāng)入射介質(zhì)薄膜光線的入射角為b時，應(yīng)用入射角和折射角互余和折射定律有而入射波在空氣與基片界面的反射系數(shù)為222coscoscos

8、cosggpggnbirnbi從上述兩式可以得到當(dāng)一布儒斯特角入射時，鍍膜區(qū)與不鍍膜區(qū)域的反射率相同，即，迎著反射光看時明暗界限將消失，呈現(xiàn)一篇均勻照明。這樣，當(dāng)用角度為b的入射光入射時，根據(jù)布儒斯特定律即可求出薄膜的折射率。薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量布儒斯特角方法布儒斯特角方法bbnng準(zhǔn)波導(dǎo)法是利用棱鏡耦合來測量沉積在低折射率襯底上或者高折射率棱鏡底面上的聚合物薄膜的折射率和厚度的一種方法。其實(shí)驗(yàn)裝置圖如下圖所示激光器偏振片透鏡準(zhǔn)波導(dǎo)法準(zhǔn)波導(dǎo)法薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量光波從棱鏡射到薄膜中去，形成共振導(dǎo)膜，導(dǎo)膜又經(jīng)棱鏡耦合射出，透射到觀察屏上在觀察屏上出現(xiàn)數(shù)條明亮的線，如圖2.

9、圖圖2圖圖1每一條亮線代表不同階m的一個模，其中光斑所在的亮線是棱鏡直接耦合得到的，其它的是由散射產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)動二維平臺讓光斑依次對準(zhǔn)每一條亮線，即可讀出沒一個亮線的耦合角m。薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法準(zhǔn)波導(dǎo)法現(xiàn)在用折射率為np的等腰直角棱鏡做為耦合棱鏡，使底部與被測薄膜緊密接觸。設(shè)聚合物薄膜的折射率為n，襯底的折射率為ng，當(dāng)npnng時，棱鏡薄膜襯底就組成一個準(zhǔn)波導(dǎo) 設(shè)棱鏡中光波入射角為2，由于導(dǎo)膜的傳播并不連續(xù)，因而2也不連續(xù)，只有在一定角度下才能激發(fā)出導(dǎo)膜，棱鏡中的入射角一半較難測量，但是入射到棱鏡上的m是可以精確測量的。設(shè)棱鏡底角為，則準(zhǔn)導(dǎo)膜的有效折射率的實(shí)驗(yàn)值可以通過下

10、列式子計(jì)算得到薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法準(zhǔn)波導(dǎo)法221/2sincos(sin)sinmmpmNn光波在薄膜內(nèi)沿z路徑傳。在1-3界面與1-2界面之間經(jīng)過一個傳播周期的橫向(x向）位移為1 21 32 kd其中12和23分別為光波在兩界面上的反射相移，d為厚度，k為傳播常數(shù)在z方向的分量。當(dāng)為2的整數(shù)倍時得到共振漏膜方程121322kdm其中m為模階數(shù)，k可以表示為22222Kn kN k薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法準(zhǔn)波導(dǎo)法22222Kn kN k其中，k為光波在自由空間的傳播常數(shù)，N為薄膜的有效折射率，即N=nsin1，1為進(jìn)入薄膜內(nèi)的光波在1-2界面上的反射角。在

11、準(zhǔn)波導(dǎo)的情況下，npnng,nNng.12=式中為入射光偏振依賴因子，當(dāng)=0時s偏振 =2時p偏振。對于s偏振，由2-5式，得到薄膜光關(guān)于s偏振光的折射率的超越方程122132( /). /ggtgn nNn k K 薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法準(zhǔn)波導(dǎo)法221222222221221()21()2igiijjgjNnitgnNnNnNNnjtgnN其中，Ni Nj分別是入射光片深圳時第i和j模的有效折射率，它的值由實(shí)驗(yàn)來確定，解這個方程即可得到薄膜的折射率no.同時還可以得到薄膜厚度的表達(dá)式。對于p偏振，同以上方法，只是取2.然后再帶入薄膜厚度的表達(dá)式，得到薄膜光關(guān)于p偏振光的折射

12、率的超越方程薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法準(zhǔn)波導(dǎo)法2212222(21)24mgmmNndmtgnNnN221222222221221()21()2igiijjgjNnitgnNnNnNNnjtgnN2222122242()(21)mgmgmNnnd nNtgmnnN此處的n為各向異性薄膜的e光折射率，它的值依賴于光的傳播方向，它于非常光的主折射率no.Nm的關(guān)系式為帶入上式并求解可得到各向異性薄膜對應(yīng)的非常光主折射率。薄膜折射率的測量薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法準(zhǔn)波導(dǎo)法2222122242()(21)mgmgmNnnd nNtgmnnN02220memNnnnnN橢偏法測量的基本思路是

13、，起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)取向一定的14 波片后成為特殊的橢圓偏振光，把它投射到待測樣品表面時，只要起偏器取適當(dāng)?shù)耐腹夥较?，被待測樣品表面反射出來的將是線偏振光。根據(jù)偏振光在反射前后的偏振狀態(tài)變化（包括振幅和相位的變化），便可以確定樣品表面的許多光學(xué)特性。薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常

14、數(shù)的橢圓偏振量薄膜光學(xué)常數(shù)的橢圓偏振量光學(xué)薄膜系統(tǒng)透射比、反射光學(xué)薄膜系統(tǒng)透射比、反射比和弱吸收的測量比和弱吸收的測量 光學(xué)薄膜系統(tǒng)參數(shù)測量包括介質(zhì)膜折射率測量、光學(xué)薄膜厚度測量、光學(xué)薄膜透射比測量、光學(xué)薄膜反射比測量、光學(xué)薄膜吸收比測量、光學(xué)薄膜散射比測量、薄膜機(jī)械強(qiáng)度和應(yīng)力測量等。 我們介紹光學(xué)薄膜透射比，反射比和弱吸收測量。薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)透射比的測量 光學(xué)薄膜透射比是反映光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)透光性能壞的重要參數(shù)，通常采用的測量方法有單光路法和雙光路法。單光路測量法： 測量時先調(diào)節(jié)單色儀波長，樣品室不放樣品，這時在樣品室得到波長為的平行單

15、色光，光電接收裝置顯示數(shù)值I0；放入樣品，光電接收裝置顯示數(shù)值I，則該波長的樣品透射比T為薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)透射比的測量然后取出樣品，調(diào)節(jié)單色儀到另一個新的波長值2，重復(fù)上述過程，得到2波長的透射比。單光路測量薄膜元件透射比的方法優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，精度高，而主要缺點(diǎn)是每個波長都要測量兩次，麻煩，因此幾乎被雙光路測量所代替。薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)透射比的測量 雙光路法: 分光系統(tǒng)先將光源的光反射后進(jìn)入單色儀，經(jīng)分色后再進(jìn)入分光系統(tǒng)被分解為二束光：一束進(jìn)入樣品室，通過樣品進(jìn)入光電接收器，得到光強(qiáng)度值I；另一束進(jìn)入?yún)⒖脊馐遥偃肷涞搅硪还怆娊邮掌?/p>

16、上 得到光強(qiáng)度值I0，電信號系統(tǒng)將這兩個信號值相除，就得到這個波長的透射比T,讓單色儀自動掃描，記錄儀同步記錄的 就是樣品的光譜透射比T（）。薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)透射比的測量薄膜系統(tǒng)反射比的測量薄膜系統(tǒng)反射比的測量 測量時先不放被測樣品，光電接收器D放在位置，測得光強(qiáng)I0；插入被測樣品，光電接收器轉(zhuǎn)到位置，測得光強(qiáng)I1; 于是被測樣品的反射比R為薄膜系統(tǒng)反射比的測量薄膜系統(tǒng)反射比的測量 高能激光的發(fā)展要求有質(zhì)量非常高的光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜吸收的存在，是限制高能激光發(fā)展的主要因素之一 為了改善光學(xué)薄膜質(zhì)量，提高其損傷閾值，需要精確測量光學(xué)薄膜的微弱吸收。薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量薄膜系統(tǒng)弱吸收的測

17、量薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量光學(xué)薄膜吸收率的測量技術(shù)主要有：1、光熱輻射技術(shù)口 2、激光量熱技術(shù)3、表面熱透鏡技術(shù)4、光聲光譜技術(shù) 5、光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)本次主要介紹光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)的特點(diǎn)：1、靈敏度高2、實(shí)驗(yàn)裝置相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)3、可對高腐蝕性樣品進(jìn)行非接觸檢測薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量基本原理：當(dāng)強(qiáng)度受調(diào)制的泵浦光束被聚焦到鍍有光學(xué)薄膜基片的前表面時，由于光吸收的存在，使吸收的能量部分或全部轉(zhuǎn)變成熱，從而引起薄膜局部溫度上升，使熱波在相鄰媒質(zhì)中傳播(空氣與基質(zhì)) 這種調(diào)制的溫度升高通過折射率的空間變化以及熱膨脹引起的樣

18、品表面彎曲得以實(shí)現(xiàn)的光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)則是通過測量由于折射率梯度和樣品表面熱彎曲引起的探測光束的偏轉(zhuǎn)從而測定光學(xué)薄膜微弱吸收特性。薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量薄膜系統(tǒng)弱吸收的測量實(shí)驗(yàn)裝置：薄膜厚度和折射率的測量薄膜厚度和折射率的測量 干涉法測厚度和折射率： 干涉法是利用相干光干涉形成等候干涉條紋原理來確定薄膜厚度和折射率的。根據(jù)光干涉條紋方程，對于不透明膜 對于透明膜 在上式中，q為條紋錯位條紋數(shù)， c為條紋錯位量，e為條紋間隔。因此，測得q，e，c局可以求出薄膜厚度d或者折射率nf。2dqc e 21dnfqc e薄膜的厚度和折射率的測量方法薄膜的厚度和折射率的測量方法 最簡單普遍的測量折射率的方法： 測量單層薄膜在中心波長位置的R，由得到薄膜折射率 精確測量折射率的方法布儒斯特角法 改變偏振光的入射角，當(dāng)磨蹭反射光強(qiáng)與基底反射光強(qiáng)一致時，這是的入