[發明專利]一種光學薄膜超寬帶光學常數測試方法

有效

• 申請號: 201611141412.2
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106706521B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 劉華松;劉丹丹;王利栓;姜玉剛;季一勤
• 申請（專利權）人: 天津津航技術物理研究所
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 劉東升

本發明公開了一種光學薄膜超寬帶光學常數的測試方法，用于計算光學薄膜材料在可見光到紅外波段的全譜段光學常數，尤其是針對0.3um?20um波長范圍內，通過使用基底?薄膜透明區的光譜透射率和非透明區的光譜反射率相復合作為目標光譜，以振蕩子模型作為光學常數的色散模型，通過目標光譜數據反演計算出薄膜的超寬帶光學常數。本方法對于薄膜材料具有普適性。

技術領域

本發明屬于光學薄膜技術領域，特別是有關光學薄膜特性的檢測技術，涉及一種光學薄膜超寬帶光學常數測試方法。

背景技術

在光學薄膜技術領域，光學常數是多層膜設計和光學性能表征的重要參數之一，對光學常數的表征和測量是首要工作之一。近年來，隨著超寬帶光學薄膜應用的發展，如寬帶固體調諧激光技術(400nm-1200nm)，寬帶紅外光譜成像技術(0.9um-14um)，三光復合探測技術(0.7um-12um)等，對光學薄膜的研制提出了寬帶甚至超寬帶的需求。因此，超寬帶(0.3um-20um)光學薄膜光學常數的表征和測試工作尤為重要。

目前，可用于光學常數測量的方法較多，主要有反射光譜/透射光譜極值法、反射光譜/透射光譜的反演計算法、反射橢圓偏振反演計算法，色散傅里葉變換光譜法、衰減全反射法、光聲法、光熱法、布里淵散射法等。隨著光譜測量精度的提高和非線性數值優化技術的發展，基于全光譜和橢圓偏振光譜的光學常數反演技術成為薄膜光學常數標定的主流技術。盡管薄膜光學常數的表征和測量方法較為完備，但是其測量的帶寬往往決定于目標光譜的測量帶寬，在一組測量光譜數據下得到超寬帶光譜的數據仍是難題。目前典型的商用光譜儀器與橢偏儀能夠測量的光學波段范圍如下表所示：

基于上述儀器測量的光譜范圍，若實現超寬帶光學常數的表征，一般采用分段光學常數的測試，然后進行光學常數對接，這樣的做法實際上分別對不同波段局部光譜進行光學常數測試，缺少全局的綜合誤差評價，如折射率的非均勻性、反常吸收區、薄膜水含量等，因此，分段表征和測量再對接薄膜光學常數不具有合理性且在對接處易造成較大誤差。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何在單一薄膜樣品上實現從紫外到紅外波段內薄膜光學常數統一測試的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種光學薄膜超寬帶光學常數測試方法，其包括以下步驟：

S1：首先將預設厚度的光學薄膜沉積在硅基底上；

S2：測量所沉積光學薄膜紫外到近紅外波段橢圓偏振光譜、紅外波段的透射光譜；

S3：根據光學薄膜的光譜數據，選擇一段薄膜的透明區，采用Cauchy模型計算得到該波段范圍的薄膜折射率n和厚度d₁；

S4：建立光學常數從紫外到紅外寬光譜范圍的光學常數模型，在吸收光譜區添加介電常數振子模型，振子的中心頻率為吸收的位置，振子的幅度和寬度根據光譜數據進行調整；

S5：將紫外到近紅外波段橢圓偏振光譜和紅外波段的透射光譜作為復合目標，對薄膜光學常數從紫外到紅外全光譜范圍內進行反演運算，其中厚度的初始值設定為d₁，預設評價函數MSE，MSE是測量值與理論模型計算值的均方差，對MSE進行擬合，使MSE越小越好；

S6：根據MSE擬合結果，得到介電常數模型的各個參數，進而得到紫外到紅外超寬帶光譜范圍內薄膜的光學常數，包括折射率n、消光系數k和薄膜物理厚度d。

其中，所述步驟S3中，Cauchy模型見公式(1)，式中n為折射率，An，Bn和Cn為Cauchy模型參數，λ為波長；