[發(fā)明專利]SPR相位測量金屬薄膜厚度和光學常數SAPSO方法

有效

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• 申請日: 2018-06-01
• 公開（公告）號: CN108827166B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發(fā)明（設計）人: 劉慶綱;岳翀;秦自瑞;郎垚璞;宋皓杰;王藝璇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G01N21/45
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 王顕

本發(fā)明公開了一種SPR相位測量金屬薄膜厚度和光學常數SAPSO方法，首先用SPR相位測量裝置測量在固定波長不同入射角下，單層金屬薄膜的干涉條紋信息。通過處理干涉條紋，獲得相位差與入射角的關系曲線。然后從包含光學薄膜厚度和光學常數信息的關系曲線中選取相位差數據代入目標函數。最后利用模擬退火粒子群算法對該目標函數進行反演求解，得到單層金屬薄膜的厚度和光學常數。通過恢復入射角與相位差關系曲線，對算法返回結果進行分析。本發(fā)明的有益效果是：利用粒子群算法的快速收斂能力和模擬退火算法的全局收斂能力，有效地解決了基于SPR相位法的單層金屬光學參數的求解問題，為今后測量多層薄膜結構參數提供了一定的指導意義。

技術領域

本發(fā)明涉及一種金屬薄膜厚度和光學常數的計算方法，特別涉及一種SPR相位測量金屬薄膜厚度和光學常數的SAPSO方法。

背景技術

隨著納米級薄膜在微電子、光電子、航空航天、醫(yī)療儀器和高分子材料領域的廣泛應用，使得薄膜技術已成為當前科技研究和工業(yè)生產領域的研究熱點。但薄膜技術的不斷改進和迅速發(fā)展也對薄膜的各種參數提出了更高的要求，比如薄膜的厚度和光學常數對于薄膜的光學特性、力學特性和電磁學特學其到決定性的作用。因此，精確檢測薄膜的厚度和光學常數已成為一項至關重要的技術。

目前，相位型SPR傳感器由于擁有較高的靈敏度，被廣泛地應用于各大領域。在利用單層結構棱鏡型SPR應用過程中發(fā)現(xiàn)，SPR傳感器所鍍制的單層或多層金屬薄膜的厚度和光學常數對反射光的相位變化有直接影響。因此，本發(fā)明在固定波長采集不同入射角下的金屬薄膜的相位差信息，通過擬合金屬薄膜的角度-相位差曲線就可以反演得到金屬膜的厚度和光學常數。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是SPR相位測量金屬薄膜厚度和光學常數的SAPSO方法，提供一種僅通過一次計算即可快速檢測金屬薄膜厚度和光學常數的檢測方法，解決了現(xiàn)有金屬薄膜參數確定方法不能兼?zhèn)涓咝屎蜏蚀_性的問題。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：一種SPR相位測量金屬薄膜厚度和光學常數的SAPSO方法，包括以下步驟：

1)通過SPR相位測量裝置測量在入射光波長固定、不同入射角下的金屬薄膜的干涉條紋信息；

2)通過處理步驟1)得到的干涉條紋，獲得相位差與入射角的關系曲線，入射角范圍為由棱鏡-金屬膜-空氣結構確定的可激發(fā)SPR效應的角度范圍。

3)從步驟2)獲得的關系曲線中選取相位差數據代入目標函數，并預設迭代次數和最小逼近誤差值為反演計算終止條件；

4)利用從步驟3)處獲得的包含相位差數據的目標函數，采用模擬退火粒子群算法反演金屬薄膜的厚度和光學常數；

5)繪制曲線驗證：將反演計算所獲入射角與相位差的關系曲線與實驗中所獲得的入射角與相位差關系曲線上設定的某一個或幾個特定角度的點的值進行對比，根據終止條件，看特定角度的點的值的逼近程度，若大于終止條件則回到步驟4)繼續(xù)迭代計算，反之則退出迭代計算并給出計算結果。

步驟3)所述相位差數據包括金屬薄膜厚度d和折射率n、消光系數k的光學常數信息。

步驟3)、步驟4)所述目標函數

其中，N_exp是△φ_exp的個數，△φ_exp(i)表示的是從入射角與相位差關系曲線上提取的第i個參考點的相位差，△φ_cal(i,a)是通過反解算法計算得到的相位差值，而a代表的是一個包含需要確定參數的向量，在這里，a＝(n,k,d)^T。

步驟4)中使用的模擬退火粒子群算法中粒子更新速度為：