15光学薄膜透、反射率的常用测量方法

光学薄膜的光学薄膜透、反射率的常用测量方法薄膜透射率和反射率的测量薄膜透射率与反射率主要是采用光谱测试分析仪进行测试；透射率和反射率是光学薄膜器件的最基本的光学特性，因此薄膜反射率和透射率测试是光学薄膜的基本测试技术；按照波段不同划分为：紫外－可见光分光光度计、红外分光光度计；按测试原理不同划分为：单色仪分光光度计和干涉型光谱测试系统；光谱仪：单色仪型分光光度计原理单色仪光源照明光学系统样品池单色仪传感器处理系统光源：稳压电源、可见(钨丝灯或卤钨灯)、紫外(氙灯)、红外(卤钨灯);照明系统：光束整形与会聚；单色仪：由色散原件、狭缝机构以及色散原件的扫描驱动；光栅和棱镜光电传感系统：由光电探测器和处理电路组成；可见光电接收器：光电三极管、光电倍增管、CCD红外光电接收器：硫化铅光敏电阻、红外半导体传感器或热电偶原理首先不放样品，测出100％透射的光谱信号；放入样品测试光谱信号；两个信号进行比较得到透射率；特点需要2次测量，测量速度慢；对光源的稳定性以及系统的稳定性极高；单色仪型分光光度计有单光路与双光路两类双光路测试参考光和主光束：分别被探测器接收；透射率：两信号相除；测试前要进行系统光谱校正；样品池参比池单色光探测器干涉型光谱分析系统红外：2.5～25um；应用迈克尔逊干涉仪对不同波长的光信号进行频率调制，在频率域内记录干涉强度随光程改变的完全干涉图信号，并对此干涉信号进行傅立叶逆变换，得到被测光光谱；特点：信噪比高，重复性好，分辨率高，扫描速度快光谱仪测试一般步骤一般光谱仪开机后要进行初始化；进行样品测试参数设定；放置样品，进行测试；测试中的注意问题测量样品口径的影响：当样品小于光斑尺寸(1cm2)，采用光阑限制；测试样品的厚度：对于较厚的样品在参考光路中也要放入等厚样品测试样品楔形角影响：光束尽量准直＋实用大口径的积分球探测；测试样品后面：根据空白基板的双面透射率，从样品双面透射率数值中求出前表面的透射率数值；光线的偏振效应：样品垂直放置＋偏振测试装置；仪器的光谱分辨率：选择合适的分辨率，滤光片要求分辨率高；空气中某些成分的吸收带影响：二氧化碳吸收，方法是样品室充氮；光谱分析测试系统-透射率的测量偏振测量原理任意角入射，形成偏振光测试；晶体偏光棱镜：产生偏振光；偏光棱镜＋样品台=入射角可变的多角度透射与反射测试系统；光源单色仪样品台光电探测器偏光镜光源为部分偏振光时，薄膜偏振特性的测量偏振棱镜的测试方法图（a）放置：图（b）放置：对自然光透射率分光棱镜的透射率为两种放置情况下所得透射率的平均值。进一步求得各自的值解上述方程组得：取两只特性一样棱镜按上图所示放置方位互成90度第三次测量透射率，光谱分析仪器比较 性能 Lamda900PE Cary5000 岛津UV365 Hitachi4100 光谱 175～3330 175～3330 190～2500 185～3330 分辨率 0.08nm 0.1nm 0.1nm 0.1nm 透射精度 0.00008 0.0003 0.001 0.0003 反射测试 可以 可以 可以 偏振测试 可以 可以 可以光谱分析测试系统-反射率的测量反射率的测量不如透射率测量普及；透明带内：R=1-T；吸收带内：R=1-T-A；对于吸收膜系或是对损耗敏感的激光高反射膜来说，反射测量不可少；光谱分析测试系统-反射率的困难不容易找到在很宽波段范围内具有100％反射率性能长期稳定的参考样品；在反射率测量中，由于反射光路的变换灵敏，对有样品和无样品时，光斑在光电探测器光敏面上的位置往往变动，这导致误差明显增加；各种薄膜器件对反射率测量的测量范围和精度多有不同的要求。减反射膜要求反射率的精度低于0.1％，而激光高反射膜要求反射率在高于99％的范围内能够有优于0.01％的测量精度；光谱分析测试系统-单次反射法测量反射率此反射测试系统为小角度的斜入射系统。光谱分析测试系统-多次反射法测量反射率单次反射时参考样品反射率影响测试精度；V-W型测试：参考样品先放于位置a处，测试信号I1；测试样品放于b处，测试信号I2，则R=(I1I2)1/2样品的反射率为：利用激光谐振腔测试激光高反射镜的反射率激光器的谐振腔由一块全反射镜和一块半反半透的镜(输出镜）构成；当输出镜选定，全反镜反射率改变0.1％，出射激光的强度改变10％，因此可以通过出射激光强度的变化来测定反射镜的反射率；分光光度计中影响测量的因素：测量样品的口径对测量结果的影响，如果受样品形状和尺寸的影响，一部分测量光没有经过样品，需要选择合适的小孔光阑。大气吸收对测量结果的影响，二氧化碳吸收带水蒸气的吸收带回对测量结果带来较大影响。样品楔角对测量结果的影响，锲形的测试样品会影响测量精度。测试样品厚度对测试结果的影响，较厚的高折射率基片会使光束在接受器光敏面的汇聚状况发生变化，从而引起测量误差。测试样品后表面的影响，测试透过率时不可避免会引入后表面的影响，需要通过计算消除此种影响。分光光度计中影响测量的因素：光源、单色部分狭缝的宽度、探测器的精度以及光学系统的稳定性都会影响测量结果。光线倾斜入射时，需要消除入射光偏移带来的测量误差和偏振态问题带来的测量问题。860nm时，扫描光线会出现突跳现象，这是由于光斑位置的变化和偏振效应造成的。非常规光谱特性的测量，需要自己设计测量附件进行测量。具体测量中的一些问题入射光位置偏移带来测量的问题如果测自然光的倾斜入射透过率，由于入射光偏振态的问题带来测量问题突跳现象入射光位置偏移带来测量的问题加光路补偿镜入射光位置偏移带来测量的问题探测器用积分球测自然光的倾斜入射透过率，由于入射光偏振态的问题带来测量问题加消偏器加起偏器T=(Tp+Ts)/2没有消偏器和起偏器时􀀹将入射面旋转90度测量二次T=(T1+T2)/2突跳现象突跳现象产生的原因这种现象一般都出现在倾斜入射的情况下偏振的影响偏振光在可见光和近红外光的差异光斑位置的影响光谱透射、反射特性是光学薄膜器件最基本的光学特性，因此光谱仪也是薄膜器件检测中最常用到的检测设备。光谱测试分析时一定要仔细考虑样品的形状、大小、光谱特性等对测试结果的影响。