对高反射率薄膜反射率的测量方法和系统设计

1、对高反射率薄膜反射率的测量方法和系统设计小组成员：陈杰2012059010001吴佳杰20120590100尹明201205901000光学薄膜，是指在一块透明的平整玻璃基片或光滑金属表面，用物理或化学的方法涂敷的单层或多层透明介质薄膜。光照射在光学薄膜后，会产生透射，反射，吸收，散射等等性质变化。其中反射薄膜正是光学薄膜应用中相当重要的一面。通过本学期物理光学的学习，我们小组对高反射薄膜的反射率测量产生了浓厚的兴趣。在查阅了相关的资料和论文之后，我们得到了一些成果。我们在查阅资料的过程中发现，反射膜反射率的精确测定在当今光学工程中有着重大意义，对于提高镀膜工艺，改善激光陀螺的性能等等方面起着

2、十分重要的作用。目前测量超高反射率的方法主要有两类：一类为单，多次反射法，这类方法的测量结果受光源稳定性很大，在其误差分析中主要考虑光源强度起伏的影响。根据检测光束在待测样品上的反射次数分为单次反射法，二次反射法和多次反射法。此类方法常用于精度要求不高的光学实验，提高测量精度的途径为改进光源的稳定性。而另一类更为普遍的测量方法则是以光学谐振腔为基础，如光延迟线的测量法，光腔衰减光谱方法及利用光学谐振腔的精细度测定的方法等等。该测量方法的精细度主要取决于对各种测量方法的误差分析，理论推导。我们小组对与测量薄膜反射率提出了以下几种不成熟的想法，具体如下：一、基于光腔衰减方法的改进实验装置我们小组首

3、先对于利用光腔衰减方法测量薄膜反射率提出了一些设计。通过测定谐振腔的衰减时间来确定反射率的方法称为衰减时间法，也称为光腔衰减方法。此方法灵敏度极高。其基本原理见于下图：在经过小组讨论后，我们设想了一种更为便捷的方法。基本思路是在衰减时间法测量反射率的实验装置基础上加以简化，即是否能舍掉M1，M与M2构成的谐振腔而直接由待测镜（两个）构成谐振腔，再由计算机对透射光进行处理，求出腔的衰减系数，进而求出反射率。其基本原理如下图：由于衰减时间法测量反射率的灵敏度极高，为10的-6次方量级，我们设想的方法即可以降低谐振腔的损耗，提高测量结果的精确率，不过这种设想只是主观推测，具体能否实际可行还需实验的真

4、实测量。误差：对于此种方法，误差的主要来源为谐振腔中的损耗因素即几何偏折损耗，衍射损耗，腔中介质的吸收散射损耗等，与衰减时间法测量反射率的误差来源基本一致。精度提高：本方法精度提高的途径有尽量降低除反射不完全外的其余损耗，并可以将影响较大的损耗考虑到计算公式内。二、两次反射测量薄膜反射率在查阅文献后，我们了解了单，多次反射法测量反射率的方法，设12是无样品时的光强，II是加入待测样品之后的光强，则样品反射率和相对误差为：显然反射次数越多，测量精度越高。反射次数少时对光源的稳定性要求更高，现在假设有一台光学性能十分稳定的光源，我们小组在此基础上设计了一款利用二次反射法测量薄膜反射率的实验装置。其

5、基本原理见于下图：上图测量系统中，精度为10的-2次方量级，误差的主要来源为两次反射角度的微小差异，以及光源的稳定性。提高精度的方法有增加反射次数，此时要求设备的角度十分精确，更加稳定的光源也能提高精度。三.、关于利用激光发射器产生的激光，和激光扩束镜，以及镀有高反射薄膜（待测薄膜）的凹面镜和灵敏光测量计的综合应用测量薄膜的反射率.：激光，激光扩束镜，汇聚作用的凹面镜，光强测量计。在查阅了有关资料后，我们小组发现了一种基于积分球的绝对反射率测量技术。详情如下：绝对反射率是区别于一般的相对反射率测试方法而提出的，即它的反射率测试的实现不需要反射率已知的标准样片。积分球是应用于光度测量中的重要光学

6、附件，它的特性在于具有很好的混光特性，经积分球出射的光束认为是理想的漫反射光，下面介绍了基于积分球这一光学特性的绝对反射率测量原理。积分球又称光度球，它是一个内壁均匀喷涂具有郎伯漫射特性材料的球形空腔，一般由两个半球壳组装而成。最早在19世纪90年代用于光源的光度测量，很快捷就在许多方面得到了应用。现在它已成为辐射度，光度，色度测量中不可缺少的设备。积分球所以被广泛应用，本质上在于它的混光特性。一束光进入积分球后，经多次漫反射，就形成一个理想的漫射源。这样就可以消除被测样品的不均匀性和测量器件受光面的不均匀性带来的影响。另外积分球还是一个理想的消偏振部件，从而消除了测量中偏振的影响。如上图所示

7、，一束光通量为屮0AZ的光辐射经开口S2进出内球半径为r的积分球内，投射在内壁S3上。经涂层多次漫反射后，除一部分通量经开口S2射出外，其余部分则在积分球内表面形成均匀的照明。设积分球内壁涂层的反射率为R，则入射光照射到积分球内壁一次反射后，留在积分球内部的光通量为屮1，则屮1=R0从积分球开口处射出的光通量为：屮1=屮1S2/S=R®0S2/S则第一次经S2孔出射后积分球内的光通量为：屮'=屮1-=R®0（1-S2/S）同理，经积分球内壁第二次反射后，从积分球开口处射出的光通量为：屮2=R®1n=®2S2/S=R2®0(1-S2/S)

8、S2/S依次得:n=S2/SRAn0(1-S2/S)A(n-1)则从积分球开口处射出的总光通量为：Z=厶屮1+屮2+n=R®0S2/S1/1-S2/S则从开口处出射的光照度E为：E=R0/4nr2-1/1-R(1-f)式中f为开口面积S2与积分球内壁表面积之比即S2/S，从式中可以看出入射光束经球壁多次漫反射后整个球壁上任意一位置的光照度均相等，它与入射光束的光通量，涂层漫反射率R成正比，与积分球的半径r成反比。嘁出射孔的光通量等于出射光照度与出射孔面积的乘积，因此出射光通量与出射光照度值成正比。对于实际使用的积分球，一般都开口三个，即入射孔，探测器空和样品孔，因此对应的上式中的参数

9、f应当为开口总面积之和与内壁表面积的比值。资料显示，一般用于光度测量的积分球，由于要阻挡光束直接照射到探测器上，一般都在探测器孔加挡屏，从而对积分球内壁均匀性带来影响，因此要求其开口总面积要小于积分球内壁总面积的10%,开口面积越小越有利于积分球内光辐射出射度的稳定性。同时，增大积分球的直径也可以很好的提高积分球内光辐射出射度的稳定性，其负面影响是降低了出射孔的辐照度，因为它和积分球的直径的平方成反比。此外，增大积分球内壁涂层的反射比，也会有效地提高出射孔的照度，但会增加出射孔处辐照度对涂层的反射比变化的敏感度。实际中使用的涂层涂料应该具有光谱选择性好，反射比高的特点，常用的积分球涂料主要有氧

10、化镁，硫酸钡，聚四氟乙烯等，他们的光谱反射特性在可见光，近红外相当平坦。对于远红外其涂料则用硫，其在3pm12pm的平均反射比高达0.94，只在11.2pm处有一吸收带。资料中的基于积分球的绝对反射率测试方案：根据绝对反射率的测试原理而进行的测试方案的设计应注意以下设计原则：第一：保证两测试光在入射积分球前的光通量大小相等；第二：对两测试光漫反射后的光通量的测量应有同一光电探测器来实现；第三：由于被测样品的反射率可能很高，两测试光的光通量差值很小，且要求反射率测试精度越高越好，这就要求光电探测器和相应的光电转换电路有很高的灵敏度。根据测试方案的设计原则，提出了利用扫描振镜对入射积分球的测试光束

11、进行调制，即由光源发出的一测试光束经过以一定频率摆动的扫描振镜反射，则反射光束在一定角度内实现扫描，并使光束分别扫描至积分球内壁和被测样品上，这样既保证了两测试光束在入射积分球前的光通量大小相等，而且两测试光束在积分球内分时发生漫反射，则在积分球探测器孔处安装一个光探测器即可实现对两测试光束光通量的分时测量。由于被测样品反射率可能很高，两被测光束的光通量差值很小，在选择好灵敏度很高的光电探测器后还必须有灵敏度很高的光电转换电路来分辨两测试信号。当采用扫描振镜后相当于实现了以扫描振镜的扫描频率来对测试光束进行调制，因此被测光信号经过光电转换电路后得到的是以扫描振镜的扫描频率变化的电压信号，对于这

12、种微小差别变化的电压信号通过锁相放大器来测量其微小差值能够获得更高的测试精度，这也是采用扫描振镜对测试光是进行调制的另一个重要原因。若通过光电转换电路先测得入射光束直接经过积分球内壁漫反射的测试光束对应的电压值U0,利用锁相放大器测试得到两测试光是的微小电压差值厶u后则对应的被测样品的反射率值Rc为：Rc=(Uo-AU)/U0样品的反射率越高，光通量的差值越小，电压差值U也越小，因此要求光探测器和光电探测电路有很高的灵敏度和稳定性，才能更好的实现反射率精确测量。因此，本课题提出的绝对反射率测试的总体方案为：基于积分球的理想漫反射光学特性，利用扫描振镜将入射光调制为在一定的小角度范围内的周期性扫

13、描，使入射光束分别入射到积分球内壁和被测式样上，利用光电探测器探测入射光束直接射入积分球经漫反射后的光通量和入射光进入积分球经被测量样镜反射后再被积分球漫反射的光通量，然后经光电探测器和光电转换电路接受，并由锁相放大器精确测试得到由于被测样品反射率引起的微小差别电压信号，从而最终得到被测样品的反射率值。基本的测量原理框图如图:需要注意的是由于锁相放大器的工作原理是只对参考信号同频率同相位的测试信号进行锁相和放大，因而会有很高的检测灵敏度。易知测试的输入信号变化频率与扫描振镜扫描频率一致，因此锁相放大器的参考频率应为扫描振镜的扫描频率。对于光源的选择，只要求光源具有很好的稳定性和均匀性即可，因此

14、选用常用的氦氖激光器发射的单色激光光束即可，在进行多个波段的反射率测量中光源可以更换为光栅单色仪来实现。在这一反射率测量方案中，对测量精度和稳定性影响最大的是光束经扫描振镜反射面引入的两测试光的光强差别，因为扫描振镜的反射镜是镀有铝膜的高反射镜，当一束光经摆动的反射镜反射时，对应的两束反射光的入射角不同，则反射光束对应的反射率也不同，因此两反射光的光前也不同，而本测试方案要求入射积分球的两路测试光束光照度值完全相等即光通量完全相等，因此必须消除因光束对振镜入射角不同而引起的这一误差。系统精度分析：在对光学测试系统和光电检测点了点设计的基础上，进行了整体测试系统的连调和整体测试电路的搭接调试，并

15、进行了相关的测试实验。测试电路主要包括光电转换电路，带桶滤波器和前置放大电路，当测试信号为微小差别信号且不易准确测量时，则通过锁相放大器来实现微小差别信号的检测。在整体测试系统的连调上需要注意的几点有：保证测试光束在毫无遮挡的条件下入射至积分球内。保证入射光束是以小角度入射至积分球内壁和被测镜片上，保证经镜片反射的反射光束照射至积分球内壁而不是由入射孔出射。保证两测量光束经积分球漫反射的光辐射量都均匀的等概率的由光探测器接受，最后还要保证测试环境的空气洁净，减少激光传输过程中由于空气中的微粒引起的激光散射损耗。测试应该在暗室条件下进行，尽量减少环境光引起的噪声影响。为最大限度减小噪声，光电探测

16、器与积分球的接地端应连接在一块。在进行这一微小差别信号测试之前，应先对静态的光功率大小用光功率计测试，再由测试电路测试其静态直流输出电压大小，使输出电压小于运放的最大输出。在实验测试中设定扫描振镜的扫描频率为100hz。影响测试光路系统的误差因素主要有扫描振镜的反射所引起的误差和光程不相等所引起的光能量的不等。扫描振镜所引起的误差主要是因扫描振镜的摆动而使激光的入射角不相等而引起的反射率不相等的误差，对于直接以小角度摆动的情况，当入射角小于5°，振镜摆角小于0.5。时，振镜的反射率误差小于0.210八(-4).而当对振镜的入射方式采用改进之后的光路时，振镜的摆动并没有改变入射角，反射

17、率也不会发生变化，因而不会引入误差。光程不相等引起的误差主要是指两测试光束分别照射到测试样品和积分球内壁上的光程不相等引起的光能损耗误差，该误差的大小通过实验测试来进行了确定，具体测试方法为使用标准光功率计对冲激光器发出的激光束在不同的传输距离处进行测试，在距激光器1m处的光功率值为2.635mw,在1.2m处测得光功率值为2.633mw,测试发现由光程不等引起的相对误差很小只有0.08%，因此可以忽略其对整体测试系统的影响。测试电路系统的主要误差有光电探测器本身特性所引起的噪声，由本文上面的分析可知，测试系统各部分对测试结果的误差中和小于万分之一，但是与实际实验测量结果相比，测量精度只有0.

18、05%。因此影响测试系统的测试精度的主要误差为测试电路系统的系统误差。资料中的方案完成了测试光路系统的设计和搭建，主要包括积分球个参数的设计和制作，扫描振镜的选择和调试，扫描振镜摆角的确定以及扫描振镜与积分球相对位置的确定。并设计和制作调试了测试电路系统，研究探索了减小测试电路噪声的技术放大和措施，并应用于本测试电路中有效的降低了电路噪声，使用锁相放大器很好的提高了测试的准确性和可靠性。进行了整体测试系统的调试，选取反射率已标定过的测试样品，对样品进行测试，验证测试系统的可靠性和准确度，对测试系统进行改进并能很好的达到测试重复性的基础上，再标定系统的测试精度，最后分析验证了影响测试精度的各主要

19、误差因素。该设计通过基于积分球的反射率测试方法的实验探索性研究，完成了相应的反色好了测试装置的搭建和调试。在对实际样品测试的基础上给出了系统的测量误差为0.05%，分析验证了影响精度的主要误差因素，主要有：扫描振镜的反射所引起的误差，主要是扫描振镜反射率的不稳定行一如很大的随机误差；测试电路系统中虽然光探测器本身噪声对测试电路有影响，但引入的误差很小，主要误差是整体测试电路的系统误差，产生的主要原因是测试光路系统稳定性不高，测试环境不够洁净杂光影响，集成运放和电路自身的噪声等造成了测试系统的系统误差较大，还有就是测试电路系统的灵敏度不高，使得锁相放大器提取的微小差别电压信号太小，很容易被系统误

20、差所淹没，导致测试精度的有限。通过对该反射率测试系统的实现很好的验证了该刚方案的可行性。该系统有待提高的方面有：1，为了进一步提高测试系统的稳定性，可以对测试光路系统进行改进，由于在积分球的设计中希望能测试的镜片的尺寸范围较大，因此测试孔开孔有些偏大，引入了不必要的环境误差，因此最好将积分球开孔孔径变小，测试孔最后能将积分球因有一定厚度而引入的台阶通过结构的改进将其消除，从根本上消除测试中出现的尖刺现象，另外对于测试孔位置们最后通过光路的转折，将其调整积分球正上方，使测试镜片能够很方便的置于测试孔处。2，若将积分球改为容易打开闭合的形式，该测试系统还可以实现对光学薄膜吸收和散射的测量，但是由于

21、测试光强很微弱，必须更换光探测器来实现吸收和散射的测量。3，通过对测试电路系统的改进优化，讲测试的电压信号通过模数转换电路变为数字量，利用单片机进行控制和计算，将测试的最终物理量反射率值通过相应的数据处理显示模块直接显示处理，并完成最终的测试精度标定，使测量系统实现仪器化。在归纳总结了上述方案后，我们小组在它的基础上进行了自己的拓展和设计，得到了以下改进方案：实验原理：利用激光器发生产生的激光，经过激光扩束镜的作用，让其变成出射的平行光，在利用镀膜的凹面镜对其进行汇聚作用，汇聚到焦点处，再利用光强测量计对其进行测量，通过反射光与原光强的比值，从而测得反射率。激光扩束原理衍射通常我们以光束的发散

22、参数作为完美的高斯激光束的特征。发散是指光波在其空间传播过程中以一定角度展开。甚至完美的没有任何异常的光线也会由于衍射效应经历某些光束的发散。衍射是指光线在被不透明的物体，比如刀锋切断的时候产生的弯曲效应。展开(spreading)产生于在切断的边缘发出的次级波面阵。这些次级波和主波会发生干涉，同时相互也会产生干涉，在某些时候就会形成复杂的衍射图案。衍射使得完美的校准光束成为不可能，或者说不能够将光束聚焦到无限小的点。幸运的是衍射的效果是能够被计算的。因此存在着可以预知对于任何衍射极限的透镜光束被准直的程度和光斑大小的理论。我们现在考虑一束这样由低功率TEM00气体激光器产生的光束，光腰为S0o这样我们就能够假定它能够达到衍射极限同时能够不用考虑任何热透镜效应。它将会显现出由于衍射引起的光腰的弯曲，或者说展开效应：S(x)二S0l+(入x/nS0²)²&fracl2;在这里x是指离开光源的距离，入是指激光波长，如果入x/nS0&sup2