反射透射与吸收率测试

1、Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. p 光谱分析测试系统的基本原理光谱分析测试系统的基本原理p 薄膜光谱透射率的测试薄膜光谱透射率的测试p 薄膜反射率的测量薄膜反射率的测量p 薄膜的吸收和散射测量薄膜的吸收和散射测量 吸收损耗与散射损耗吸收损耗与散射损耗 激光量热仪基本原理激光量热仪基本原理反射、透射与吸收率测试Schl. of Optoelectronic

2、Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 一、光谱分析测试系统的基本原理一、光谱分析测试系统的基本原理l 分光光度计是测量薄膜透射率常用的光谱分析仪器；l 按照光谱波段分类： 紫外-可见光分光光度计、红外分光光度计；l 按照测试原理分类： 单色仪分光光度计、干涉型光谱测试系统。Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部

3、国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 1 1、单色仪型分光光度计和基本原理、单色仪型分光光度计和基本原理 光源光源发出检测波段的光束 照明系统光束整形 单色仪单色仪入射狭缝（分光处理）、单色光出狭缝 样品池（可在单色仪前、后） 光电传感器传感器产生电子 计算机软件处理Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集

4、成器件”国家重点实验室国家重点实验室. u 光源的作用 提供测量波段所需的各种波长光束；稳压电源供电， 光强恒定； 可见光光源：钨丝灯或卤钨灯； 紫外光光源：氙灯或氘灯； 红外光光源：卤钨灯或硅碳棒灯。照明系统光束整形：对点光源的平行化处理等Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. u 单色仪的作用 结构：色散原件、狭缝机构、色散原件及扫描驱动， 常用色散原件 “棱

5、镜”和“光栅”； 棱镜：早期产品使用， 光栅优点：色散大、分辨率大、光谱分布均匀；曲 面光栅可使光路系统优化。n 单色仪利用狭缝将色散原件产生的空间分布不同波长的光分离开n 狭缝具有一定的宽度，使得从单色器出来的单色光总是包含很窄波长范围的光带n 狭缝照明的均匀性对测量准确度影响极大Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. u 光电传感器的作用 结构：光电探测器和处

6、理电路； 紫外-可见光：光电三极管、光电倍增管、阵列光电 探测器（增强型 CCD线阵或面阵） 红外光：硫化铅光敏电阻、红外半导体传感器或热 电偶； 阵列光电传感器使用：取消单色仪出射狭缝Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. （1 1）单光路分光光度计）单光路分光光度计 测试时，首先进行“空白样”测试，测试出100%透射基本光谱光电信号 实际样品测试，然后对比（即

7、扣除空白样测试）对光源输出光的稳定性要求较高Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 依然采用单光路设计，可完成透射和反射测试 晶体偏振棱镜，可实现宽光谱照明 光电探测器与积分球结合 样品台转动，入射角可变，实现多角度测量Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点

8、实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. （2 2）双光路扫描式分光光度计）双光路扫描式分光光度计 也要进行“空白样”测试； 两束光由“光束选择调制器”分束处理，然后交替探测，两束光相除可得样品的透射率。Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. Schl. of Optoelect

9、ronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 2 2、基于干涉型的光谱分析系统、基于干涉型的光谱分析系统 红外光谱仪红外光谱仪一般指工作在2.5 25m范围内的光谱仪 在红外区域，常采用波数（波长的倒数，cm-1）取代波 长， 2.5 2.5 2525m 对应对应 40004000 400 cm400 cm-1 -1 （ 10000/m） 红外光谱仪分“色散型”和“干涉型” “色散型红外光谱仪”的不足：

10、扫描速度慢、探测器灵敏度低、分辨率低几乎所有的现代红外光谱仪都是傅里叶变换的Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 红外傅里叶光谱系统原理图Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子

11、薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 光源发出的光被分成两束 一束经反射到达动镜动镜，另一束经透镜到达定镜定镜 两束光分别经定镜和动镜反射，回到分束器 动镜以一恒定速度恒定速度作直线运动，使得经分束器分束后的 两束光，由于动镜运动形成随时间变化的光程差光程差d d，产生 干涉干涉，通过样品池被检测器/探测器感知，得到干涉图谱干涉图谱 检测器/探测器：TGS（含重氢的氨基乙酸硫酸盐）或各型 红外探测器红外探测器Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key La

12、b. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 红外傅里叶变换光谱仪具备的特点：1、 探测的信号增大，大大提高了谱图的信噪比2、光学元件少，无狭缝和光栅，到达检测器/探测器的辐射 强度大，信噪比高3、波长（数）精度高（0.01cm-1），重现性好，分辨率高4、扫描速度快，一次扫

13、描一至数秒，且同时测定所有的波 数区间 应用各种光谱仪，可完成薄膜样品的光谱透射、光谱反射以及光谱吸收测试。Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 二、薄膜光谱透射率的测试二、薄膜光谱透射率的测试l 利用分光光度计测量薄膜透射率，操作简单l 初始化过程是需要的l 影响测量准确性的主要因素 样品口径的影响（光斑尺寸影响） 样品厚度的影响（积分球的采用） 样品契角的影

14、响（大口径积分球的采用）Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. l 影响测量准确性的主要因素（续） 样品后表面的影响l 空白基板的利用 与镀膜基底完全相同l 按非相干表面处理 按强度而非幅度叠加l 样品总透射率总透射率是各次 透射光的叠加Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实

15、验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. l 影响测量准确性的主要因素（续） 样品后表面的影响 设空白基板的透射率为T0， 忽略基板与薄膜吸收，Rs=1-Ts ，同理 Rf=1-Tf Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. l 影响测量准确性的主要因素（续） 光

16、线的偏振效应l 光线经过多次反射，测量光束带有偏振特性l 高档次仪器：采用去偏或圆偏振光l 样品的放置方式十分重要; 分光光度计的偏振面一般平行于水平面 入射面出现夹角，产生偏振误差，应引起重视！Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. l 影响测量准确性的主要因素（续） 仪器的光谱分辨率p 分光光度计光谱分辨率低： 10nmp 1nm分辨率、带宽6nm截止滤波片，

17、透过率95%（实线）p 10nm分辨率、带宽8nm截止滤波片，透过率68%（虚线）Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 三、薄膜反射率的测试三、薄膜反射率的测试l 薄膜反射率的测量复杂和困难得多 很难找到在很宽波段内100%反射的参考样品 反射光路变化灵敏，光斑位置有变化 测量范围和精度要求的不同 不同膜系，吸收与损耗将不能忽略 T+R=1 （不考虑吸收） T+

18、R+A=1（考虑吸收）Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 三、薄膜反射率的测试（续）三、薄膜反射率的测试（续）l 单次反射法测试薄膜的反射率 采用共焦显微系统、光斑小 测试凹凸不平表面反射 需要参比样品 K9玻璃，在360nm 2500nm范围内具有平直光谱响应。 石英玻璃也可以作参比。 I0为K9反射信号 R0为K9理论反射率Schl. of Optoele

19、ctronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 三、薄膜反射率的测试（续）三、薄膜反射率的测试（续）l V-W光路测量薄膜反射率 采用两次反射测试 可以去掉参考样品 反射率的绝对测试绝对测试 参比反射镜使用（Rf可未知） 最好选用球面反射镜 Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State

20、 Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点实验室国家重点实验室. 思考题思考题1、 说明色散型分光光度计与干涉型光谱仪的相同与差异之处。2、要测试一个基板为K9玻璃的减反薄膜器件，在420650nm之 间的光谱反射率小于0.5，如果用精度为1%与0.5%的透射式 分光光度计来测试，试