光学薄膜的特性检测

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光学薄膜的特性检测第三组徐彩霞李佳张琨张立宏路高原

光度法测量薄膜的光学常数所谓光度法，指的是通过测量样品的反射率和透射率，经过计算，求出光学常数的方法。这里的光学常数一般是指薄膜的折射率和消光系数。这种方法虽然精度不是很高，但已经能满足设计和制备的要求，所有得到广泛的应用

利用反射率求折射率考虑透明膜的状况，也就是在考虑的波段内，均匀膜层对光没有吸收。假定薄膜的折射率没有色散在膜厚为λ/4奇数倍的那些波长上，其反射率为

(n/ns)no2Rm[2](n/ns)no2

式中，n是膜层的折射率，ns是基片的折射率，no是入射媒质折射率

利用反射率求折射率于是测量折射率就成了简单的事情，只需要读取极值反射率，然后从上式求解n

n

(1Rm)nsno1Rm4[2(m1)1]

同时

nd(2m1)

'4

λ和λ’是两个相邻的极大(或微小)反射率波长

利用反射率求折射率''可求得薄膜厚度d为d()'2n()

上面没有消除基片后面反射的影响。要做到这一点，可将基片做成楔形，或将基片后面磨毛、涂黑。或者作以下的修正

RFRoRm1Ro(2RF)Ro是基片后面反射率，RF是光度计实测的反射率值

将Rm带入上面求得n

利用透射率求折射率测量透射率时，修正式为

Rm(2To/TF1To)/(2To/TF1To)To是未镀膜前基片的测量投射率；TF是膜厚λ/4奇数倍时测量的极值透射率当nd等于λ/4的奇数倍时，上式透射率取得极值

4nonnsT22(nnons)

2

利用透射率求折射率222nnons1(1)1TmTm12

光经过镀膜基片的透射率为

TT12eTF2ab1R1R2e式中，T1,R1分别为镀膜表面的投射率和反射率；T2,R2分别为基片-空气表面的透射率和反射率；a和b为基片的吸收系数和厚度。

ab

利用透射率求折射率光经过清洁基片的透射率为

TeTo1Re所以于是得

22ab222ab2

TFT1(1Re)T1ToT2(1RRe)T2

22ab22ab12

2TFTFnonsTFT1TmT2(1R2)1ToTononsTo

利用透射率求折射率上式求出Tm,而后带入上面式子便得到n这种方法不仅校正了基片后面的吸收的影响，而且由于采用比较法测量，减小了光度计的测量误差。

前面我们假定膜层没有吸收，实际透明膜或多或少会有一些吸收。可采用屡屡反射，通过延长光学路径的方法，便能测量若吸收的吸收系数

吸收系数的测量这个装置由完全透明的平行平板做成，选择平板折射率no和角度i,以保证空气中能发生全反射，若平板长度为L,厚度为do

吸收系数的测量在膜层中的传播路径为'ddnd'1cos(n'2sin2i)2

nnno'

平板/膜层内表面的反射系数为ρ

1sin2(i)sin2(i)1222sin(i)sin(i)由于膜层是吸收的，则光在膜层中每来回一次光强度就衰减一次'2dnexp(d)exp(2d')exp1'222(nsini)

吸收系数的测量于是经过2N次反射后从平板射出的光强变为I2N2(12)exp(d)Io(1R)1exp(d)2N

令

(12)exp(d)T2N1exp(d)'22nsini12

2N

则可求出α为

2nd

'

N12T21/2Nln1/2NT2N

薄膜折射率的测量布儒斯特角方法布儒斯特定律

n1n2

b

tanbn2/n1

当线偏振光入射到折射率为n2的介质表面上时，假使偏振光平行于入射面，若入射角为布儒斯特角b,则入射光将不发生反射而全部透射。因此若入射角，直到反射光强为零时，得到布儒斯特角，从而计算介质的折射率n2。利用这种方法可以测量只有介质的折射率。薄膜的折射率也可以这样的到。

薄膜折射率的测量布儒斯特角方法

用这种方法测量的确切度较低，由于入射波虽然在薄膜上表面不发生反射，但是在薄膜与基片的界面上仍有反射光透过薄膜折射进入空气，从而干扰测量。为了解决这个问题设计了如下的一种镀膜形式。ii

p

薄膜折射率的测量布儒斯特角方法当用线偏振光入射时，迎着反射光观测基片表面，由于膜层和玻璃表面的反射系数不同，所以能够看见镀膜区与不镀膜区域的分界限。当光线的入射角等于布儒斯特角时，膜的上表面没有反射光，但是在膜的后表面会有光被反射回来。现在用菲涅尔公式，膜层与玻璃上的振幅反射系数为

rp

ngcosincosig

ngcosincosig

inpngiig

ng为基片玻璃折射率，i为介质膜射向基片的入射角，ig为基片中的折射角。

薄膜折射率的测量布儒斯特角方法当入射介质薄膜光线的入射角为b时，应用入射角和折射角互余和折射定律有rpngcosbcosigngcosbcosig

bbnng

而入射波在空气与基片界面的反射系数为ngcosbcosig2rp2ngcosbcosig2

从上述两式可以得到当一布儒斯特角入射时，镀膜区与不镀膜区域的反射率一致，即，迎着反射光

看时明暗界限将消失，浮现一篇均匀照明。这样，当用角度为b的入射光入射时，根据布儒斯特定律即可求出薄膜的折射率。

薄膜折射率的测量准波导法准波导法是利用棱镜耦合来测量沉积在低折射率衬底上或者高折射率棱镜底面上的聚合物薄膜的折射率和厚度的一种方法。其试验装置图如下图所示激光器偏振片透镜

薄膜折射率的测量准波导法光波从棱镜射到薄膜中去，形成共振导膜，导膜又经棱镜耦合射出，透射到观测屏上在观测屏上出现数条敞亮的线，如图2.

图1

图2

每一条亮线代表不同阶m的一个模，其中光斑所在的亮线是棱镜直接耦合得到的，其它的是由散射产生的。转动二维平台让光斑依次对准每一条亮线，即可读出没一个亮线的耦合角θm。

薄膜折射率的测量准波导法现在用折射率为np的等腰直角棱镜做为耦合棱镜，使底部与被测薄膜紧凑接