薄膜吸收測量中表面熱透鏡信號的優化方法
2023-08-10 03:40:11
專利名稱：薄膜吸收測量中表面熱透鏡信號的優化方法
技術領域：
本發明涉及薄膜吸收率的測量的一種信號優化方法，特別是涉及提高薄膜吸收率測量靈敏度的方法。
背景技術：
薄膜的吸收是影響其性能特別是損傷閾值的重要參數。現在高質量的實用光學薄膜的吸收率已達10-6量級乃至更小。光聲法、光熱位移法、光熱光偏轉法、表面熱透鏡法等基於光聲光熱技術的方法是測量薄膜材料微弱吸收的有效方法。其中表面熱透鏡法由於具有靈敏度高、操作簡便等優點正日益得到重視。
表面熱透鏡技術簡介表面熱透鏡技術的原理圖如附圖1所示。強度調製的基模泵浦雷射1會聚入射到薄膜樣品2的膜層上，薄膜吸收熱量形成熱波並擴散到基底引起薄膜系統的溫升，溫升導致熱膨脹形成「表面熱包」，熱包的縱向高度隨泵浦雷射的強度變化，徑向高度可視為呈高斯分布。這種現象也被稱為「光熱形變」。一束探測雷射3近乎垂直的照射到熱包表面上，熱包位於探測光斑的中心且小於探測光斑。受熱包的影響，反射探測雷射光強將重新分布，這種現象被稱為「表面熱透鏡效應」。表面熱透鏡信號定義為泵浦雷射照射前後反射探測雷射中心光強的變化率。理論和實驗證明，當樣品表面的光熱形變很小時，對於滿足光薄(薄膜厚度遠小於其吸收長度)、熱薄(薄膜厚度遠小於其熱擴散長度)條件且基底吸收可忽略的薄膜樣品，表面熱透鏡信號與薄膜的吸收率成正比。如下式所示S＝CAPpump其中，S為表面熱透鏡信號，A為薄膜樣品的吸收率，Ppump為泵浦雷射1的功率。C為儀器參數，在同樣的測試條件下是一個常數。分別測量吸收率已知的樣品的表面熱透鏡信號和待測樣品的表面熱透鏡信號即可求出待測樣品的吸收率。
微弱吸收薄膜樣品的表面熱透鏡信號很小，常小於1微伏。對於如此小的信號，通過適當改變測量系統參數(如樣品表面的泵浦雷射光斑大小、探測雷射腰斑位置、探測雷射腰斑大小、探測平面位置等)對信號進行優化是可能的，也是很重要的。
優化的目的即在A、Ppump不變的情況下獲得更大的表面熱透鏡信號S的絕對值，這就要求儀器參數C變大。儀器參數C與許多因素有關，包括樣品表面的泵浦雷射光斑大小、泵浦雷射調製頻率、探測雷射腰斑位置、探測雷射腰斑大小、探測平面位置、光電探測器的特性等參數。已有的表面熱透鏡信號優化方法包括縮小樣品表面的泵浦雷射光斑面積、降低泵浦雷射調製頻率、採用低噪聲、大增益的光電探測電路等等，但在前面這些參數固定的情況下，探測雷射腰斑位置、探測雷射腰斑大小、探測平面位置這三個參數的變化也會引起表面熱透鏡信號S的較大變化。現有的理論和技術對於如何通過調節這三個參數來增大儀器參數C則沒有詳細和系統的論述。
發明內容
本發明的表面熱透鏡薄膜吸收測量系統的一種光路調節方法，目的在於在A、Ppump不變的情況下獲得更大的表面熱透鏡信號S的絕對值。我們根據表面熱透鏡信號的理論模型進行優化。
一、表面熱透鏡信號的理論模型當樣品表面的光熱形變很小時，表面熱透鏡信號正比於光熱形變；而且對於滿足光薄(薄膜厚度遠小於其吸收長度)、熱薄(薄膜厚度遠小於其熱擴散長度)條件且基底吸收可忽略的薄膜樣品，光熱形變與薄膜的吸收率成正比。這時樣表面熱包對時間的平均高度u(r)可表示為u(r)=ue-r2/R2]]>u＝CAP其中，A表示薄膜樣品的吸收率，P為入射的泵浦雷射功率，R是熱包的高斯半徑，r是熱包表面上某點到熱包中心軸的垂直距離，u是熱包的中心高度(對時間平均)。C是與基底的線性膨脹係數、密度、比熱、樣品表面泵浦光斑大小、泵浦雷射調製頻率等參數有關的量。對於同樣的基底和同樣的泵浦雷射參數，C是一個常數。
根據菲涅爾衍射理論可以求出反射探測雷射的光強分布。
入射到樣品表面的探測雷射(基模高斯光束)在樣品表面的場強表達式為E0=C101e-ikz1e-ik2qr2eiArctan(z1f)---(1)]]>其中ω0表示探測雷射束腰半徑，ω1表示樣品表面探測雷射光斑半徑。
表面熱包對探測雷射的改變可用一個相位因子表示e-i2ku(r)這樣，從樣品表面反射的探測雷射在樣品表面的場強表達式為
E1=E0e-i2ku(r)=C101e-ikz1e-ik2qr2eiArctan(z1f)e-i2ku(r)---(2)]]>根據菲涅爾衍射公式，接收屏上的場強和光強分布為E(r)=eikz12iz12E1eik2z12r2]]>=C1eiArctan(z1f)+ik(-z1+z12)0iz121-+-+e-ik2q(2+2)-i2ku(r)+ik2z12((x-)2+(y-)2)dd---(3)]]>I(r)＝C2|E(r)|2(4)其中表示卷積，r2＝x2+y2。
式(3)中的積分過於複雜難以計算，可將e-i2ku(r)用泰勒級數在u＝0點關於u展開。實際計算中我們省略u的一次項以上的高階項。這在u很小的情況下是允許的。如下式所示e-i2ku(r)1-2ikue-r2R2---(5)]]>這樣式(3)變成E(r)=C1eiArctan(z1f)+ik(-z1+z12)0iz121]]>-+-+(1-2ikue-(2+2)R2)e-ik2q(2+2)+ik2z12((x-)2+(y-)2)dd---(6)]]>中心光強I＝I(r＝0)表面熱透鏡信號S定義為S＝(I-I0)/I0(7))其中，I0表示無泵浦光照射時的中心光強。
理論模擬和實驗結果都證明，在一定條件下，S＝CAPpump根據(4)、(6)和(7)式可以計算表面熱透鏡信號隨探測雷射腰斑大小、探測雷射腰斑位置、探測平面位置這三個參數的變化關係，從而找到這些參數的最優化值。
二、調節步驟1、縮小探測雷射腰斑半徑ω0根據表面熱透鏡信號的理論模型可繪製出表面熱透鏡信號隨探測雷射腰斑半徑變化的曲線(如附圖2所示)。從圖中可看出當探測雷射腰斑縮小時，表面熱透鏡信號的絕對值明顯增大。而且縮小探測雷射腰斑還有利於提高測量信噪比，縮小測量系統體積。但事實上獲得很小ω0的技術難度大成本高昂。選取10μm為探測雷射腰斑半徑是一個較為理想的數值。
2、適當調節探測雷射腰斑到被測樣品的距離z1探測雷射的腰斑可以在樣品前也可在樣品後。當它在樣品前時，入射到樣品上的雷射是散焦的，這稱為「散焦探測法」，否則稱為「聚焦探測法」。理論模擬和實驗結果都表明，採用散焦探測法時，測量靈敏度和測量信噪比都高於聚焦探測法；而且實驗裝置排列調節方便，探測光入射角更小。
關於探測雷射腰斑的準確位置，根據表面熱透鏡信號的理論模型繪製表面熱透鏡信號隨z1的變化曲線(如附圖3所示)。探測雷射腰斑的準確位置可由此圖給出對於附圖3中的情況，當z1等於-53.8mm時可獲得最高的吸收測量靈敏度。
3、適當調節樣品表面到探測平面的距離z12選定探測雷射腰斑半徑ω0和探測雷射腰斑到被測樣品的距離z1之後，根據表面熱透鏡信號的理論模型繪製表面熱透鏡信號隨樣品表面到探測平面的距離z12的變化曲線(如附圖4所示)。由附圖4可見當z12大於0.2m時S的絕對值基本穩定在最大值附近。但當z12太大時，中心光強變弱，環境雜散光的幹擾相對變大，測量信噪比降低。在這種情況下z12取為0.4m到0.6m都是適宜的。
圖1為表面熱透鏡技術原理圖。
圖2為表面熱透鏡信號隨探測雷射腰斑半徑變化的曲線圖。
圖3為表面熱透鏡信號隨探測雷射腰斑到被測樣品的距離變化的曲線圖。
圖4為表面熱透鏡信號隨樣品表面到探測平面的距離變化的曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步的描述一種薄膜吸收測量中表面熱透鏡信號的優化方法a.根據公式I(r)＝C1|E(r)|2和公式E(r)=C1eiArctan(z1f)+ik(-z1+z12)0iz121]]>-+-+(1-2ikue-(2+2)R2)e-ik2q(2+2)+ik2z12((x-)2+(y-)2)dd]]>及表面熱透鏡信號S定義式S＝(I-I0)/I0其中中心光強I＝I(r＝0)；I0表示無泵浦光照射時的中心光強；由對上面的式子的數值模擬和實驗結果可得S＝CAPpump分別計算表面熱透鏡信號隨探測雷射腰斑位置、腰斑大小、探測平面位置等三個參數的變化關係，從而找到這些參數的最優化值。
b.調節步驟1)縮小探測雷射腰斑半徑ω0；2)在樣品2前或後，適當調節探測雷射腰斑到被測樣品2的距離z1；3)適當調節樣品2表面到探測平面的距離z12。
本發明的一個實施例儘量縮小探測雷射腰斑半徑ω0，選取10um為探測雷射腰斑半徑。
根據表面熱透鏡信號的理論模型可繪製出表面熱透鏡信號隨探測雷射腰斑半徑變化的曲線(如附圖2所示)。從圖中可看出當探測雷射腰斑縮小時，表面熱透鏡信號的絕對值明顯增大。而且縮小探測雷射腰斑還有利於提高測量信噪比，縮小測量系統體積。但事實上獲得很小ω0的技術難度大成本高昂，所以也難以取得太小，令探測雷射腰斑半徑為10μm是一個較為理想的數值。
本發明的另一個實施例在樣品2前，適當調節探測雷射腰斑到被測樣品2的距離z1；宜採用散焦探測法；對於附圖3中的情況，當z1等於-53.8mm時為最佳可獲得最高的吸收測量靈敏度。
探測雷射的腰斑在樣品前時，入射到樣品上的雷射是散焦的，這稱為「散焦探測法」，否則稱為「聚焦探測法」。理論模擬和實驗結果都表明，採用散焦探測法時，測量靈敏度和測量信噪比都高於聚焦探測法；而且實驗裝置排列調節方便，探測光入射角更小。
關於探測雷射腰斑的準確位置，根據表面熱透鏡信號的理論模型繪製表面熱透鏡信號隨z1的變化曲線(如附圖3所示)。探測雷射腰斑的準確位置可由此圖給出。對於附圖3中的情況，當z1等於-53.8mm時為最佳可獲得最高的吸收測量靈敏度。
本發明的再一個實施例適當調節樣品2表面到探測平面的距離z12，取其為0.4m到0.6m。
選定探測雷射腰斑半徑ω0和探測雷射腰斑到被測樣品的距離z1之後，根據表面熱透鏡信號的理論模型繪製表面熱透鏡信號隨樣品表面到探測平面的距離z12的變化曲線(如附圖4所示)。由附圖4可見當z12大於0.2m時S的絕對值基本穩定在最大值附近。但當z12太大時，中心光強變弱，環境雜散光的幹擾相對變大，測量信噪比降低。在這種情況下z12取為0.4m到0.6m都是適宜的。
對於上面的最優化實例，假定光強探測器能區分的最小光強變化為萬分之一，也即能測量的最小光熱信號為0.0001。探測雷射波長λ為0.6328μm；熱包的高斯半徑R為100μm；優化後取ω0為10μm，z1取為-59.8mm，z12取為40mm，此時能測量的最小u為5.1pm，對應通常電介質薄膜約為50ppb的吸收率。
權利要求
1.一種薄膜吸收測量中表面熱透鏡信號的優化方法，其特徵在於a.根據公式I(r)＝C2|E(r)|2和公式E(r)=C1eiArctan(z1f)+ik(-z1+z12)0iz121]]>-+-+(1-2ikue-(2+2)/R2)e-ik2q(2+2)+ik2z12((x-)2+(y-)2)dd]]>及表面熱透鏡信號S定義公式S＝(I-I0)/I0其中中心光強I＝I(r＝0)；I0表示無泵浦光照射時的中心光強；由上述公式的數值模擬和實驗結果可得S＝CAPpump分別計算表面熱透鏡信號隨探測雷射腰斑位置、腰斑大小及探測平面位置等三個參數的變化關係及其參數的最優化值；b.調節步驟1)縮小探測雷射腰斑半徑ω0；2)在樣品2前或後，適當調節探測雷射腰斑到被測樣品2的距離z1；3)適當調節樣品2表面到探測平面的距離z12。
2.如權利要求1所述的薄膜吸收測量中表面熱透鏡信號的優化方法，其特徵在於其調節步驟為縮小探測雷射腰斑半徑ω0，選取10um為探測雷射腰斑半徑。
3.如權利要求1所述的薄膜吸收測量中表面熱透鏡信號的優化方法，其特徵在於其調節步驟為在樣品2前，採用散焦探測法，調節探測雷射腰斑到被測樣品2的距離等於-53.8mm。
4.如權利要求1所述的薄膜吸收測量中表面熱透鏡信號的優化方法，其特徵在於其調節步驟為調節樣品2表面到探測平面的距離z12為0.4m到0.6m。
全文摘要
薄膜吸收測量中表面熱透鏡信號的優化方法，根據表面熱透鏡信號理論模型給出表面熱透鏡信號隨探測雷射腰斑大小、探測雷射腰斑位置、探測平面位置這三個參數的變化關係，依次調節探測雷射腰斑大小、探測雷射腰斑位置、探測平面位置這三個參數到合適的數值，從而提高薄膜吸收測量的靈敏度。
文檔編號G01N21/59GK1632532SQ20041009914
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月28日 優先權日2004年12月28日
發明者範樹海, 賀洪波, 邵建達, 範正修 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所