一種低吸收薄膜材料消光係數的精確計算方法
2024-01-21 14:00:15
一種低吸收薄膜材料消光係數的精確計算方法
【專利摘要】本發明屬於弱吸收薄膜材料的消光係數精確測量【技術領域】，具體涉及一種低吸收薄膜材料消光係數的精確計算方法，此方法可擺脫光譜測量精度不高的影響，通過採用532nm雷射泵浦測量532nm的吸收損耗，再利用532nm和632.8nm波長的吸收損耗的換算即可得到632.8nm高反膜實際的吸收損耗，然後計算獲得632.8nm波長處的具體消光係數，為研製高精度雷射測量系統中所用的632.8nm的超低損耗雷射薄膜、提高了新的方法和手段。
【專利說明】一種低吸收薄膜材料消光係數的精確計算方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於弱吸收薄膜材料的消光係數精確測量【技術領域】，具體涉及一種低吸收 薄膜材料消光係數的精確計算方法。
【背景技術】
[0002] 隨著超高精度測量系統的快速發展，對超低損耗雷射薄膜總損耗的要求越來越 高。這些高精度雷射測量系統的靈敏度、信噪比和性能強烈地依賴於薄膜的總損耗，沒有性 能優異的超低損耗雷射薄膜，這些系統的優越性能，有時甚至是基本功能都是不可能實現 的。超高精度雷射測試系統中使用了多種低損耗薄膜元件，其中腔鏡高反射膜的損耗對系 統性能的影響最大，控制薄膜損耗就成為該系統關鍵技術之一。高反射膜的損耗一直都是 低損耗薄膜研究的重點和熱點，根據能量守恆定律，高反射膜的反射率R可表示為：
[0003]R= 1-(A+S+T)
[0004] 式中：S為散射損耗，A為吸收損耗，T為透射損耗。對於高反射膜，散射損耗、吸收 損耗和透射損耗統稱為總損耗。吸收損耗是低損耗雷射薄膜總損耗的重要組成部分，因此 吸收損耗的控制對於降低薄膜的總損耗起到至關重要的作用。
[0005] 目前製備的超低損耗雷射薄膜吸收損耗水平多在幾十ppm到亞ppm量級，因此ppm 量級的低損耗雷射薄膜吸收損耗精確測試成為目前亟待解決的問題之一。目前雷射薄膜吸 收損耗測試技術主要有雷射量熱測量技術和光熱偏轉技術兩種方法：（一）雷射量熱測量 技術：目前已有國際標準（IS011551)，能對絕對吸收損耗測量，測量可重複性好，可操作性 強，但也存在著一些缺點，比如時間、空間解析度低，需測量特定的樣品等。（二）光熱偏轉 測量技術：雖然沒有統一的國際標準，但實際得到了廣泛的應用，具有靈敏度高，時間、空間 解析度高，可測量實際樣品，可分離薄膜吸收和基底吸收等優點，但此方法只是一個相對測 量，準備定標困難，操作難度大。但現有的這兩種弱吸收測試技術無法測量薄膜在632. 8nm 的吸收，從而精確計算632. 8nm的消光係數，有必要研究吸收隨著波長的變化規律，根據 532nm和1064nm的測試結果，推導出薄膜在632. 8nm的吸收，從而精確計算薄膜材料在 632. 8nm的消光係數，為設計和製備高性能的超低損耗雷射薄膜打下基礎。
【發明內容】
[0006](一）要解決的技術問題
[0007]本發明要解決的技術問題是：如何提供一種低吸收薄膜材料消光係數的精確計算 方法。
[0008](二）技術方案
[0009]為解決上述技術問題，本發明提供一種低吸收薄膜材料消光係數的精確計算方 法，其包括如下步驟：
[0010] 步驟S1 :採用離子束濺射沉積技術在單面基底上製備單層高折射率材料H薄膜和 低折射率材料L薄膜；
[0011] 步驟S2 :採用橢圓偏振儀測量單層H薄膜和單層L薄膜的反射橢圓偏振參數 WU)和AU)，設定測量波長範圍為Amin-Amax，測量步長為AX，入射角度為0 ;
[0012] 步驟S3 :建立單層薄膜材料的折射率計算模型，使用非線性優化算法，對測量的 橢圓偏振數據進行反演計算，選擇Cauchy模型作為擬合模型，當擬合計算的數據和測量數 據基本一致時，則認為反演計算成功，即可獲得單層H薄膜的物理厚度dH、單層L薄膜的物 理厚度4、單層H薄膜的折射率nH和單層L薄膜的折射率^ ;
[0013] 步驟S4 :根據柯西公式計算獲得單層H薄膜和單層L薄膜材料的光學常數數據， 在石英基底上設計工作角度為〇度的632. 8nm高反射膜，當最外層為H層時，記為膜系札樣 品，當最外層為L層時，記為膜系M2樣品，設計時反射率大於99. 995% ;採用離子束濺射沉 積技術，在超光滑的石英基底上鍍制〇度的632. 8nm高反射膜；
[0014] 步驟S5 :採用表面熱透鏡技術，其中泵浦光源選擇為532nm的綠光雷射器，探測光 源選擇為632. 8nm的紅光雷射器，在吸收損耗測量時，泵浦光近似於0度入射到高反射膜樣 品上，在高反射膜樣品上選擇2mmX2mm區域內的吸收損耗進行掃描測量，取平均值即可獲 得吸收損耗，樣品對應的吸收損耗為ApM2樣品對應的吸收損耗為A2 ;
[0015] 步驟S6 :定義Ml樣品在0度工作時532nm波長處的理論吸收為A3，M2樣品在0度 工作時532nm波長處的理論吸收為A4, 樣品在0度工作時632. 8nm波長處的理論吸收為 A5,M2樣品在0度工作時632. 8nm波長處的理論吸收為A6 ;則計算獲得0度工作時，Mi樣品 在632. 8nm波長處的吸收損耗AH =AiXA5/A3,M2樣品在632. 8nm波長處的吸收損耗\ = A2XA6/A4 ;
[0016] 步驟S7 :對於低損耗多層高反膜，當最外層為H層，其吸收損耗可近似為：
【權利要求】
1. 一種低吸收薄膜材料消光係數的精確計算方法，其特徵在於，其包括如下步驟： 步驟Sl:採用離子束濺射沉積技術在單面基底上製備單層高折射率材料H薄膜和低折 射率材料L薄膜； 步驟S2 :採用橢圓偏振儀測量單層H薄膜和單層L薄膜的反射橢圓偏振參數Ψ(λ)和Λ(λ)，設定測量波長範圍為Amin-Amax，測量步長為Λλ，入射角度為Θ; 步驟S3 :建立單層薄膜材料的折射率計算模型，使用非線性優化算法，對測量的橢圓 偏振數據進行反演計算，選擇Cauchy模型作為擬合模型，當擬合計算的數據和測量數據基 本一致時，則認為反演計算成功，即獲得單層H薄膜的物理厚度dH、單層L薄膜的物理厚度 4、單層H薄膜的折射率nH和單層L薄膜的折射率Ik ; 步驟S4 :根據柯西公式計算獲得單層H薄膜和單層L薄膜材料的光學常數數據，在石 英基底上設計工作角度為〇度的632. 8nm高反射膜，當最外層為H層時，記為膜系M1樣品， 當最外層為L層時，記為膜系M2樣品，設計時反射率大於99. 995%;採用離子束濺射沉積技 術，在超光滑的石英基底上鍍制〇度的632. 8nm高反射膜； 步驟S5 :採用表面熱透鏡技術，其中泵浦光源選擇為532nm的綠光雷射器，探測光源選 擇為632. 8nm的紅光雷射器，在吸收損耗測量時，泵浦光近似於O度入射到高反射膜樣品 上，在高反射膜樣品上選擇2mmX 2mm區域內的吸收損耗進行掃描測量，取平均值即可獲得 吸收損耗，M1樣品對應的吸收損耗為A1, M2樣品對應的吸收損耗為A2 ; 步驟S6 :定義Ml樣品在O度工作時532nm波長處的理論吸收為A3, M2樣品在O度工 作時532nm波長處的理論吸收為A4, M1樣品在O度工作時632. 8nm波長處的理論吸收為 A5, M2樣品在O度工作時632. 8nm波長處的理論吸收為A6 ;則計算獲得O度工作時，M1樣品 在632. 8nm波長處的吸收損耗Ah=A1XA5/A3, M2樣品在632. 8nm波長處的吸收損耗\ = A2 X A6/A4； 步驟S7 :對於低損耗多層高反膜，當最外層為H層，其吸收損耗可近似為：
當最外層為L層，其吸收損耗可近似為：
從而計算獲得高折射率材料在632. 8nm的消光係數為：
低折射率材料在632. 8nm的消光係數為：
【文檔編號】G01N21/31GK104458614SQ201410720302
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月2日 優先權日:2014年12月2日
【發明者】季一勤, 姜玉剛, 劉華松, 王利栓, 姜承慧, 劉丹丹 申請人:中國航天科工集團第三研究院第八三五八研究所