光學(xué)薄膜的特性檢測

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光學(xué)薄膜的特性檢測第三組徐彩霞李佳張琨張立宏路高原

光度法測量薄膜的光學(xué)常數(shù)所謂光度法，指的是通過測量樣品的反射率和透射率，經(jīng)過計算，求出光學(xué)常數(shù)的方法。這里的光學(xué)常數(shù)一般是指薄膜的折射率和消光系數(shù)。這種方法雖然精度不是很高，但已經(jīng)能滿足設(shè)計和制備的要求，所有得到廣泛的應(yīng)用

利用反射率求折射率考慮透明膜的狀況，也就是在考慮的波段內(nèi)，均勻膜層對光沒有吸收。假定薄膜的折射率沒有色散在膜厚為λ/4奇數(shù)倍的那些波長上，其反射率為

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

式中，n是膜層的折射率，ns是基片的折射率，no是入射媒質(zhì)折射率

利用反射率求折射率于是測量折射率就成了簡單的事情，只需要讀取極值反射率，然后從上式求解n

n

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

同時

nd(2m1)

'4

λ和λ’是兩個相鄰的極大(或微小)反射率波長

利用反射率求折射率''可求得薄膜厚度d為d()'2n()

上面沒有消除基片后面反射的影響。要做到這一點(diǎn)，可將基片做成楔形，或?qū)⒒竺婺ッ?、涂黑?；蛘咦饕韵碌男拚?/p>

RFRoRm1Ro(2RF)Ro是基片后面反射率，RF是光度計實(shí)測的反射率值

將Rm帶入上面求得n

利用透射率求折射率測量透射率時，修正式為

Rm(2To/TF1To)/(2To/TF1To)To是未鍍膜前基片的測量投射率；TF是膜厚λ/4奇數(shù)倍時測量的極值透射率當(dāng)nd等于λ/4的奇數(shù)倍時，上式透射率取得極值

4nonnsT22(nnons)

2

利用透射率求折射率222nnons1(1)1TmTm12

光經(jīng)過鍍膜基片的透射率為

TT12eTF2ab1R1R2e式中，T1,R1分別為鍍膜表面的投射率和反射率；T2,R2分別為基片-空氣表面的透射率和反射率；a和b為基片的吸收系數(shù)和厚度。

ab

利用透射率求折射率光經(jīng)過清潔基片的透射率為

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,而后帶入上面式子便得到n這種方法不僅校正了基片后面的吸收的影響，而且由于采用比較法測量，減小了光度計的測量誤差。

前面我們假定膜層沒有吸收，實(shí)際透明膜或多或少會有一些吸收。可采用屢屢反射，通過延長光學(xué)路徑的方法，便能測量若吸收的吸收系數(shù)

吸收系數(shù)的測量這個裝置由完全透明的平行平板做成，選擇平板折射率no和角度i,以保證空氣中能發(fā)生全反射，若平板長度為L,厚度為do

吸收系數(shù)的測量在膜層中的傳播路徑為'ddnd'1cos(n'2sin2i)2

nnno'

平板/膜層內(nèi)表面的反射系數(shù)為ρ

1sin2(i)sin2(i)1222sin(i)sin(i)由于膜層是吸收的，則光在膜層中每來回一次光強(qiáng)度就衰減一次'2dnexp(d)exp(2d')exp1'222(nsini)

吸收系數(shù)的測量于是經(jīng)過2N次反射后從平板射出的光強(qiáng)變?yōu)镮2N2(12)exp(d)Io(1R)1exp(d)2N

令

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

2N

則可求出α為

2nd

'

N12T21/2Nln1/2NT2N

薄膜折射率的測量布儒斯特角方法布儒斯特定律

n1n2

b

tanbn2/n1

當(dāng)線偏振光入射到折射率為n2的介質(zhì)表面上時，假使偏振光平行于入射面，若入射角為布儒斯特角b,則入射光將不發(fā)生反射而全部透射。因此若入射角，直到反射光強(qiáng)為零時，得到布儒斯特角，從而計算介質(zhì)的折射率n2。利用這種方法可以測量只有介質(zhì)的折射率。薄膜的折射率也可以這樣的到。

薄膜折射率的測量布儒斯特角方法

用這種方法測量的確切度較低，由于入射波雖然在薄膜上表面不發(fā)生反射，但是在薄膜與基片的界面上仍有反射光透過薄膜折射進(jìn)入空氣，從而干擾測量。為了解決這個問題設(shè)計了如下的一種鍍膜形式。ii

p

薄膜折射率的測量布儒斯特角方法當(dāng)用線偏振光入射時，迎著反射光觀測基片表面，由于膜層和玻璃表面的反射系數(shù)不同，所以能夠看見鍍膜區(qū)與不鍍膜區(qū)域的分界限。當(dāng)光線的入射角等于布儒斯特角時，膜的上表面沒有反射光，但是在膜的后表面會有光被反射回來?，F(xiàn)在用菲涅爾公式，膜層與玻璃上的振幅反射系數(shù)為

rp

ngcosincosig

ngcosincosig

inpngiig

ng為基片玻璃折射率，i為介質(zhì)膜射向基片的入射角，ig為基片中的折射角。

薄膜折射率的測量布儒斯特角方法當(dāng)入射介質(zhì)薄膜光線的入射角為b時，應(yīng)用入射角和折射角互余和折射定律有rpngcosbcosigngcosbcosig

bbnng

而入射波在空氣與基片界面的反射系數(shù)為ngcosbcosig2rp2ngcosbcosig2

從上述兩式可以得到當(dāng)一布儒斯特角入射時，鍍膜區(qū)與不鍍膜區(qū)域的反射率一致，即，迎著反射光

看時明暗界限將消失，浮現(xiàn)一篇均勻照明。這樣，當(dāng)用角度為b的入射光入射時，根據(jù)布儒斯特定律即可求出薄膜的折射率。

薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法準(zhǔn)波導(dǎo)法是利用棱鏡耦合來測量沉積在低折射率襯底上或者高折射率棱鏡底面上的聚合物薄膜的折射率和厚度的一種方法。其試驗裝置圖如下圖所示激光器偏振片透鏡

薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法光波從棱鏡射到薄膜中去，形成共振導(dǎo)膜，導(dǎo)膜又經(jīng)棱鏡耦合射出，透射到觀測屏上在觀測屏上出現(xiàn)數(shù)條敞亮的線，如圖2.

圖1

圖2

每一條亮線代表不同階m的一個模，其中光斑所在的亮線是棱鏡直接耦合得到的，其它的是由散射產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)動二維平臺讓光斑依次對準(zhǔn)每一條亮線，即可讀出沒一個亮線的耦合角θm。

薄膜折射率的測量準(zhǔn)波導(dǎo)法現(xiàn)在用折射率為np的等腰直角棱鏡做為耦合棱鏡，使底部與被測薄膜緊湊接