CN100334440C - 一种用于光学材料微弱吸收测量的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光学材料微弱吸收测量的设备及方法，该发明是基于F-P干涉原理进行设计的，即在两片完全相同的窄带通高反膜系之间夹一真空层或空气层作为谐振腔，构成一个品质因子非常高的超窄带通滤光片，利用带通位置处的透过率对谐振腔的吸收特别敏感的特性，只要将待测样品放在谐振腔内，谐振腔内会有微弱吸收，就会引起透过率发生明显的变化，通过透过率的变化及利用商用的膜系设计与计算软件Filmstar绘制的峰值透过率差值(ΔT)随消光系数(κ)变化的标准曲线，就可以推算出待测光学材料的消光系数，进而得出其吸收系数。

Description

一种用于光学材料微弱吸收测量的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种用于光学材料微弱吸收系数测量的设备和方法。

背景技术

传统的用于光学材料弱吸收测量的方法很多，主要有二十世纪八十年代前就开始使用的光声光谱技术，和二十世纪八十年代发展起来的光热偏转光谱技术，以及在此基础上改进的表面热透镜技术【杨富等，“10.6μm激光辐照下光学薄膜的微弱吸收测量”，强激光与粒子束，第16卷，277(2004)】【胡海洋等，“表面热透镜技术探测光学薄膜的微弱吸收”，光学学报，第21卷，150(2001)】。这些技术都在光科技和光通讯的发展过程中起到了积极而重要的作用，但这些技术的灵敏度最高只能达到10^-6【陈文斌等，“光热偏转光谱技术检测光学薄膜的吸收率及其定标”浙江大学学报(自然科学版)，第23卷，(532)1989】，对于更弱吸收的测量就显得无能为力了。

光热偏转光谱技术是基于物质吸收光能而产生的热效应，其原理是使一束强度受调制的泵浦光束聚焦到待测样品的前表面，样品表面受到加热而产生的热包将使反射的探测光发生偏转，其偏转程度与物质的吸收率成正比，通过对探测光偏转量的探测，可获得样品的吸收值。但这种方法中实验装置的调整难度较大，而且稳定性较差。影响这种技术灵敏度的因素主要有激光噪声、电噪声和外界噪声，其中激光噪声是检测光方向无规漂移的噪声与泵浦光的方向漂移导致两光束间的距离Δr无规则变化的噪声，这两种激光噪声具有与光热偏转信号相同的性质因此无法区别而成为限制系统灵敏度的重要噪声源。另外，这种技术需要通过其他方法对吸收大的样品进行定标，这样就增加了测量的复杂性和难度，而且在定标过程中会引起直接或间接误差，由定标引起的误差在7％左右，这是由该技术原理所决定的，是无法避免的。

表面热透镜技术是在传统反射式光热偏转技术的基础上，把探测光换为大光斑，使其照射整个样品表面热包区域，表面热包将使反射的探测光的波前发生畸变，畸变的反射光的强度分布可由CCD或针孔光电探测器扫描获得。如果将反射光线围绕样品表面作镜像反转，则反射光可以看成是带有位相畸变的透射光，这一位相畸变是由样品表面受泵浦光照射后所产生的热包引起的，表面热包在虚拟光路中的作用相当于一个“透镜”，故称为表面热透镜技术。当样品为弱吸收时，光热信号随表面热包幅度有一较大的线性区域，而表面热包的幅度又线性地依赖于人射泵浦光的能量，因此可利用表面热透镜技术测量光学材料的微弱吸收。光热探测技术可以成功地用来测量样品吸收的关键在于在一定的激光功率范围内，只要样品本身是弱吸收的，则光热信号与所吸收的光能成正比，而样品吸收的光能直接取决于泵浦光的能量或功率以及样品本身的吸收。因此，可以通过定标的方法来获得待测样品的吸收。和光热偏转光谱技术一样，由于表面热透镜技术也需要通过其他方法对其他吸收大的样品进行定标，从而增加了测量的复杂性和难度，而且直接或间接地引入了误差。这种方法的探测极限也只能达到10^-6，对于更弱吸收的测量就无能为力了。

发明内容

基于上述已有的测量设备和方法不能满足要求，本发明的目的是提供一种用于光学材料微弱吸收系数测量的设备和方法。该设备简单，测量方法简便，无需复杂的定标过程。

本发明是基于F-P干涉原理进行设计的，即在两片完全相同的窄带通高反膜系之间夹一真空层或空气层作为谐振腔，构成一个品质因子非常高的超窄带通滤光片，利用带通位置处的透过率对谐振腔的吸收特别敏感的特性，只要将待测样品放在谐振腔内，谐振腔内会有微弱吸收，就会引起透过率发生明显的变化，见图1。通过透过率的变化就可以推算出待测光学材料的消光系数，进而得出其吸收系数。

本发明的测量设备依次包括：激光光源1、将光源分成两束相同强度入射光的分束片2、反射镜3和F-P谐振腔4，接收透射信号的探测器5、6。

所说的F-P谐振腔4的前腔镜401为窄带通反射膜片，并固定不可移动；后腔镜有二片402、403，并排放置，也为窄带通反射膜片，并可移动，可分别调节谐振腔的腔距。前腔镜401的一部分区域与后腔镜402构成F-P参考谐振腔41，中间为真空层。前腔镜401的另一部分区域与后腔镜403构成F-P测量谐振腔42，待测样品7放在前腔镜401和后腔镜403之间。所述的窄带通反射膜片的膜系为(LH)_a，其中L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，其光学厚度为λ/4，λ为人射光波长；a为高低折射率膜层交替叠层的次数。

激光光源1经分束片2分成二束光，一束为参考光束c₁，另一束为测量光束c₂。参考光束c₁经反射镜3反射后90°转弯射人F-P参考谐振腔41，其透射信号由探测器5接受。测量光束c₂射人放有待测样品7的F-P测量谐振腔42，其透射信号由探测器6接受。

利用上述设备测量光学材料微弱吸收系数方法的具体步骤如下：

1.峰值透过率差值(ΔT)随消光系数(κ)变化的标准曲线制作

利用商用的膜系设计与计算软件Filmstar，将F-P谐振腔结构的膜系参数

(LH)_a(mC)(HL)_a

输入进去，mC为谐振腔的光学长度L_c，m为干涉级次，C为λ/4。设消光系数κ为0，计算出该膜系的透射谱，然后只改变其中谐振腔的消光系数κ，计算出一系列不同消光系数时的透过率曲线，并由此作出其峰值透过率与消光系数κ为0时峰值透过率之间的差值(ΔT)随消光系数(κ)变化的标准曲线。

2.将两面抛光平行的样品7放在测量谐振腔42中，并使样品的一面紧贴谐振腔的前腔镜。根据待测样品7的折射率n_s和厚度T调节后腔镜窄402、403的位置，使二谐振腔的光学长度L_c相同，目的是保证测量谐振腔和参考谐振腔的干涉级次相同。

3.打开激光光源1，在真空中测量经分束片2分束的二束入射光c₁和c₂分别经过参考谐振腔41和测量谐振腔42由探测器5和6接受的透射信号，通过二者透过率的差别ΔT就可以对照标准曲线，得出待测样品的消光系数κ，经α＝4πκ/λ得出其吸收系数α。

本发明的优点是：设备简单，测量方法简便，灵敏度很高，还避免了复杂且引入较大误差的定标过程，而且可以根据实际情况，调节设备的灵敏度。因此，本设备和方法特别适用于固体材料微弱吸收的测量。

附图说明

图1为谐振腔的光学厚度L_c为1550μm，具有不同消光系数κ时所对应的透射谱，实线为κ＝0时的透射谱，虚线为κ＝1×10^-8时的透射谱，点线为κ＝5×10^-8时的透射谱，点划线为κ＝10×10^-8时的透射谱；

图2为本发明的测量设备示意图；

图3为两种不同谐振腔光学长度L_c(775μm和1550μm)所对应的无吸收κ＝0(真空)与有吸收(有待测样品)时透过率差值(ΔT)随消光系数(κ)变化的标准曲线。

具体实施方式

下面以λ＝1.55μm的光通信波长为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

1.窄带通反射膜片的制备

根据所选波长λ＝1.55μm，确定反射膜片的基片为宝石片，反射膜片膜系为(LH)₁₀，H表示光学厚度为λ/4的五氧化二钽膜层，L表示光学厚度为λ/4的二氧化硅膜层，λ＝1.55μm。

膜系采用厚度控制精度很高的磁控反应溅射镀膜机在宝石片上进行镀制，然后将镀好膜系的反射膜片一切为二，其中一片作为固定的前腔镜401，另一片再一分为二，分别作为可移动的后腔镜402、403。这样既可以最大程度地简化工艺步骤，还可以最大程度地保障构成F-P干涉仪结构两个反射膜的一致性。

2.峰值透过率差值(ΔT)随消光系数(κ)变化的标准曲线制作

利用商用的膜系设计与计算软件Filmstar，将F-P谐振腔结构的参数

(LH)₁₀(mC)(HL)₁₀

输入进去，式中L为低折射率二氧化硅膜层，H为高折射率五氧化二钽膜层，其光学厚度为λ/4，λ＝1.55μm；10为高低折射率膜层交替叠层的次数；mC为谐振腔的光学长度L_c，C为1.55/4μm，当谐振腔的光学长度L_c＝775μm时，m为2000干涉级次，当谐振腔的光学长度L_c＝1550μm时，m为4000干涉级次。设谐振腔层的消光系数κ为0，计算出该膜系的透射谱，然后只改变其中谐振腔的消光系数，计算出一系列不同消光系数时的透过率曲线，并由此作出其峰值透过率差值(ΔT)随消光系数(κ)变化的标准曲线。见图3，图中实线为谐振腔光学长度L_c＝775μm时的标准曲线，图中虚线为谐振腔光学长度L_c＝1550μm时的标准曲线。从图中可知，对不同干涉级次的谐振腔层而言，其吸收对透过率的影响不同，m越大，则吸收对透过率的影响越明显，也就是说，m越大灵敏度越高。

3.测量方法

A.调节参考谐振腔41的后腔镜402的位置，由于参考谐振腔41为真空，折射率n₀＝1，因此其物理长度等于光学长度L_c，根据本实例L_c选定为775μm，将参考谐振腔的腔长调节为775μm。

B.将两面抛光平行的样品7放在测量谐振腔42中，并使样品的一面紧贴谐振腔的前腔镜401。

C.调节测量谐振腔42的后腔镜403的位置，由于测量谐振腔42是由真空层与待测样品共同构成，为了保证其与参考谐振腔层光学长度相等，必需计算其物理长度，根据待测样品7的折射率n_s和厚度T，可得到测量谐振腔42的物理长度

d＝(L_c-n_sT+n₀T)/n₀＝[mλ/4-(n_s-n₀)T]/n₀

根据物理长度d调节反射膜片403的位置。

D.打开激光光源1，测量二束入射光c₁和c₂分别经过参考谐振腔41和测量谐振腔42由探测器5和6接受的透射信号，通过二者透过率的差别ΔT就可以对照标准曲线，得出待测样品的消光系数κ，经α＝4πκ/λ出其吸收系数α。

Claims (2)

1.一种用于光学材料微弱吸收测量的设备，包括：激光光源(1)、将光源分成两束相同强度入射光的分束片(2)、反射镜(3)和F-P谐振腔(4)，接收透射信号的探测器(5、6)，其特征在于；

所说的F-P谐振腔(4)的前腔镜(401)为窄带通反射膜片，并固定不可移动；后腔镜有二片(402、403)，并排放置，也为窄带通反射膜片，并可移动，可分别调节谐振腔的腔距；前腔镜(401)的一部分区域与后腔镜(402)构成F-P参考谐振腔(41)，中间为真空层。前腔镜(401)的另一部分区域与后腔镜(403)构成F-P测量谐振腔(42)，待测样品(7)放在前腔镜(401)和后腔镜(403)之间；

所述的窄带通反射膜片的膜系为(LH)_a，其中L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，其光学厚度为λ/4，λ为入射光波长；a为高低折射率膜层交替叠层的次数；

激光光源(1)经分束片(2)分成二束光，一束为参考光束(c₁)，另一束为测量光束(c₂)；参考光束(c₁)经反射镜(3)反射后90°转弯射入F-P参考谐振腔(41)，其透射信号由探测器(5)接受；测量光束(c₂)射入放有待测样品(7)的F-P测量谐振腔(42)，其透射信号由探测器(6)接受。

2.利用上述光学材料微弱吸收测量的设备测量光学材料微弱吸收系数方法的具体步骤如下：

A.峰值透过率差值ΔT随消光系数κ变化的标准曲线制作

利用商用的膜系设计与计算软件Filmstar，将F-P谐振腔结构的膜系参数

                      (LH)_a(mC)(HL)_a输入进去，mC为谐振腔的光学长度L_c，m为干涉级次，C为λ/4。设消光系数κ为0，计算出该膜系的透射谱，然后只改变其中谐振腔的消光系数κ，计算出一系列不同消光系数时的透过率曲线，并由此作出其峰值透过率与消光系数κ为0时峰值透过率之间的差值ΔT随消光系数κ变化的标准曲线；

B.将两面抛光平行的样品(7)放在测量谐振腔(42)中，并使样品的一面紧贴谐振腔的前腔镜；根据待测样品(7)的折射率n_s和厚度T调节后腔镜(402、403)的位置，使二谐振腔的光学长度L_c相同；

C.打开激光光源(1)，在真空中测量经分束片(2)分束的二束入射光(c₁)和(c₂)分别经过参考谐振腔(41)和测量谐振腔(42)由探测器(5)和(6)接受的透射信号，通过二者透过率的差别ΔT就可以对照标准曲线，得出待测样品的消光系数κ，经α＝4πκ/λ得出其吸收系数α。

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