CN101082537B - 一种测量光学薄膜吸收损耗的方法 - Google Patents

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一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：利用光学薄膜元件反射或透射光谱随温度变化而发生漂移的现象，选择合适的探测光波长，调整探测激光束(低功率)相对于样品表面的入射角度，使探测光波长处于反射或透射光谱带边缘斜率最大的位置。使用强度周期性调制的(高功率)连续或脉冲激光束作为加热光照射薄膜元件薄膜层和探测光束相同或相邻的位置，使探测光束从样品表面反射或透射光强度受到调制或发生瞬时变化。用光电探测器监测加热激光束照射过程中薄膜元件反射或透射的探测光强度的实时变化监视薄膜元件吸收损耗和光学性能的实时变化，并通过对信号振幅定标实现吸收损耗的绝对测量。另外，通过扫描薄膜元件的横向位置可实现吸收损耗的二维高分辨成像。本方法在一定条件下可以提高吸收损耗测量的灵敏度。

Description

一种测量光学薄膜吸收损耗的方法
技术领域
本发明涉及一种对光学薄膜元件参数的测量方法，特别是光学薄膜吸收损耗的测量方法。
背景技术
吸收损耗是衡量光学薄膜性能的重要指标之一，尤其是在高功率激光应用中，吸收损耗不仅引起光学薄膜元件的热畸变，使激光束的光束质量降低，还会降低薄膜抗激光损伤的能力，限制激光器和激光系统中所能输出和传输的最高功率。同时薄膜吸收损耗的准确测量对于优化膜层设计和镀膜工艺以提高薄膜元件的性能也十分重要。因此，必须发展能准确测量光学薄膜吸收损耗的高灵敏测试技术手段。
传统的分光光度法、消光系数法等测试方法无法满足测量低吸收损耗低于10-4)的要求。目前，激光量热法是测量光学元件吸收损耗的国际标准，其最大的优点是能直接测量吸收损耗的绝对值，不需要定标，测量灵敏度高(优于10-6-李斌成，熊胜明等；激光量热法测量光学薄膜微弱吸收，《中国激光》33：823(2006))，且装置简单，调节方便。缺点是响应时间较慢，光照射时间长，所测量的结果反映的是光照时间内的吸收损耗的平均值，时间分辨率低，测量灵敏度与装置设计和制备中的诸多因素密切相关，且空间分辨率低，不便于实现吸收分布的二维高分辨率成像，一般也不适合测量大尺寸薄膜元件。光热偏转技术和表面热透镜技术等基于光热技术的方法是测量薄膜元件吸收损耗的有效方法，与时域调制和锁相测量技术相结合具有极高的测量灵敏度(L.Gallais and M.Commandr é，Photothermaldeflection in multilayer coatings：modeling and experiment，AppliedOptics，44(25)，5230(2005)；B.Li，S.Martin，and E.Welsh，Pulsedtop-hat beam thermal lens measurement on ultraviolet dielectriccoating，Opt.Lett.24，1398(1999))。但在光热偏转技术中，因为探测光光束直径小，光路调节困难，而信号重复性对光路调节非常敏感，因此实际测量中易出现较大的偏差，导致测量重复性差、测量误差大。表面热透镜技术则在保持了光热偏转技术高灵敏度的同时，由于探测光束直径大于激励光束直径，重复性得到了提高，但该方法需要对实验构型进行详细优化，实际调试较为繁琐。另外，无论是在光热偏转技术还是在表面热透镜技术中，测量的信号都依赖于光学元件因热膨胀产生的表面热变形或光学元件内部的折射率温度梯度，这对于测量低热膨胀系数基板材料或低折射率温度系数基板材料的薄膜光学元件是一种限制，因此需要发展其他的方法来改善这一情况。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有薄膜光学元件吸收损耗测试技术的不足，提供一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，该方法和激光量热技术相比可以提高测量光学薄膜吸收损耗的时间和空间分辨率，和光热偏转或热透镜技术相比降低了实验光路调试的复杂度和难度，减小了测量误差，并可测量低热膨胀系数基板材料或低折射率温度系数基板材料的薄膜光学元件的吸收损耗，并可用于监测薄膜元件吸收损耗的实时变化和光学性能稳定性。
本发明的技术解决方案：其特点在于：一种测量光学薄膜吸收损耗的方法：
(1)采用一束强度周期性调制的功率瓦级或以上的高功率连续激光光束或脉冲激光光束，作为加热光照射到被测光学薄膜元件上，该光学薄膜元件因吸收激光束能量导致照射区域温度上升，引起该区域反射或透射光谱的漂移；
(2)选择一束波长靠近所述的光学薄膜元件反射或透射带边缘的功率毫瓦级或更低的低功率的连续激光作为探测光束，调整其入射角度使探测光波长处于待测光学薄膜元件被加热前反射或透射光谱带边缘的最大斜率处，同时与加热光束照到样品的相同或相邻位置；
(3)由光电探测器监测样品反射或透射的全部探测光强度的变化，得到输出电流或电压信号，通过测量其变化量及其实时变化得到光学薄膜元件的吸收损耗值和光学性能稳定性。
本发明的原理是：将一强度周期性调制的高功率激光束(连续激光或脉冲激光，功率瓦级及以上)作为加热激光束会聚后照射到光学薄膜元件的薄膜层，薄膜元件因吸收加热激光束能量导致照射区域温度周期性或瞬时变化，引起照射区域薄膜元件的反射或透射光谱带发生周期性或瞬时漂移。用一束波长靠近薄膜元件反射或透射带边缘的低功率连续激光束(功率毫瓦级或更低)作为探测光入射到薄膜元件被加热光照射区域，通过调整探测光的入射角度，使其波长处于薄膜元件反射或透射光谱带边缘斜率最大的波长位置，此波长的反射或透射率同时会由于温度的变化而发生周期性或瞬时变化，用一聚焦透镜将薄膜元件反射或透射的探测光会聚到光电探测器接收面上，得到薄膜元件反射或透射的探测光强度的实时变化。反射或透射光强度的变化与薄膜元件的吸收直接相关，因此该方法可用于薄膜元件吸收损耗的测量和光学性能的监测，此外，通过扫描薄膜元件的横向位置可实现吸收损耗的二维成像。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)和激光量热技术相比，该方法测量光学薄膜吸收损耗的时间和空间分辨率高，并可用于吸收损耗分布的高分辨率成像。
(2)和其它光热测量技术相比，该方法实验构型简单、光路调节方便，稳定性好，可提高测量重复性精度，减小测量误差。同时该方法可测量低热膨胀系数基板材料或低折射率温度系数基板材料的薄膜光学元件的吸收损耗。
(3)由于该方法利用薄膜元件中薄膜内部的温度变化引起的光学薄膜反射或透射谱漂移的物理效应来测量薄膜元件的吸收损耗，和光热测量技术相比，测量结果与基板材料的热物理性质的关系不大，因此可通过使用脉冲加热激光束或高调制频率的连续加热激光束等办法提高测量薄膜元件吸收损耗的灵敏度。
附图说明
图1为实现本发明方法的反射式测量装置结构示意图；
图2为实现本发明方法的透射式测量装置结构示意图；
图3为本发明方法在测量时探测光波长及加热光波长所处在光学薄膜元件的反射或透射谱中的位置示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，实现本发明方法的测量装置可以为反射式测量装置或透射式测量装置，由加热激光光源1、斩波器或声光调制器2、反射镜3、6和7、透镜4、8和10、探测激光光源5、待测光学薄膜样品9、探测器11、锁相放大器12、数字示波器13组成。
本发明方法的具体实施如下：加热激光光源1的输出光束经光学斩波器或声光调制器或电光调制器2强度调制后(调制频率范围1Hz  1MHz，脉冲激光不经过调制器)又经反射镜3反射改变方向由透镜4聚焦到被测光学薄膜元件9的表面，同时斩波器2的输出信号连接至锁相放大器12作为参考信号。薄膜元件因吸收波长在反射或透射谱中心(见图3)的加热激光束的能量使照射区域温度上升，引起该区域反射或透射谱的漂移。选择合适探测激光波长和入射角度(范围：0.1°-60°)，使探测激光束波长处于图3所示的探测光波长1或探测光波长2位置，即反射或透射谱边带的最大斜率对应的波长位置。从探测激光光源5输出的光束经反射镜6、7转向后由透镜8聚焦入射到被测薄膜元件9的表面被加热激光束照射的相同区域，从样品表面反射或透射的探测激光束由透镜10会聚到光电探测器11的接收面上，得到光电探测信号。被测薄膜元件因吸收加热激光束能量导致温度变化而产生的反射或透射光谱的漂移改变了光学薄膜元件在探测激光波长的反射率或透射率变化，从而使反射或透射探测激光束的光强发生变化，通过光电探测器探测反射或透射探测光的直流量SDC(由示波器13读出)及其交流变化量SAC(加热光源为连续调制激光束时由锁相放大器12读出，加热光源为脉冲激光束时由数字存储示波器13记录，SAC表示信号变化量的最大值)并将交流信号和直流量相除S＝SAC/SDC，得到信号的振幅和/或相位(脉冲激光束加热时没有相位值)。信号振幅及其振幅和/或相位的实时变化反映被测薄膜元件吸收损耗和光学性能的实时变化，通过使用已知吸收值的薄膜元件对测量信号进行定标，可以测量薄膜元件吸收损耗的绝对值，即：
Figure G2007101186949D00051
而通过沿元件表面方向横向二维移动样品9，可实现对样品吸收损耗的二维成像。

Claims (8)

1.一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：
(1)采用一束强度周期性调制的功率瓦级或以上的高功率连续激光光束或脉冲激光光束，作为加热光照射到被测光学薄膜元件上，该光学薄膜元件因吸收激光束能量导致照射区域温度上升，引起该区域反射或透射光谱的漂移；
(2)选择一束波长靠近所述的光学薄膜元件反射或透射带边缘的功率毫瓦级或更低的低功率连续激光作为探测光束，调整其入射角度使探测光波长处于待测光学薄膜元件被加热前反射或透射光谱带边缘的最大斜率处，同时与加热光束照到样品的相同或相邻位置；所述的入射角根据被测光学薄膜元件实际测量的反射或透射光谱决定，在0.1°～60°之间变化，使探测光波长处于反射或透射光谱带边缘斜率最大的位置；
(3)由光电探测器监测样品反射或透射的全部探测光强度的变化，得到输出电流或电压信号，通过测量其变化量及其实时变化得到光学薄膜元件的吸收损耗值和光学性能稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：当所述步骤(1)中加热光束为连续激光时，采用锁相放大器记录光电探测器输出电流或电压信号的一次谐波振幅和相位，通过定标得到被测光学薄膜元件吸收损耗及其实时变化情况。
3.根据权利要求1所述的一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：当所述步骤(1)中加热光束为脉冲激光时，采用数字存储示波器或数据采集卡记录光电探测器输出电流或电压信号随时间的变化过程，通过定标得到待测光学薄膜元件吸收损耗及其实时变化情况。
4.根据权利要求1所述的一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：所述的加热激光束照射光学薄膜元件薄膜层和探测激光束的中心位置重合或紧邻。
5.根据权利要求1所述的一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：在所述的光电探测器前加一聚焦透镜，将薄膜元件反射或透射的探测光全部会聚到探测器的接收面上，得到反射或透射光强度的实时变化。
6.根据权利要求1所述的一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：当加热光为连续激光时，加热激光束强度的调制采用机械斩波器调制，或者采用声光调制器或电光调制器调制，调制频率范围1Hz～1MHz。
7.根据权利要求1所述的一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：当探测激光束相对于被测光学薄膜元件表面的入射角使反射或透射光偏振分离显著时，要在探测器前面加偏振片，实时探测反射或透射偏振光强度的变化。
8.根据权利要求1所述的一种测量光学薄膜吸收损耗的方法，其特征在于：使所述的光学薄膜元件沿表面方向横向二维移动，实现对所测薄膜元件吸收损耗的二维分布成像。
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