CN103278455B - 一种介质薄膜光学参数的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质薄膜光学参数的测量装置及测量方法，该测量装置包括用于置放样品的样品台组件、折射率和厚度测量组件、透射率和反射率测量组件、控制器；折射率和厚度测量组件由激光光源组件、偏振器、半透半反镜、圆孔光阑、自准探测器和测量探测器组成，透射率和反射率测量组件由白光光源、与白光光源连接的用于准直光路的准直透镜组、用于收集经置放于样品台组件上的样品透射的光或反射的光的积分球、与积分球连接的光谱仪组成，优点是该测量装置利用折射率和厚度测量组件可测得样品的折射率和厚度，利用透射率和反射率测量组件可测得样品的透射率和反射率，实现了多种光学参数的测量，并且测量精度高。

Description

一种介质薄膜光学参数的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学测量技术，尤其是涉及一种介质薄膜光学参数的测量装置及测量方法。

背景技术

早在1817年，弗琅和费（Fraunhofer）就用酸蚀的方法在光学透镜上制成了减反射膜。经过一个多世纪的发展，到1930年，因真空蒸镀设备的出现，各种介质薄膜在光学领域开始获得大量应用。特别是近几十年来，随着微电子器件、光电器件、生物传感器件等新技术的不断涌现和蓬勃发展，介质薄膜技术不仅广泛地应用于传统的光学工程领域，而且也越来越广泛地应用于微电子技术、通讯工程、生物工程、宇航工程、医学工程等不同领域。

目前，介质薄膜理论和薄膜制备技术比较成熟，并在介质薄膜的实际应用中，提出了一些测量介质薄膜光学参数的方法，如椭圆偏振测量法、干涉测量法、阿贝勒方法、棱镜耦合法、反射率法等。同时，人们也设计了相应的介质薄膜光学参数的测量仪器，如分光光度计、椭偏仪、阿贝折射仪等，然而这些测量仪器功能大都较为单一。其中，分光光度计能够精确测量介质薄膜的透射率和反射率，但是不能测量介质薄膜的折射率和厚度；椭偏仪可以精确测量介质薄膜的厚度、折射率和吸收系数，其测量精度较高，但是测量过程复杂且价格昂贵；阿贝折射仪虽然具有结构简单、操作方便的优点，但是只能用于测量折射率范围在1.3000～1.7000之间的液体。因此，需要研究一种性能比较完善、可以快速和精确地测定介质薄膜多种光学参数的装置和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作简便，且能够准确地测量介质薄膜的多个光学参数的测量装置及测量方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种介质薄膜光学参数的测量装置，其特征在于包括折射率和厚度测量组件、透射率和反射率测量组件、用于置放样品的样品台组件、控制器；

所述的折射率和厚度测量组件由激光光源组件、偏振器、半透半反镜、圆孔光阑、自准探测器和测量探测器组成，所述的偏振器、所述的半透半反镜和所述的圆孔光阑依次设置于所述的激光光源组件发出的激光的光传播路径上，所述的激光光源组件发出的激光经过所述的偏振器后形成偏振光，所述的偏振器输出的偏振光经所述的半透半反镜再通过所述的圆孔光阑后形成细小光束，所述的圆孔光阑输出的细小光束入射到所述的样品上，所述的测量探测器位于经所述的样品反射的光的光传播路径上，以接受经所述的样品反射的光，所述的自准探测器位于经所述的半透半反镜反射的光的光传播路径上，以接收经所述的半透半反镜反射的光，所述的测量探测器和所述的自准探测器分别与所述的控制器连接；

所述的透射率和反射率测量组件由白光光源、光纤、准直透镜组、积分球和光谱仪组成，所述的白光光源通过所述的光纤与所述的准直透镜组连接，所述的白光光源发出的光通过所述的准直透镜组后形成平行光入射至所述的样品上，所述的积分球位于经所述的样品透射的光或经所述的样品反射的光的光传播路径上，以接受经所述的样品透射的光或反射的光，所述的积分球与所述的光谱仪连接，所述的积分球传输其收集的经所述的样品透射的光或经所述的样品反射的光给所述的光谱仪，所述的光谱仪与所述的控制器连接。

该测量装置还包括固定座，所述的固定座上连接有用于支撑所述的测量探测器和所述的积分球的支撑组件，所述的激光光源组件、所述的偏振器、所述的半透半反镜、所述的圆孔光阑、所述的自准探测器、所述的白光光源、所述的准直透镜组、所述的光谱仪及所述的样品台组件连接于所述的固定座上。

所述的样品台组件由立柱、第一电控旋转台、第一步进电机、搁置板、三维位移平台及第一样品夹具和第二样品夹具组成，所述的立柱的底部与所述的固定座连接，所述的立柱的顶部与所述的第一电控旋转台的底部连接，所述的三维位移平台通过所述的搁置板固定于所述的第一电控旋转台的顶部上，测量折射率和厚度时所述的第一样品夹具固定于所述的三维位移平台上，测量透射率和反射率时所述的第二样品夹具固定于所述的三维位移平台上，所述的第一步进电机与所述的第一电控旋转台连接，所述的第一步进电机由所述的控制器控制，所述的第一步进电机驱动所述的第一电控旋转台带动所述的第一样品夹具或所述的第二样品夹具转动。

所述的第一样品夹具由用于放置所述的样品的第一底座、用于调节对所述的样品的挤压力度的测微螺杆和由高折射率材料制成的三棱镜组成，所述的第一底座固定于所述的三维位移平台上，所述的三棱镜与所述的第一底座的一端顶接，所述的测微螺杆与所述的第一底座的另一端连接。

所述的第二样品夹具由用于放置所述的样品的第二底座、定位板、滑动片和螺杆组成，所述的第二底座固定于所述的三维位移平台上，所述的第二底座上设置有燕尾型滑道，所述的定位板固定于所述的第二底座上，所述的滑动片位于所述的第二底座的上表面上，所述的滑动片与所述的定位板平行且相对，所述的滑动片的底部设置有与所述的燕尾型滑道相配合的燕尾型滑块，所述的螺杆设置于所述的第二底座内，所述的螺杆与所述的燕尾型滑块连接，所述的螺杆旋转时带动所述的滑动片在所述的第二底座的上表面上滑动靠近所述的定位板或远离所述的定位板。

所述的支撑组件由第二电控旋转台、第二步进电机、圆盘、支杆及用于放置所述的测量探测器和所述的积分球的载物台组成，所述的第二电控旋转台具有一个供所述的立柱穿过的中心圆孔，所述的第二电控旋转台位于所述的固定座上，所述的圆盘固定于所述的第二电控旋转台上，所述的支杆的底端与所述的圆盘连接，所述的载物台与所述的支杆的顶端连接，所述的第二步进电机与所述的第二电控旋转台连接，所述的第二步进电机由所述的控制器控制，所述的第二步进电机驱动所述的第二电控旋转台带动所述的载物台转动。

所述的控制器由电机驱动电路、电机控制电路、光电信号采集与转换电路组成；所述的控制器连接有计算机终端，所述的计算机终端中安装有介质薄膜光学参数的计算软件，所述的计算机终端通过所述的控制器对所述的样品台组件和所述的支撑组件实施操作，且所述的计算机终端对所述的测量探测器和所述的光谱仪采集的测量数据进行处理，计算出介质薄膜的折射率、厚度、透射率和反射率、色散和吸收系数等光学参数。

所述的样品包括衬底基片和沉积在所述的衬底基片上的介质薄膜。

所述的激光光源组件由圆台及均匀分布于所述的圆台上的三个激光器组成，三个所述的激光器均采用半导体激光器且波长各不相同，三个所述的激光器的波长分别为476nm、532nm、650nm。

一种与上述的测量装置对应的介质薄膜光学参数的测量方法，其特征在于包括样品的介质薄膜的折射率和厚度测量、样品的介质薄膜的透射率和反射率的测量两部分，所述的样品的介质薄膜的折射率和厚度的测量的具体过程为：

①-1、将样品置放于第一样品夹具上，并使样品的介质薄膜与第一样品夹具中的三棱镜的底面紧贴，然后调节第一样品夹具中的测微螺杆，使测微螺杆的顶部顶住样品的衬底基片，再调节测微螺杆对样品的衬底基片的挤压力度；接着旋转激光光源组件中的圆台选择一个激光器；

①-2、开启当前选择的激光器，然后调节当前选择的激光器、偏振器、半透半反镜、圆孔光阑、测量探测器、自准探测器的高度和水平位置，使各部件光路共轴，再调节样品台组件中的三维位移平台，使激光器发出的激光始终入射到由测微螺杆对样品的衬底基片挤压产生的样品形变点上，之后调节偏振器以获得TM模式的激光，最后由控制器控制支撑组件中的第二步进电机驱动支撑组件中的第二电控旋转台带动测量探测器旋转，当经过第一样品夹具中的三棱镜的底面反射的光照射到测量探测器的中心位置时由控制器控制第二步进电机停止工作；

①-3、设置样品台组件中的第一电控旋转台的旋转速度为ω，设置支撑组件中的第二电控旋转台的旋转速度为2ω，并使第一电控旋转台的旋转方向与第二电控旋转台的旋转方向相同，进行角度扫描，此时测量探测器检测到的光强-角度曲线为样品的介质薄膜的衰减全反射谱线，自准探测器测量到的光强-角度曲线的峰值位置对应的角度作为基准角度为60°，在基准角度60°下激光光束恰好与第一样品夹具中的三棱镜的一个侧面垂直；其中，ω的取值范围为0.001-0.05rad/s；

①-4、根据导波光学理论，在样品的介质薄膜的衰减全反射谱线上读取三个相邻衰减峰对应的角度，然后根据β_i=k₀×n_p×sinθ_p计算出与这三个角度所对应的三个导模的传播常数，其中，i=1,2,3，β_i表示三个相邻衰减峰中的第i个衰减峰对应的角度所对应的导模的传播常数，k₀表示真空中的波矢，k₀=2π/λ，λ为当前选择的激光器的波长，n_p表示第一样品夹具中的三棱镜的折射率，θ_p表示进入三棱镜的入射光线与三棱镜的底面法线的夹角，θ_α为三棱镜的底角，表示进入三棱镜的入射光线与三棱镜的侧面法线的夹角，θ_i表示三个相邻衰减峰中的第i个衰减峰对应的角度，sin()表示正弦函数，arcsin()表示反正弦函数；

①-5、根据步骤①-4计算得到的三个相邻衰减峰中的每个衰减峰对应的角度所对应的导模的传播常数和介质平板波导的TM导模色散方程 $k_{i}h=(i-1)\mathrm{\π}+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2{p}_i}{n_2^2{k}_i}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2{q}_i}{n_0^2{k}_i}\right),$ 计算得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁与厚度h，其中， $k_i={(k_0^2{n}_1^2-{\mathrm{\β}}_i^2)}^{1/2},$ $p_i={({\mathrm{\β}}_i^2-k_0^2{n}_2^2)}^{1/2},$ k₀表示真空中的波矢，k₀=2π/λ，λ为当前选择的激光器的波长，n₁表示样品的介质薄膜的折射率，n₂表示样品的衬底基片的折射率，n₀表示空气的折射率；

①-6、旋转激光光源组件中的圆台选择另一个波长的激光器，重复上述步骤①-2至步骤①-5，得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁与厚度h；

①-7、旋转激光光源组件中的圆台选择不同波长的第三个激光器，重复上述步骤①-2至步骤①-5，得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁与厚度h；

①-8、将上述获得的在三个不同激光波长下的样品的介质薄膜的折射率分别代入柯西色散公式n(λ)=A+(B/λ²)+(C/λ⁴)+...中，并忽略高阶项，联立求解对应三个不同激光波长的介质薄膜的折射率的方程组得到柯西色散系数A、B、C，并描绘出样品的介质薄膜的色散曲线，即获得任意波长下的样品的介质薄膜的折射率n(λ)；

所述的样品的介质薄膜的透射率和反射率的测量的具体过程为：

②-1、将样品置放于第二样品夹具上，旋转第二样品夹具中的螺杆，使样品固定于第二样品夹具中的滑动片与定位板之间；

②-2、开启白光光源，然后调节白光光源、准直透镜组、积分球和置放于第二样品夹具上的样品的高度和水平位置，使其光路共轴，再由光谱仪测量准直透镜组出射的平行光束的光强作为标定光强，记为I₀(λ')，其中，λ'为白光光源的波长；

②-3、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动，使准直透镜组出射的平行光束垂直入射至样品，经样品透射的光被与积分球连接的光谱仪接收，此时光谱仪测量得到入射角为零度时样品的透射光强，记为I_t(λ')；然后根据T₀(λ')=I_t(λ')/I₀(λ')计算得到入射角为零度时样品的介质薄膜的透射谱T₀(λ')；再根据样品的介质薄膜的透射谱T₀(λ')，获取任一波长下入射角为零度时样品的介质薄膜的透射率；

②-4、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动θ度，此时光谱仪测量得到入射角θ下样品的介质薄膜的透射光强I_t(λ',θ)，然后根据T(λ',θ)=I_t(λ',θ)/I₀(λ')计算得到样品的介质薄膜在不同入射角下的透射谱T(λ',θ)，再根据样品的介质薄膜在不同入射角下的透射谱T(λ',θ)，获取任一波长下在不同入射角时样品的介质薄膜的透射率；其中，θ的取值范围为0-80°；

②-5、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动，使准直透镜组出射的平行光束垂直入射至样品；然后由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动θ'度，并由控制器控制第二步进电机驱动第二电控旋转台带动载物台转动到积分球能够接收到样品反射的光的位置，此时光谱仪测量得到入射角为θ'时样品的介质薄膜反射的光的光强，记为I_r(λ',θ')；再根据R(λ',θ')=I_r(λ',θ')/I₀(λ')计算得到样品的介质薄膜波长范围在可见-近红外下的反射谱R(λ',θ')；最后根据样品的介质薄膜波长范围在可见-近红外下的反射谱R(λ',θ')，获取任一波长下在不同入射角时样品的介质薄膜的反射率；其中，θ'的取值范围为8°-80°；

②-6、根据朗伯-比尔定律，将步骤②-3中得到的T₀(λ')代入α(λ')=ln(1/T₀(λ'))/h中，计算得到入射角为零度时厚度为h的介质薄膜在任意波长下的吸收系数α(λ')，其中，ln()为以e为底的自然对数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明的测量装置利用折射率和厚度测量组件可测得样品的折射率和厚度，利用透射率和反射率测量组件可测得样品的透射率和反射率，实现了多种光学参数的测量，并且测量精度高。

2）本发明的测量装置由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品夹具转动，由控制器控制第二步进电机驱动第二电控旋转台带动载物台转动，能够实现精确的角度扫描和测量。

3）本发明的测量装置采用的激光光源组件包括三个不同波长的半导体激光器，利用这三个不同波长的半导体激光器可以测量同一个样品在不同波长下的折射率，这样就可以通过现有的柯西公式获得介质薄膜的色散特性。

4）本发明的测量装置采用积分球与光谱仪连接，可以保证样品的透射光与反射光被光谱仪接受，直接描绘出薄膜样品的透射谱和反射谱，进而可以分析薄膜样品对应可见-近红外各个波长下的透射率和反射率；并在已知薄膜厚度情况下，可以根据现有的郎伯定律获得介质薄膜的吸收特性。

5）本发明的测量装置结构简单，且操作简便。

6）本发明的测量方法的具体实施过程简单，且能够精确测量得到介质薄膜的多种光学参数。

附图说明

图1为本发明的测量装置的结构示意图；

图2为样品台组件和支撑组件的结构示意图；

图3为第一样品夹具的结构侧视图；

图4为第二样品夹具的结构俯视图；

图5为激光光源组件的结构侧视图；

图6为衰减全反射（ATR）谱和基准线的示意图；

图7为介质薄膜的色散曲线图；

图8为入射角为30°下的透射谱；

图9为入射角为30°下的反射谱。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种介质薄膜光学参数的测量装置，如图1、图2、图3、图4和图5所示，其包括折射率和厚度测量组件、透射率和反射率测量组件、用于置放样品的样品台组件5、支撑组件7、控制器22、固定座21及计算机终端23。折射率和厚度测量组件由激光光源组件1、偏振器2、半透半反镜3、圆孔光阑4、自准探测器6和测量探测器10组成，偏振器2、半透半反镜3和圆孔光阑4依次设置于激光光源组件1发出的激光的光传播路径上，激光光源组件1发出的激光经过偏振器2后形成偏振光，偏振器2输出的偏振光经半透半反镜3再通过圆孔光阑4后形成细小光束，圆孔光阑4输出的细小光束入射到样品上，测量探测器10位于经置放在样品台组件5上的样品反射的光的光传播路径上，以接受经样品反射的光，自准探测器6位于半透半反镜3一侧即位于经半透半反镜3反射的光的光传播路径上，以接收经半透半反镜3反射的光，测量探测器10和自准探测器6分别与控制器22连接。透射率和反射率测量组件由白光光源15、光纤16、准直透镜组14、积分球11、光谱仪12组成，白光光源15通过光纤16与准直透镜组14连接，白光光源15发出的光通过准直透镜组14后形成平行光入射至样品上，积分球11位于经样品透射的光或反射的光的光传播路径上，以接受经样品透射的光或反射的光，积分球11通过光纤13与光谱仪12连接，积分球11传输其收集的通过样品透射的光或经样品反射的光给光谱仪12，光谱仪12与控制器22连接。

上述的激光光源组件1、偏振器2、半透半反镜3、圆孔光阑4、自准探测器6、白光光源15、准直透镜组14、光谱仪12及样品台组件5、支撑组件7均连接于固定座21上，固定座21可以采用带有螺纹孔阵列的金属板，测量探测器10和积分球11固定于支撑组件7上。

上述的控制器22采用现有技术，其主要由电机驱动电路、电机控制电路、光电信号采集与转换电路等组成，电机驱动电路、电机控制电路、光电信号采集与转换电路均采用现有技术；控制器22与计算机终端23连接，该计算机终端23中安装有介质薄膜光学参数的计算软件，该计算机终端23可以通过控制器22对样品台组件5和支撑组件7实施操作，并能够对测量探测器10和光谱仪12采集的测量数据进行处理，计算出介质薄膜的折射率、厚度、透射率、反射率、色散和吸收系数等光学参数。

在此具体实施例中，如图2所示，样品台组件5由立柱57、第一电控旋转台51、搁置板52、第一步进电机56、三维位移平台53及第一样品夹具54和第二样品夹具组成，立柱57的底部与固定座21连接，立柱57的顶部与第一电控旋转台51的底部连接，三维位移平台53通过搁置板52固定于第一电控旋转台51的顶部，测量折射率和厚度时第一样品夹具54固定于三维位移平台53上，测量透射率和反射率时第二样品夹具固定于三维位移平台53上，第一步进电机56与第一电控旋转台51连接，第一步进电机56由控制器22控制，第一步进电机56驱动第一电控旋转台51带动第一样品夹具54或第二样品夹具转动。在此，第一步进电机56采用现有的步进电机，三维位移平台53采用现有的能够调节三维位置的位移平台。

在此具体实施例中，如图3所示，第一样品夹具54由用于放置样品的第一底座81、用于调节对样品的挤压力度的测微螺杆82和由高折射率材料制成的三棱镜83组成，第一底座81固定于三维位移平台53上，三棱镜83与第一底座81的一端顶接，测微螺杆82连接于第一底座81的另一端。在此，测微螺杆82采用现有技术；三棱镜可采用由ZF7玻璃材料制成的等边三棱镜。

在此具体实施例中，如图4所示，第二样品夹具由用于放置样品的第二底座91、定位板94、滑动片93和螺杆92组成，第二底座91固定于三维位移平台53上，第二底座91上设置有燕尾型滑道95，定位板94固定于第二底座91上，滑动片93的底部设置有与燕尾型滑道95相配合的燕尾型滑块96，滑动片93的燕尾型滑块96镶嵌在第二底座91的燕尾型滑道95里，滑动片93与定位板94平行设置，且滑动片93的位置与定位板94的位置相对，螺杆92设置于第二底座91内，螺杆92与燕尾型滑块96连接，螺杆92旋转时带动滑动片93在燕尾型滑道95内滑动靠近定位板94或远离定位板94。

在此具体实施例中，如图2所示，支撑组件7由第二电控旋转台71、第二步进电机72、圆盘73、支杆74和用于放置测量探测器10和积分球11的载物台75组成，第二电控旋转台71具有一个供立柱57穿过的中心圆孔，即立柱57的底部穿过第二电控旋转台71的中心圆孔与固定座21固定连接，第二电控旋转台71位于固定座21上，圆盘73固定于第二电控旋转台71上，支杆74的底端与圆盘73连接，载物台75与支杆74的顶端连接，第二步进电机72与第二电控旋转台71连接，第二步进电机72由控制器22控制，第二步进电机72驱动第二电控旋转台71带动载物台75转动。在此，第二步进电机72采用现有的步进电机。

在此具体实施例中，样品包括衬底基片和沉积在衬底基片上的介质薄膜，衬底基片可以采用双面抛光的石英玻璃，将介质薄膜直接沉积在双面抛光的石英玻璃即形成样品；在具体实施过程中介质薄膜的制备可采用提拉法成膜或匀胶法成膜等常规制膜工艺，在制膜过程中，要求介质溶液浓度适当。

在本实施例中，激光光源组件1如图5所示，其由圆台104及均匀分布于圆台104上的激光器101、激光器102、激光器103组成。在此，三个激光器均可以采用半导体激光器且波长各不相同，波长可以分别为476nm、532nm、650nm。在此，通过转动圆台104可以选择不同波长的半导体激光器，在具体设计过程中圆台104的底部与调节支架20连接，通过调节支架20调节激光光源组件1的高度，调节支架20固定于固定座21上。

在本实施例中，偏振器2、半透半反镜3和圆孔光阑4均采用现有技术；自准探测器6和测量探测器10均可以采用硅光电池或光电二极管等光电探测器；白光光源15可以采用溴钨灯或者其他卤钨灯光源；准直透镜组14采用现有技术，准直透镜组14用于准直光路，使入射到样品的光是平行光，在此要求准直透镜组14的最小发散角为2度或者更小；光谱仪12和积分球11均采用现有技术。

实施例二：

本实施例提出了一种与实施例一所述的测量装置对应的介质薄膜光学参数的测量方法，其包括介质薄膜的折射率和厚度测量、介质薄膜的透射率和反射率的测量两部分。

其中，介质薄膜的折射率和厚度的测量步骤为：

①-1、选用一块双面抛光的石英玻璃作为衬底基片并清洗干净，制备聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶液，采用旋涂法在石英玻璃的表面上涂覆一层PMMA薄膜，在80℃温度下烘烤5小时后形成样品；将样品置放于第一样品夹具上，并使样品的介质薄膜与第一样品夹具中的三棱镜的底面紧贴，然后调节第一样品夹具中的测微螺杆，使测微螺杆的顶部顶住样品的衬底基片，再调节测微螺杆对样品的衬底基片的挤压力度；接着旋转激光光源组件中的圆台选择波长为650nm的半导体激光器。在此，第一样品夹具中的三棱镜选用由ZF7玻璃材料制成的等边三棱镜。

①-2、开启激光光源组件中的波长为650nm的半导体激光器；然后调节当前选择的激光器、偏振器、半透半反镜、圆孔光阑、测量探测器、自准探测器的高度和水平位置，使各部件光路共轴，再调节样品台组件中的三维位移平台，使激光器发出的激光始终入射到由测微螺杆对样品的衬底基片挤压产生的样品形变点上，之后调节偏振器以获得TM模式的激光，最后由控制器控制支撑组件中的第二步进电机驱动支撑组件中的第二电控旋转台带动测量探测器旋转，当经过第一样品夹具中的三棱镜的底面反射的光照射到测量探测器的中心位置时由控制器控制第二步进电机停止工作。

①-3、设置样品台组件中的第一电控旋转台的旋转速度为ω（ω=0.01rad/s），设置支撑组件中的第二电控旋转台的旋转速度为2ω（2ω=0.02rad/s），并使第一电控旋转台的旋转方向与第二电控旋转台的旋转方向相同，进行角度扫描，此时测量探测器检测到的光强-角度曲线为样品的介质薄膜的衰减全反射（ATR）谱线，自准探测器测量到的光强-角度曲线的峰值位置对应的角度作为基准角度为60°（见图6中的基准线），在基准角度60°下激光光束恰好与第一样品夹具中的三棱镜的一个侧面垂直。在此，ω的取值范围为0.001-0.05rad/s。

①-4、根据导波光学理论，在样品的介质薄膜的衰减全反射谱线上读取三个相邻衰减峰对应的角度，然后根据β_i=k₀×n_p×sinθ_p计算出与这三个角度所对应的三个导模的传播常数，其中，i=1,2,3，β_i表示三个相邻衰减峰中的第i个衰减峰对应的角度所对应的导模的传播常数，k₀表示真空中的波矢，k₀=2π/λ，λ为当前选择的激光器的波长，n_p表示第一样品夹具中的三棱镜的折射率，在此n_p=1.798，θ_p表示进入三棱镜的入射光线与三棱镜的底面法线的夹角，θ_α为三棱镜的底角，在此θ_α=60°，表示进入三棱镜的入射光线与三棱镜的侧面法线的夹角，θ_i表示三个相邻衰减峰中的第i个衰减峰对应的角度，sin()表示正弦函数，arcsin()表示反正弦函数。

图6给出了样品的介质薄膜的衰减全反射谱线，从该衰减全反射谱线上读取三个相邻衰减峰对应的角度，分别是θ₁=52.3750°、θ₂=51.3825°和θ₃=49.8750°，代入上述公式可分别计算得到对应导模的传播常数β_i，i=1,2,3。

①-5、根据步骤①-4计算得到的三个相邻衰减峰中的每个衰减峰对应的角度所对应的导模的传播常数和介质平板波导的TM导模色散方程 $k_{i}h=(i-1)\mathrm{\π}+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2{p}_i}{n_2^2{k}_i}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2{q}_i}{n_0^2{k}_i}\right),$ 计算得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁与厚度h，其中， $k_i={(k_0^2{n}_1^2-{\mathrm{\β}}_i^2)}^{1/2},$ $p_i={({\mathrm{\β}}_i^2-k_0^2{n}_2^2)}^{1/2},$ k₀表示真空中的波矢，k₀=2π/λ，λ为当前选择的激光器的波长，n₁表示样品的介质薄膜的折射率，n₂表示样品的衬底基片即石英玻璃的折射率n₂=1.44，n₀表示空气的折射率，n₀=1。

即该步骤是将步骤①-4计算得到的三个相邻导模的传播常数分别带入TM导模色散方程，联立求解方程组： $\left\{\begin{array}{c}{k}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2}{n_2^2}\frac{p_1}{k_1}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2}{n_0^2}\frac{q_1}{k_1}\right)\\ k_2=\mathrm{\π}+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2}{n_2^2}\frac{p_2}{k_2}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2}{n_0^2}\frac{q_2}{k_2}\right)\\ k_3=2\mathrm{\π}+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2}{n_2^2}\frac{p_3}{k_3}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2}{n_0^2}\frac{q_3}{k_3}\right)\end{array}\right.,$ 求得在波长为λ时样品的介质薄膜的厚度h与折射率n₁，即求得在波长为650nm时样品的介质薄膜的厚度h为3μm与折射率n₁为1.489。

①-6、旋转激光光源组件中的圆台选择另一个激光器（波长为532nm），重复上述步骤①-2至步骤①-5，得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁（n₁=1.494）与厚度h。

①-7、旋转激光光源组件中的圆台选择第三个激光器（波长为473nm），重复上述步骤①-2至步骤①-5，得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁（n₁=1.498）与厚度h。

①-8、将上述获得的在三个不同激光波长下的样品的介质薄膜的折射率分别代入柯西色散公式n(λ)=A+(B/λ²)+(C/λ⁴)+...中，并忽略高阶项，联立求解对应三个不同激光波长的介质薄膜的折射率的方程组得到柯西色散系数A、B、C，即将上述三个不同的激光波长650nm、532nm、473nm和这三个不同的激光波长对应的样品的介质薄膜的折射率分别代入n(λ)=A+(B/λ²)+(C/λ⁴)+...中得到方程组： $\left\{\begin{array}{c}1.489=A+(B/{650}^2)+(C/{650}^4)+...\\ 1.494=A+(B/{532}^2)+(C/{532}^4)+...\\ 1.498=A+(B/{473}^2)+(C/{473}^4)+...\end{array}\right.,$ 联立求得柯西色散系数A、B、C，并描绘出样品的介质薄膜的色散曲线，如图7所示，即获得任意波长下的样品的介质薄膜的折射率n(λ)；

介质薄膜的透射率和反射率测量的具体步骤为：

②-1、选用一块双面抛光的石英玻璃作为衬底基片并清洗干净，制备聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶液，在石英玻璃的一面沉积一层厚度为h的PMMA薄膜，在80℃温度下烘烤5小时后形成样品；将样品置放于第二样品夹具上，旋转第二样品夹具中的螺杆，使样品固定于第二样品夹具中的滑动片与定位板之间。

②-2、开启白光光源，然后调节白光光源、准直透镜组、积分球和置放于第二样品夹具上的样品的高度和水平位置，使其光路共轴，再由光谱仪测量准直透镜组出射的平行光束的光强作为标定光强，记为I₀(λ')，其中，λ'为白光光源的波长。

②-3、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动，使准直透镜组出射的平行光束垂直入射至样品，经样品透射的光被与积分球连接的光谱仪接收，此时光谱仪测量得到入射角为零度时样品在波长范围380nm到1050nm下的透射光强，记为I_t(λ')；然后由公式T₀(λ')=I_t(λ')/I₀(λ')即可计算得到入射角为零度时样品的介质薄膜的透射谱T₀(λ')，并根据样品的介质薄膜的透射谱T₀(λ')，可以获得任一波长下入射角为零度时介质薄膜的透射率。

②-4、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动30°（θ=30°）；此时，光谱仪测量得到入射角θ=30°下样品的介质薄膜的透射光强I_t(λ',θ=30°)，然后根据公式T(λ',θ=30°)=I_t(λ',θ=30°)/I₀(λ')计算得到样品的介质薄膜在不同入射角下的透射谱T(λ',θ)，如图8；从图8所示的透射谱中即根据样品的介质薄膜在不同入射角下的透射谱T(λ',θ)，可获得任一波长下入射角θ=30°时介质薄膜的透射率。在此，θ的取值范围为0-80°。

通过改变入射角，重复该步骤，同理可得样品的介质薄膜在任意入射角下的透射谱以及透射率。

②-5、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动，使准直透镜组出射的平行光束垂直入射至样品；然后由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动30°（θ'=30°），并由控制器控制第二步进电机驱动第二电控旋转台带动载物台转动到积分球能够接收到样品反射的光的位置，此时光谱仪测量得到入射角为30°时样品的介质薄膜反射的光的光强，记为I_r(λ',θ'=30°)；然后根据公式R(λ',θ'=30°)=I_r(λ',θ'=30°)/I₀(λ')计算得到样品的介质薄膜在波长范围380nm到1050nm下的反射谱，如图9；从图9所示的反射谱中即根据样品的介质薄膜在波长380nm到1050nm范围下的反射谱R(λ',θ')，可获得任一波长下入射角θ'=30°时介质薄膜的反射率。在此，θ'的取值范围为8°-80°。

通过改变入射角，重复该步骤，同理可得样品的介质薄膜在任意入射角下的反射谱以及反射率。

②-6、根据朗伯-比尔定律，将步骤②-3中得到的T₀(λ')代入α(λ')=ln(1/T₀(λ'))/h中，计算得到入射角为零度时厚度为h的介质薄膜在任意波长下的吸收系数α(λ')，其中，ln()为以e为底的自然对数。

Claims (8)

1.一种介质薄膜光学参数的测量装置，其特征在于包括折射率和厚度测量组件、透射率和反射率测量组件、用于置放样品的样品台组件、控制器；

所述的折射率和厚度测量组件由激光光源组件、偏振器、半透半反镜、圆孔光阑、自准探测器和测量探测器组成，所述的偏振器、所述的半透半反镜和所述的圆孔光阑依次设置于所述的激光光源组件发出的激光的光传播路径上，所述的激光光源组件发出的激光经过所述的偏振器后形成偏振光，所述的偏振器输出的偏振光经所述的半透半反镜再通过所述的圆孔光阑后形成细小光束，所述的圆孔光阑输出的细小光束入射到所述的样品上，所述的测量探测器位于经所述的样品反射的光的光传播路径上，以接受经所述的样品反射的光，所述的自准探测器位于经所述的半透半反镜反射的光的光传播路径上，以接收经所述的半透半反镜反射的光，所述的测量探测器和所述的自准探测器分别与所述的控制器连接；

所述的激光光源组件由圆台及均匀分布于所述的圆台上的三个激光器组成，三个所述的激光器均采用半导体激光器且波长各不相同，三个所述的激光器的波长分别为476nm、532nm、650nm；

所述的透射率和反射率测量组件由白光光源、光纤、准直透镜组、积分球和光谱仪组成，所述的白光光源通过所述的光纤与所述的准直透镜组连接，所述的白光光源发出的光通过所述的准直透镜组后形成平行光入射至所述的样品上，所述的积分球位于经所述的样品透射的光或经所述的样品反射的光的光传播路径上，以接受经所述的样品透射的光或反射的光，所述的积分球与所述的光谱仪连接，所述的积分球传输其收集的经所述的样品透射的光或经所述的样品反射的光给所述的光谱仪，所述的光谱仪与所述的控制器连接；

该测量装置还包括固定座，所述的固定座上连接有用于支撑所述的测量探测器和所述的积分球的支撑组件，所述的激光光源组件、所述的偏振器、所述的半透半反镜、所述的圆孔光阑、所述的自准探测器、所述的白光光源、所述的准直透镜组、所述的光谱仪及所述的样品台组件连接于所述的固定座上。

2.根据权利要求1所述的一种介质薄膜光学参数的测量装置，其特征在于所述的样品台组件由立柱、第一电控旋转台、第一步进电机、搁置板、三维位移平台及第一样品夹具和第二样品夹具组成，所述的立柱的底部与所述的固定座连接，所述的立柱的顶部与所述的第一电控旋转台的底部连接，所述的三维位移平台通过所述的搁置板固定于所述的第一电控旋转台的顶部上，测量折射率和厚度时所述的第一样品夹具固定于所述的三维位移平台上，测量透射率和反射率时所述的第二样品夹具固定于所述的三维位移平台上，所述的第一步进电机与所述的第一电控旋转台连接，所述的第一步进电机由所述的控制器控制，所述的第一步进电机驱动所述的第一电控旋转台带动所述的第一样品夹具或所述的第二样品夹具转动。

3.根据权利要求2所述的一种介质薄膜光学参数的测量装置，其特征在于所述的第一样品夹具由用于放置所述的样品的第一底座、用于调节对所述的样品的挤压力度的测微螺杆和由高折射率材料制成的三棱镜组成，所述的第一底座固定于所述的三维位移平台上，所述的三棱镜与所述的第一底座的一端顶接，所述的测微螺杆与所述的第一底座的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的一种介质薄膜光学参数的测量装置，其特征在于所述的第二样品夹具由用于放置所述的样品的第二底座、定位板、滑动片和螺杆组成，所述的第二底座固定于所述的三维位移平台上，所述的第二底座上设置有燕尾型滑道，所述的定位板固定于所述的第二底座上，所述的滑动片位于所述的第二底座的上表面上，所述的滑动片与所述的定位板平行且相对，所述的滑动片的底部设置有与所述的燕尾型滑道相配合的燕尾型滑块，所述的螺杆设置于所述的第二底座内，所述的螺杆与所述的燕尾型滑块连接，所述的螺杆旋转时带动所述的滑动片在所述的第二底座的上表面上滑动靠近所述的定位板或远离所述的定位板。

5.根据权利要求4所述的一种介质薄膜光学参数的测量装置，其特征在于所述的支撑组件由第二电控旋转台、第二步进电机、圆盘、支杆及用于放置所述的测量探测器和所述的积分球的载物台组成，所述的第二电控旋转台具有一个供所述的立柱穿过的中心圆孔，所述的第二电控旋转台位于所述的固定座上，所述的圆盘固定于所述的第二电控旋转台上，所述的支杆的底端与所述的圆盘连接，所述的载物台与所述的支杆的顶端连接，所述的第二步进电机与所述的第二电控旋转台连接，所述的第二步进电机由所述的控制器控制，所述的第二步进电机驱动所述的第二电控旋转台带动所述的载物台转动。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种介质薄膜光学参数的测量装置，其特征在于所述的控制器由电机驱动电路、电机控制电路、光电信号采集与转换电路组成；所述的控制器连接有计算机终端，所述的计算机终端中安装有介质薄膜光学参数的计算软件，所述的计算机终端通过所述的控制器对所述的样品台组件和所述的支撑组件实施操作，且所述的计算机终端对所述的测量探测器和所述的光谱仪采集的测量数据进行处理，计算出介质薄膜的折射率、厚度、透射率和反射率、色散和吸收系数。

7.根据权利要求6所述的一种介质薄膜光学参数的测量装置，其特征在于所述的样品包括衬底基片和沉积在所述的衬底基片上的介质薄膜。

8.一种与权利要求7所述的测量装置对应的介质薄膜光学参数的测量方法，其特征在于包括样品的介质薄膜的折射率和厚度测量、样品的介质薄膜的透射率和反射率的测量两部分，所述的样品的介质薄膜的折射率和厚度的测量的具体过程为：

①-1、将样品置放于第一样品夹具上，并使样品的介质薄膜与第一样品夹具中的三棱镜的底面紧贴，然后调节第一样品夹具中的测微螺杆，使测微螺杆的顶部顶住样品的衬底基片，再调节测微螺杆对样品的衬底基片的挤压力度；接着旋转激光光源组件中的圆台选择一个激光器；

①-2、开启当前选择的激光器，然后调节当前选择的激光器、偏振器、半透半反镜、圆孔光阑、测量探测器、自准探测器的高度和水平位置，使各部件光路共轴，再调节样品台组件中的三维位移平台，使激光器发出的激光始终入射到由测微螺杆对样品的衬底基片挤压产生的样品形变点上，之后调节偏振器以获得TM模式的激光，最后由控制器控制支撑组件中的第二步进电机驱动支撑组件中的第二电控旋转台带动测量探测器旋转，当经过第一样品夹具中的三棱镜的底面反射的光照射到测量探测器的中心位置时由控制器控制第二步进电机停止工作；

①-3、设置样品台组件中的第一电控旋转台的旋转速度为ω，设置支撑组件中的第二电控旋转台的旋转速度为2ω，并使第一电控旋转台的旋转方向与第二电控旋转台的旋转方向相同，进行角度扫描，此时测量探测器检测到的光强-角度曲线为样品的介质薄膜的衰减全反射谱线，自准探测器测量到的光强-角度曲线的峰值位置对应的角度作为基准角度为60°，在基准角度60°下激光光束恰好与第一样品夹具中的三棱镜的一个侧面垂直；其中，ω的取值范围为0.001-0.05rad/s；

①-4、根据导波光学理论，在样品的介质薄膜的衰减全反射谱线上读取三个相邻衰减峰对应的角度，然后根据β_i＝k₀×n_p×sinθ_p计算出与这三个角度所对应的三个导模的传播常数，其中，i＝1,2,3，β_i表示三个相邻衰减峰中的第i个衰减峰对应的角度所对应的导模的传播常数，k₀表示真空中的波矢，k₀＝2π/λ，λ为当前选择的激光器的波长，n_p表示第一样品夹具中的三棱镜的折射率，θ_p表示进入三棱镜的入射光线与三棱镜的底面法线的夹角，θ_α为三棱镜的底角，表示进入三棱镜的入射光线与三棱镜的侧面法线的夹角，θ_i表示三个相邻衰减峰中的第i个衰减峰对应的角度，sin( )表示正弦函数，arcsin( )表示反正弦函数；

①-5、根据步骤①-4计算得到的三个相邻衰减峰中的每个衰减峰对应的角度所对应的导模的传播常数和介质平板波导的TM导模色散方程 $k_{i}h=(i-1)\mathrm{\π}+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2{p}_i}{n_2^2{k}_i}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{n_1^2{q}_i}{n_0^2{k}_i}\right),$ 计算得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁与厚度h，其中， $k_i={(k_0^2{n}_1^2-{{\mathrm{\β}}_i}^2)}^{1/2},p_i={({{\mathrm{\β}}_i}^2-k_0^2{n}_2^2)}^{1/2},$ k₀表示真空中的波矢，k₀＝2π/λ，λ为当前选择的激光器的波长，n₁表示样品的介质薄膜的折射率，n₂表示样品的衬底基片的折射率，n₀表示空气的折射率；

①-6、旋转激光光源组件中的圆台选择另一个波长的激光器，重复上述步骤①-2至步骤①-5，得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁与厚度h；

①-7、旋转激光光源组件中的圆台选择不同波长的第三个激光器，重复上述步骤①-2至步骤①-5，得到采用当前选择的激光器时样品的介质薄膜的折射率n₁与厚度h；

①-8、将上述获得的在三个不同激光波长下的样品的介质薄膜的折射率分别代入柯西色散公式n(λ)＝A+(B/λ²)+(C/λ⁴)+...中，并忽略高阶项，联立求解对应三个不同激光波长的介质薄膜的折射率的方程组得到柯西色散系数A、B、C，并描绘出样品的介质薄膜的色散曲线，即获得任意波长下的样品的介质薄膜的折射率n(λ)；

所述的样品的介质薄膜的透射率和反射率的测量的具体过程为：

②-1、将样品置放于第二样品夹具上，旋转第二样品夹具中的螺杆，使样品固定于第二样品夹具中的滑动片与定位板之间；

②-2、开启白光光源，然后调节白光光源、准直透镜组、积分球和置放于第二样品夹具上的样品的高度和水平位置，使其光路共轴，再由光谱仪测量准直透镜组出射的平行光束的光强作为标定光强，记为I₀(λ')，其中，λ'为白光光源的波长；

②-3、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动，使准直透镜组出射的平行光束垂直入射至样品，经样品透射的光被与积分球连接的光谱仪接收，此时光谱仪测量得到入射角为零度时样品的透射光强，记为I_t(λ')；然后根据T₀(λ')＝I_t(λ')/I₀(λ')计算得到入射角为零度时样品的介质薄膜的透射谱T₀(λ')；再根据样品的介质薄膜的透射谱T₀(λ')，获取任一波长下入射角为零度时样品的介质薄膜的透射率；

②-4、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动θ度，此时光谱仪测量得到入射角θ下样品的介质薄膜的透射光强I_t(λ',θ)，然后根据T(λ',θ)＝I_t(λ',θ)/I₀(λ')计算得到样品的介质薄膜在不同入射角下的透射谱T(λ',θ)，再根据样品的介质薄膜在不同入射角下的透射谱T(λ',θ)，获取任一波长下在不同入射角时样品的介质薄膜的透射率；其中，θ的取值范围为0-80°；

②-5、由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动，使准直透镜组出射的平行光束垂直入射至样品；然后由控制器控制第一步进电机驱动第一电控旋转台带动样品转动θ'度，并由控制器控制第二步进电机驱动第二电控旋转台带动载物台转动到积分球能够接收到样品反射的光的位置，此时光谱仪测量得到入射角为θ'时样品的介质薄膜反射的光的光强，记为I_r(λ',θ')；再根据R(λ',θ')＝I_r(λ',θ')/I₀(λ')计算得到样品的介质薄膜波长范围在可见-近红外下的反射谱R(λ',θ')；最后根据样品的介质薄膜波长范围在可见-近红外下的反射谱R(λ',θ')，获取任一波长下在不同入射角时样品的介质薄膜的反射率；其中，θ'的取值范围为8°-80°；

②-6、根据朗伯-比尔定律，将步骤②-3中得到的T₀(λ')代入α(λ')＝ln(1/T₀(λ'))/h中，计算得到入射角为零度时厚度为h的介质薄膜在任意波长下的吸收系数α(λ')，其中，ln( )为以e为底的自然对数。